基于自主学习的角度谈物理化学教学

2020-11-27张如良孙海青

山东化工 2020年21期

张如良，刘蕾，孙海青

(山东科技大学材料学院，山东青岛 266590)

物理化学作为化学和材料学科基础课程，多数学生在学习时都会抱怨物理化学概念繁多抽象，感觉比较晦涩，原理与生活脱节，公式众多，尤其是高年级学生的误导，更是导致低年级学生在初学前就带着情绪。但是笔者在物理化学这门课程的授课与学习中，深刻体会到物理化学是兼顾实用性与创造性的中心科学，与其他学科相互联系，相互结合，不只是在科学领域，在哲学，人文等领域也有着深刻的启示，日常生活一些现象也与物理化学密切相关。授课时，需要引导学生通过一些生活和前期基础知识，充分调动逻辑想象能力和分析处理能力。

1 物理化学以其独特的视角诠释着这个世界

问题的本质来源于生活而高于生活，但学生在学习过程中往往缺乏思考和事物间联系，很多认为“理所应当”的问题，其实不然。例如，在界面现象这一个模块的学习中，表面张力是一个很重要的问题，液体分子之间排列紧密，因而分子之间具有吸引力，而在气相中，当分子距离增加的时候，分子的引力随着距离的增加而迅速下降。因此分子间引力在液-气交界面上就形成了一种张力，即向内和两侧拉扯液面的力，这就是表面张力。把曲别针、缝衣针之类的东西小心翼翼地放在水面上，可以让它们漂浮起来，小物体漂浮现象就是利用的表面张力。当在其表面滴加一滴含有表面活性剂的溶液中，曲别针会迅速沉入水中。

这种之类的问题数不胜数，为什么泡泡是球形的，为什么装了热水的水瓶，塞子经常过夜就打不开了等等这之类的问题其实蕴含着丰富的物理化学知识。物理化学并不是与生活脱节，而是从生活中而来，联系与生活实际会让物理化学理解得更加具体。

2 物理化学的原理公式的项目种类繁多，未知数、常量、假定等等数学联系密切，深刻的糅合了物理和数学等方面的知识，理解与推算记忆带来了一定困难[1]

相信很多同学都为热力学部分的大量的公式以及推导方程而感到头疼。为了应付考试的盲目去应记，不加以理解，往往经过一段时间，不用说正负号搞不搞得清楚，就连是哪几个热力学函数都会出现记忆混乱。这时候我们就要用到追根溯源法了。何为追赶溯源法，公式并不是凭空而来的，而是经过合理的演算，由根而生。这个根就是我们所要搞清楚的。例如，麦克斯韦方程式是热力学中非常重要的公式，很多同学都对此方程头疼不已。我们如果采用以下思维进行推算，就很容易得到，避免死记硬背。

从U=U(S,V)入手，U对S,V的一阶偏导数是

在此基础上求其二阶偏导数：因为求导顺序与结果无关，所以先后对S,V求导得

同理可求H、A、G分别对各自两个独立变量的二阶偏导数，可得出如下三式：

由此可见，公式并不是凭空产生的，我们要运用合理的工具去创造条件，而不是一味地去死记硬背，找出源头，一路向前，并拥有良好的数学功底会让我们学起物理化学事半功倍。

3 物理化学主要是站在微观和宏观角度上看待问题[2]，是“抽象”问题，大部分是肉眼不能观察到的变化，而大脑更愿意去接受“具象”的事物，这是学生在学习物理化学的一个难点

如何转“抽象”为“具象”才是关键。当讲到理想气体状态方程PV=nRT时，其适用条件是气体分子本身所占的体积与此时气体所具有的非常大的体积相比可忽略不计，因而分子可近似被看作是没有体积的质点。压力越低，偏差越小。于是从极低压力气体的行为触发，抽象提出理想气体的概念。换句话说，真实的理想气体是不存在的，空气本身就是“看不见摸不着”的，而理想气体又不存在，许多同学大脑中缺少一个模型去理解，造成接收的假象。公式背过了，说它到底是什么，却又实际讲不出。建立良好的空气分子模型，合理类比已有的客观事物，是最佳方案。气体分子数量多，每个个体独立存在又相互影响，无序性强。气体受热膨胀，就好比人，一旦活泼起来就像人的活动范围增大，需要的空间自然就大，跟“膨胀”一样。那么，理想气体分子就同样跟人一样毫不干涉其他人进行自己的运动。这样一来，理解起来非常清楚，我们要善于抓住学习内容的特点，类比我们所熟知的事物，这样学习起来自然事半功倍。

就比如原电池的设计来说，并不是要把所有的电池背过，而是从化学方程式入手，正极和负极的材料有千千万万种，但是设计原电池的规律却是万变不离其宗，得失电子守恒便是关键，主干抓好了接下来就是添枝散叶了，许多细节也要把握。“顺藤摸瓜”式的思路就是这样，找到主线，然后上面的脉络分支就很清楚，也能找到想要的结果。

4 万物皆有理，如何去寻找物理化学当中的“理”是至关重要的，逻辑思维的运用必不可少，以及如何运用哲学思想去解释反应机理达到更快的吸收与理解

知识从何而来，知识并不是凭空产生的，同样也不是人们所创造的。知识是客观存在的真理。我们所做的只不过是不断地去发现事物的本质。这就是为什么千百年来科学家们孜孜不倦的去寻求自然界的最小单元。为的就是去更多的了解我们生活的世界，不看表面，只看实质。对于物理化学的学习更是如此，其实在物理化学的学习中，出现最多的的两个词就是平衡与守恒。哲学思想平衡论中指出任何事物都具有两面性，两者是矛盾和相对的，是在互相转化的。需在两者之间寻找一个平衡点，如此反复，周而复始，无穷无尽，最终维持大体上的平衡，呈螺旋式交替上升趋势，并呈现为双螺旋状态。如此化学平衡中无非就是生成物和反应物的相互作用，最终会回归平衡。而这个平衡绝不是静态的，而是一个动态平衡，就是所谓的双螺旋状态。这样的一个思考过程不仅仅是单向过程，是一个逻辑互逆的过程。任何事物都有两面性，把握其中的理，指导物理化学的理解，才是根本。

5 重视实验在物理化学学习中起的作用，以实践带动学习，以操作加深理解

物理化学实验部分在物理化学学习中占据着相当重要的地位，培养了学生的基本的物化素养和科研创新能力[3,4]。现代的物理化学教学体系已经有了很大程度上的完善，主要表现在课程的配套实验设施上。但通过近年来对课程观察，取得的效果可以说是不尽人意。一方面学生对实验的重视程度不够高，并不能真正领会实验“动手带动思维，实践检验真理”的精神。另外，在整个实验的过程中，学生的预习浮于表面，过程浅尝辄止，总结流于形式。其次，课后反馈不够及时、不充分，导致“不知其所以然”的现象非常的普遍，不能主动地用学过的物化知识解决现实问题。

因此，需要引导学生重视实验预习，不再是照搬实验报告，而是引导学生自主去设计实验，体会其中物理化学的原理，更好的去应用在课堂上学到的书本知识。同时，实验仪器与实验思路更要与时俱进，做实验的最终目的还是培养学生的科学素养观念，如果一直验证性实验，那很难获得时代所青睐的培养效果。难以提升学生的综合创新意识及能力。例如，多引入物质结构性质表征方面的实验内容，在实验设计中兼顾课程及专业的培养目标，根据时代的需要，才能获得更好的效果与高的知识价值。