学用并重，教研融合——胶体与界面化学研究生课程的改革实践

杨志勇

中国科学院大学化学科学学院，北京 101408

1 引言

研究生基础课的一个重要特征在于它是理论学习与科研活动的过渡与桥梁。在大多数研究生基础课程中，有较为成熟的理论框架，需要研究生学习和掌握。如，胶体与界面化学课程中的胶体体系的制备与陈化、胶体体系的动力学性质、光学性质与电学性质、胶体体系的DLVO (Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek)理论与聚沉动力学、界面模型与热力学、Kelvin公式，与表面活性物质相关的乳液与微乳理论等[1,2]。这些都是从前人经典的研究成果中凝练而成的，是该领域的基础框架，也是研究生课程教学与学习中必须完成的。

但在研究生基础课程教学与学习时，普遍存在一些共性的问题，如：1) 经典知识理论与研究前沿学习顾此失彼；2) 所学知识僵化，不能灵活地运用在科研活动中，无法为科研结果的分析与理解提供基础；这就造成了经典理论知识与当前研究活动割裂，似乎没用的假象；3) 作为理论学习与科研活动的桥梁，在经典理论课程中，科研素质培养不充分，理论学习与科研活动较为脱节，学生为了学理论课程(拿学分)而学[3–6]。

在胶体与界面化学基础课程学习中，我们采取了多项措施来实现学与用并重、教与研融合，以此来增强学生运用知识的能力，培养其科学素质，为将来的科学研究打下基础，并避免学生为拿学分而学，改变师生认为基础理论课程学习“无用”的想法。

2 改革实践

2.1 课堂讲授与启发式讨论的精确配合

在理论知识讲授中，精心设置开放式讨论，使学生在反复地思考、解释、反驳、辩论中深刻理解结论背后的原理与机制。只有深刻地理解了知识的来龙去脉，知其所以然，才有变通、灵活运用乃至发展所学知识的能力。同时避免课堂成为老师讲、学生听的单向信息传递模式。这样学生容易走神，对知识的理解和掌握也并不牢固。并且，学完之后容易很快“还给”老师。

教学案例：在讲渗透压时，学生们都知道计算公式。部分学生知道胶体一侧液面会升高。

提问：为什么胶体一侧液面不能无限升高？

学生们开始是沉默，说明并不清楚渗透压的原理。思考后提出多个解释与假说，经过多次的“提出–反驳–完善”，最终理解分散介质在半透膜两侧的化学势要平衡。然后，从化学势入手，推导出渗透压公式。学生们豁然开朗。

学生反馈与教学效果：“豁然开朗的感觉”“印象深刻，公式不用记，自然出现在脑海中”“很有启发性”。

通过启发式课堂讨论，让学生参与教学过程，增加互动性和趣味性，授课也就变成了双向信息沟通的模式。而且学生普遍反映经过讨论、思考获取的知识，比老师直接告诉的记得牢、理解深刻，同时科研思维与素质也得到了锻炼。

2.2 理论知识的学与用并重

在讨论中，分步引导，使学生理解运用知识解释实验结果的入手点、方式、步骤等，进而分解问题、提出假说与解释。改变学生运用知识时的茫然、无从下手的状态。培养学生抽丝剥茧地分析、解决问题的科研能力。

教学案例：在学习完毛细管中弯曲液面饱和蒸气压与其半径的关系后(公式1)，给出了多孔物质等温吸附–脱附曲线(图1)不重合的实验结果。

在公式1中：R，气体常数；T，温度；P，毛细孔中液体的饱和蒸汽压；p0，液体的饱和蒸汽压；γ，液体的表面张力；Vm，液体的摩尔体积；θ，接触角；r，孔半径。

课堂讨论要求：通过理论(公式1)和实验结果(图1)，分析样品中可能存在的孔结构类型和吸脱附过程。

学生们在开始讨论时手足无措，找不到获得“理论–实验–结论”的入手点。因此课前精心设计了多步提问，逐步引导学生进行分析:

a) 从等温吸附-脱附曲线(图1)来分析，同等压力下哪条曲线的吸附量更大？

图1 多孔物质等温吸附–脱附曲线

得出：同等压力下脱附曲线的吸附量更大。

b) 饱和蒸气压变高还是变低才能使吸附量变大？

得出：饱和蒸汽压变低，同等压力下，气体过饱和度变大，液体容易凝结，吸附量变大。

c) 依据公式1来分析，什么参数、如何变化才能使饱和蒸气压的变化满足要求？

得出：孔径变小，接触角变小等都可以使毛细孔中液体的饱和蒸气压变小，吸附量变大。

d) 从参数变化，分析样品中可能存在什么结构或吸脱附过程？

经讨论，最终得出：孔结构可能存在墨水瓶状孔结构；接触角的前进角和后退角的差别等都可以产生图1的吸脱附曲线。

经过引导，解决学生运用知识时的茫然、无从下手的状态，使学生懂得如何寻找入手点进而分解问题，运用知识并提出假说与解释等。培养学生抽丝剥茧地分析、解决问题的科研能力。

2.3 基础理论与前沿研究的良好衔接

基础理论与前沿研究的良好衔接使学生理解基础理论对前沿研究的支撑作用，前沿研究对基础理论的完善与拓展。

教学案例：在课程的不同章节中，分别讲授了流动电位、润湿毛细管中液面上升现象。

精心遴选了Nature Nanotechnology上2017年的一篇论文[7]。该论文在基底上通过不充分燃烧获得多孔碳层，并用氧等离子体处理碳层，在涂层表面和孔道中产生羟基和羧基等基团，使多孔碳的表面和孔道具有亲水性质。制备电极后，将器件放入盐溶液中(图2)，使部分碳层处于盐溶液中，由于孔道亲水，孔道中的盐溶液液面高于烧杯中的液面。孔道中的液体蒸发时，烧杯中的液体不断地补充到孔道中，产生了流动电位，实现了发电功能。通过文献阅读与讨论，使学生认识到这篇文献新奇现象背后的机制正是课程中的这两个知识点，同时研究结果也拓展了这两个效应的应用领域。

图2 溶液蒸发发电器件工作示意图

2.4 挖掘经典理论发展中的科研历程与启示

挖掘经典理论发展中的科研历程使学生理解科研活动中的抽象、建模、演绎、改善的过程；使学生理解理论发展中多轮次“质疑–举证–完善”的历程，培养学生从大量、繁杂的实验结果建立假说与理论的科研能力。

教学案例：双电层结构经历了“Helmholtz模型、Gouy-Chapman模型、Stern-Gouy-Chapman (GCS)模型，BDM (Bockris-Devanathan-Muller)理论”的建立、长时期的改进与完善，目前仍在发展中。这一部分科研历程明显、清晰。所以，在授课中引导学生分析如何基于实验结果建立模型，分析每个模型的进步与不足之处，如何有针对性地改进，使学生理解科学研究的过程。

(1) Helmholtz模型的提出。

实验结果：在装有粘土分散体系的连通器插入电极，通电后，粘土颗粒发生运动。

模型的提出：根据实验结果，推测粘土中含有带电颗粒，其在电场下定向运动，造成了液体的流动。因此，提出带电胶体颗粒与其反离子层构成了平行板电容器，即双电层结构的Helmholtz模型。

课堂问题：Helmholtz模型可以解释哪些实验结果？哪些不能解释，为什么？模型中忽略了什么因素？如何改进模型？

经学生讨论，明确：a) Helmholtz模型满足了颗粒带电而且整个体系电中性的要求；b) 但在平行板电容器假设中，反离子完全被紧密束缚在带电固体表面附近，很难分离，不能在电场下做定向运动。因此不能解释此部分结果；c) 更重要的是引导学生经讨论，得出：该模型忽略了反离子的热运动。考虑热运动后，反离子层从固体表面到电中性的位置应有一个分布。

(2) Gouy-Chapman模型的建立。

根据对Helmholtz模型的讨论，完善其不足，引出Gouy-Chapman模型。该模型考虑了反离子的热运动。认为热运动使反离子层从带电固体表面到无穷远处符合波尔兹曼分布。并利用点电荷的泊松方程来处理双电层结构。

对泊松方程简化后，进行严密的数学演绎、求解，得出反离子层的电势分布曲线与电荷密度等。

课堂问题：Gouy-Chapman模型相对于Helmholtz模型的进步是什么？它是否是个完美的模型，不足之处在哪里？

根据Gouy-Chapman模型，反离子层的电势只能与固体表面的电势同号，而且比固体表面的低。实验中发现有些情况下ζ电势与固体表面的电势异号，或是比固体表面的电势更高。如何解决这些实验结果与Gouy-Chapman模型的矛盾？

经学生讨论，明确：a) 在Gouy-Chapman模型中，考虑了两个因素：静电力和热运动，但反离子层的分布是单一模型；b) 反离子层可以与带电颗粒较为容易地分离，分别在电场下做定向运动，这是比Helmholtz模型进步的地方；c) 引导学生思考并讨论，得出：在带电颗粒表面附近，反离子与表面电荷之间有很强的静电吸引力，使反离子的分布并不符合波尔兹曼分布。也就是说在带电颗粒表面附近，过高地估计了热运动的作用，矫枉过正。这也正是改进Gouy-Chapman模型的入手点。

进一步提问：如何改进Gouy-Chapman模型？

(3) Stern-Gouy-Chapman (GCS)模型的提出。

引导学生：将Helmholtz模型与Gouy-Chapman模型整合，将反离子层的分布分区域考虑，构建不同的分布规律，即：在带电固体表面附近，反离子排列与平行板电容器较为类似，这一层称为Stern层；而在这一位置以外，反离子层符合波尔兹曼分布。

进一步提问：GCS模型如何解释某些情况下ζ电势与固体表面的异号，或是比固体表面电势更高的实验现象？除了静电力与热运动对双电层结构的影响外，还有什么其他因素可能影响Stern层？

引导学生得出：在GCS模型中，Stern层还受范德华力的影响。如果范德华力造成的吸附主导了Stern层的结构，那么Stern层的电势将由吸附物质的电荷决定，因此可能与固体表面的电荷异号，或是同号但电势更高。

充分讨论后，在课堂中明确指出：在GCS理论中，考虑了三个因素：静电力，热运动和范德华作用力，并且区分了不同区域中的主导因素及所产生的的双电层结构，即：固体表面至Stern层是由静电力和范德华作用力主导，近似为平行板电容器模型；而Stern层以外是由热运动和静电力平衡的结果，为扩散模型的结构。由此，完成GCS模型的建立。

再次依据GCS模型，经过严密的数学演绎、求解，得出完整的双电层结构的数学描述等。

提出问题：在GCS模型中，计算得出Stern层的反离子密度异常高，不合理。原因是什么？

(4) GCS模型的完善与发展。

引导学生讨论得出：在GCS模型中，忽略了溶剂的吸附与影响，表面电荷分布不均匀等。

进而把Stern层分为内紧密层和外紧密层(BDM理论)。目前，双电层理论仍在发展中。

(5) 前沿研究介绍。

在双电层结构建立与发展过程中，大多数情况下是无机盐离子作为反离子。与胶体颗粒相比，尺寸较小，因此作为质点电荷对待。近年来，离子液的出现，给双电层结构提出了新的挑战。在离子液中，正负离子尺寸较大，因此不能当作质点电荷对待。更重要的是，与无机盐溶液中的正负离子相比，离子液正负离子之间作用力较强。这些不同将导致不同的双电层结构。我们选取了两篇具有代表性的研究论文[7,8]，介绍了离子液体系中的双电层结构。

通过(1)–(5)过程的讨论与学习，使学生理解“繁杂实验结果–抽取主要特征–建立物理模型–数学演绎–得出结论–分析结论中与实验结果相符与不符之处–改进物理模型再进行演绎与分析”的过程，理解理论模型与框架发展中的多轮次“质疑–举证–完善”的科研历程，培养其质疑思想和能力。

3 结语

通过以上措施，在课程教学中，实现了学与用并重、教与研融合。改变了学生认为课本中的知识都是成熟的、完善的、甚至完全正确的思想；并培养了学生的批判性思维，对现有知识和结果进行批判性解读的能力，对数据与实验现象分析、归纳、建模与演绎的能力；启蒙学生的科研思想、培养其初步科研素质。教学效果也获得了同学们和专家的一致认可，获得了中国科学院大学校级/学院级优秀课程，教育教学成果二等奖等。

学与用并重、教与研融合的教学方式和措施使研究生基础课程教学与实际科研活动紧密贴合，培养学生的科研素质，为学生开展科学研究打下基础。

致谢：此工作得到了中国科学院大学优秀课程、中国科学院大学化学-化工精品课程建设项目等项目的资助与支持。