浅谈原型启发在应用型本科物理化学教学中的运用

刘 建，高玉梅，吕名秀，赵龙涛

(河南工程学院 化工与印染工程学院，河南 郑州 450007)

教学有法，但无定法。无论国内国外的教学怎样改革，因材施教，因人而异都是离不开的总原则。探索教学方法的目的都是为了使学生“迈入未知知识的门槛”，都是为了让学生学会从“知之甚少”到“主动探索”的方法。目前被广泛采用的各种教学方法，各有利弊，教师必须从实际情况出发，根据所教课程的特点、学生的知识基础，以及学生的专业培养的目标，选择合适的教学方法进行教学。本文就原型启发教学方法在物理化学部分章节的教学过程的应用进行探讨。

1 物理化学课程的特征

物理化学是用物理学的理论和实验方法，研究化学变化及其伴随的物理变化的本质与规律的科学。物理化学课程的主要特征是理论性强、抽象、逻辑性强、知识点宽。可以说物理化学是化学化工专业及非化工专业基础化学学科的“总论”。由于应用型本科的教育教学主要面向应用和生产实际，理论学习课时少，所以主要以经典热力学方法及宏观动力学研究方法为导向进行教学工作。教师在全面掌握、仔细研读教材的前提下，根据专业需要，合理取舍每章节的内容，选择适当的教学方法，有的放矢的进行教学，将会收到意想不到的效果。一般建议学生采用课前预习、听讲、课后复习、做作业“四位一体”的模式进行学习。但是，由于种种原因，目前的在校学生，特别是应用型本科院校的学生，学习理论知识的热情不高，大多停留在“知其然，而不知其所以然”的阶段。“抽象、枯燥、难懂”是很多学生对物理化学的初步认识，要求学生学会用物理化学的基本原理、观点、方法观察生活，分析问题、解决问题就成了“空谈”。面对抽象又有严密的逻辑性的物理化学基本理论，采取原型启发、类比等方法，紧密联系生活、生产实际，并结合验证性的实验，由浅入深，将理论联系实际，逐步完成“理论—实践—再理论—再实践”的学习目的。

2 原型启发的原理和形式

原型启发是一个心理学的概念，意思是指根据事物的本质特征而产生新的设想和创意。其实质是一种创新思维方法，这正是应型本科教学所提倡的培养应用型人才必须具备的能力目标之一。一般来说，在生活中人们所接触的每件事物的属性和特征在头脑中都可以形成“原型”。在问题解决过程中，问题解决者在“原型”中获得一些原理的启发，使其结合当前问题的有关知识，形成解决方案，从而创造性地解决问题。将原型启发理论应用于教学，特别是应用型本科物理化学的教学，有助于学生对抽象理论的理解，有助于学生更清楚地认识创造性的思维形成过程，为创造性思维的培养提供依据。当我们进行创造想象时，往往会从其他事物中得到启发，从而找到解决问题的方法和途径。最著名的原型启发示例就是鲁班爬山时不小心被一种丝茅草割破手而受启发发明木工锯的历史典故。还有，瓦特看到开水壶的盖子上下起伏，发明蒸汽机。1895年法国米卢埃尔兄弟受到缝纫机的启发，发明了活动电影机，1895年12月28日已经成为了世界上公认的电影诞生日。我们把这种具有启发作用的事物(丝茅草、开水壶的盖子、缝纫机)称作“原型”。原型之所以具有启发作用，主要是因为该事物本身的属性和特点与所创造的东西有相似之处。原型启发有灵感和类比两种形式。这种思维方法的训练，要求人们平时善于并细心观察周围发生的一切，从某种事物的性能或某一动物的特征，得到创造性的启发，从而解决实际问题。在物理化学教学中主要运用原型启发和原型类比的方法帮助学生学习理解抽象的理论和自然规律，探寻解决问题的方法。

3 运用原型启发教学方法，培养创造性思维

3.1 设定原型情景，领悟物理化学内在的规律

应用型本科教育是一种新的教育类型。这种教育类型将培养出适合社会需要的应用型人才。在教育过程中坚持“四个突出”，即突出基础、突出特色、突出应用、突出技术。这“四个突出”既各具特色，又相互关联。要实现应用型人才培养目标，就必须从“打好基础”入手。随着现代科技的发展，教学手段不断更新，从单纯的粉笔黑板，到现在的PPT、微课、慕课、线上线下混合教学等等，仿佛使学生进入了“随处能学”的境地。但是，教与学的对立面是一个永恒的课题。教学手段的先进，并不代表在校学生学习物理化学理论难度的降低，反而增加了的学生学习的难度。原因是微课、慕课的录制与播放，主要基于教师本人自己的“主观判断”，录课的过程中，师生是“分离”的，师生之间没有面对面的眼神交流、神情互动。教师对深奥理论的阐述，如果没有适当的“原型情景”设定，就理论而理论，师生之间就成了“演员与观众”的关系，老师所讲的内容，在学生这边很容易成为“眼过流云”，学生对该深入理解、必须掌握的课程内容，很难产生心理的“同频共振”，很难达到完全理解，更谈不上完全掌握的目的，“视而不见听而不闻”的现象比比皆是。2020年疫情过后，在对90多名19级化工班的学生调查中反应最突出的问题是：单纯线上理论课，感觉仅仅是“听过、看过、有印象”。学生所说的“有印象”的内容，几乎都是有“原型启发或类比的章节内容”。由此可知，原型启发或类比在引导学生探索物理化学知识，理解掌握抽象理论，培养创造性思维，解决实际问题起着重要的作用。

比如：讲授热力学第一定律时，根据学生已有的“能量守恒与转化”的知识，提出“要想让马儿跑，必须让马儿吃草”。布置“能量守恒与转化的生活实例3～5个”的作业，鼓励学生有目的观察生活，发现并解释平时“视而不见听而不闻”的能量守恒与转化的生活实例。当学生真正理解“能量既不能创生，也不能自灭。但不同形式的能量在一定条件下可以相互转化”时，对有关热力学第一定律应用就有较全面的理解掌握。讲授热力学第二定律时，提供水力发电、风力发电、火力发电、地热发电等图片，铁生锈、自由落体运动、热由高温物体传入低温物体等，帮助学生理解“自发过程及特点”。即自发过程在一定条件下不需外界做功，一经引发就能自动进行的过程(水往低处流、温差形成风、煤燃烧放热)。在适当的条件下，自发过程具有对外做非体积功的能力(发电)。体会自发过程具有普遍性，在一定条件下，一切自发过程不可逆。反问：在没有外力的情况下，谁见过落叶重返树梢？铁锈自动还原成铁？体会任何自发过程，有一定的方向(向能量分散的方向进行)和限度，最终达到平衡(一般向混乱度增大的方向进行)。自然而然引入热力学第二定律的经典表述及数学表达式。

在此基础上，学生很容易就能理解齐格蒙弟提出的金值含义，即为了保护10 cm3质量分数为0.000 06的金溶胶，在加入1 cm3质量分数为0.1的NaCl后，在18 h内不聚沉，所需高分子的最少质量称为金值，一般用mg表示。金值越小的高分子物质，说明它对溶胶的保护能力越强。

3.2 利用原型启发或类比，培养学生的创造性思维能力，解决实际问题的能力

通过上述教学例子说明，教师通过原型启发或类比帮助学生理解抽象的理论概念只是基本教学方法，目的在于教会学生利用原型启发去联想、去创造性的解决问题。比如：能量守恒与转化是热力学的第一定律，是人们在生产生活实际中总结出来的自然规律之一，人们平时的任何作为，都必须符合自然规律，否则就会受到惩罚。人类自身是自然界的一部分，那么根据能量守恒与转化这个规律，人自身应该怎样遵守这个规律？古圣先贤告诉我们：天人合一。央视栏目纪录片，探索类节目在2012年12月连续三天播出的《人与自然》专题节目——《天人合一》，用镜头展现人与自然和谐相处，介绍动物、植物、自然知识以及探索人与自然之间的相互影响及作用。结合新冠肺炎疫情中，中医中药发挥的作用，首先以中医中药养生治病的基本原理，引导学生先明理，遵循中医理论说的：把每个人看成一个“整体”，建立全局观、宇宙观。让学生明白，“宇宙”(原型)有自然规律，四季轮回。那么人(看做小宇宙)的衣食住行，应该顺应四季变化自然规律，也就必然要遵守“能量守恒与转化”规律。在智能化飞速发展的当今时代，每个人在每天都有大量信息干扰，特别是智能手机对学生的诱惑最大。部分学生作息时间不规律，体能下降，身心疲惫，上课注意力不集中。如果把人看成一个能量源，那么每天自身能量通过人的“精气神”表现出来，“精气神”就是“能量守恒与转化”的外在体现。有人说：21世纪是“开启智慧”的时代，每个人都必须学会“屏蔽无用的信息”、学会“合理分配时间”，学会自我反省、自我排除“杂念”干扰的能力，建立全局观念，培养“知行合一”的能力，更重要的是，在素质目标方面，需要将化学哲学、人文美学和化学的发展有机结合，将知识传授与社会主义核心价值观内涵思政素材相结合，养成良好的科学思维方法，提高学生的人文素养，培养情感态度与价值观，引导学生树立正确的世界观、人生观和价值观，成为德才兼备、满足新时代新要求的人才。只有这样才能将自身能量(注意力)最大限度地用在事业(学业)上。自2011级开始至今，在对化学工程与工艺专业本科生物理化学教学过程中，通过师生共同努力，帮助过多名迷茫中的学生，学会“能量守恒与转化”在自身上的运用，调整作息时间，学会“时间管理”方法，明确学习目的，端正学习态度，不仅顺利完成了本科学习任务，有的现在已经博士毕业或在读，成为学院的优秀毕业生，影响越来越多的在校学生。

4 结论

物理化学是化学化工及相关专业的重要基础课，无论采用何种教学方法的目的都是为了让学生真正掌握物理化学内容，培养学生的创新能力、辩证的逻辑思维能力、实际解决问题的能力，为后续学科打基础。在教学中，教师必须从实际出发，不同的章节、不同的专业、不同的学生群体，应该选用不同的教学方法，有的放矢，因材施教，才会有更好的教学效果。