物理化学课堂教学演示实验设计*

李娟琴，任海生

(四川大学化学工程学院，四川 成都 610065)

物理化学是化工、制药、高分子、材料、轻纺、环境等专业本科生学生必修的专业基础课程，在化学学科中占有重要地位。物理化学课程理论性、逻辑性、系统性很强，基本概念多且抽象，公式推导演绎多且使用条件严格[1-2]。学生在学习过程中普遍感到难度较大，不易掌握，在一定程度上影响学生的学习兴趣和热情。化学是源于实验的科学，我国著名化学家戴安邦曾说过：“化学实验教学是实施全面化学教育的一种最有效的形式”，如果在教学过程中能够适当地引入简单且易于操作的演示实验，将理论与实验密切结合，将会有利于学生对抽象概念的理解和掌握，同时提高学生的参与度和学习兴趣。美国学者艾德加·戴尔在“学习金字塔”理论中指出，不同的学习方法达到的学习效果不同[3]。用耳朵听讲授、阅读、视听结合、演示四种学习方式属于被动学习，在两周之后，学生对知识的保持率分别是5%、10%、20%和30%，而讨论、实践与教授给他人这三种学习方式属于主动学习，学习内容平均留存率分别是50%、75%、90%。基于学习金字塔理论，我们在课堂教学中要重视、强调自主学习，调动学生的积极主动性，课堂演示实验是一个很好的方法，不只是单纯地演示给学生看，而是引导学生也要参与其中，要动手实践，这样可以大幅度提高学习效率。课堂演示实验能够激发学生的兴趣，增强学生的课堂参与度，提高注意力，是优化课堂教学的“催化剂”[1]。

1 演示实验在物理化学课堂教学中的应用

1.1 演示实验应用于化学热力学

化学热力学是物理化学课程中非常重要的组成部分。热力学基本定律是人类在长期的生产实践和科学实验基础上总结出来的，热力学知识体系中包含的公式数量多，适用范围和使用条件也各不相同，在热力学的讲授过程中概念抽象，学生对热力学概念的理解和掌握比较困难。因此考虑在教学中应适当地引入演示实验，让学生分析实例，学会积极主动地思考、讨论并结合课堂教学，以期达到更好的教学效果。以热力学第一定律部分的热门话题“永动机”为例[4]，我们通过一个有趣的科学玩具“饮水鸟”结合力学和能量定律完美地实现了破解，通过分析，说明永动机是不可能实现的。饮水鸟的构造如图所示，主体由玻璃制成，它的身体是一根玻璃管，管的上端是一个小球，也就是鸟头，管的下端是一个大球，球内装有液体，管的下端浸在液面下。整个鸟身是密闭的，架在一个类似鸟腿的支座上。它的头部粘有尖尖的鸟嘴，尾部粘有羽毛。而它的神奇之处就是，在鸟的面前放上一杯水，把嘴浸到水里，“喝”了一口后，直立起来。可是直立一会儿它又会俯下身去喝水，如此反复，不停地点头喝水，这究竟是怎么回事呢？难道就是传说中的永动机吗？据说这个中国古代玩具饮水鸟类似永动机的状态曾经让大科学家爱因斯坦也惊叹不已。

图1 饮水鸟及其结构示意图Fig.1 Drinking bird and its structural diagram

学生看到“饮水鸟”首先想到的就是永动机，饮水鸟模型并不违背热力学第一定律，依然遵守能量守恒，通过分析可知，饮水鸟实际上是遵守热力学定律的典型热机。小鸟运动的机械能源于头部的水分蒸发带走热量，从而导致内部气压的变化，上球内部气体分子冷凝，压强相对于下球要小，导致下球中的液体沿玻璃管上升，使得重心发生变化。在讨论能量守恒时，引入“饮水鸟”来讨论永动机，不仅可以提高学生的学习兴趣，还能启发学生对知识的综合应用，启发学生独立思考，学生会提出很多有意思的问题，比如，“玻璃球中可以使用哪些液体呢？有没有条件限制呢？”，“如果小鸟喝的是热水呢？”，“室温变化会有影响吗？”，“饮水鸟运动频率和哪些因素有关呢？”…… 这一系列问题的提出，可以让学生体验探究式学习的乐趣，让课堂不再沉闷，同时培养学生提出问题、分析问题、解决问题的能力。

1.2 演示实验应用于界面化学

界面化学是物理化学的重要组成部分，表面张力、附加压力等概念是本章节的重点和难点[5]。在前期的课程教学过程中，我们发现学生对于概念的深刻理解和灵活掌握还有待提高。很多时候学生对于公式并没有真正理解，只知其然不知其所以然，公式的含义、使用条件及其在实际应用过程中的意义并不十分清楚。在讲授过程中如果采用传统的以讲授为主的方式授课，学生被动听课，兴趣不高，缺乏互动，因而亟需教师在教学中调整教学方式方法，提高学生的参与度，培养学生的学习主动性和创造性。

在附加压力概念的讲解时，学生对“曲率半径越小，附加压力越大”的理解比较抽象。在讲解概念之前，老师会先抛出一个问题让学生讨论，如果将大小两个气球连接，经过一段时间会发生什么变化？(1)大球变小，小球变大？(2)大球更大，小球更小？(3)不发生变化？同学们会根据自己的认识和直觉给出答案，大多数同学认为是大球会越来越小，小球会被吹大。真是这样吗？为此我们设计了一个简单的课堂演示小实验来回答这个问题。

图2 附加压力演示实验Fig.2 Demonstration experiment of additional pressure

我们预先准备两个不同颜色的气球、软管、橡皮筋和夹子。请两位同学吹出一大一小两个气球，用橡皮筋将两个气球固定在两根软管上。对折软管用夹子夹住，然后松开夹子，见证奇迹的时刻到了，这时候你会看到小球竟然把大球“吹”大了！通过这样的实验演示，再结合计算附加压力的拉普拉斯方程进行理论分析，这样学生对知识点掌握得会更加清晰、牢靠。课堂演示实验结合理论讲解可以帮助学生将抽象的知识具体化，形象化，激发了学生的好奇心和求知欲，增强了互动。通过课堂演示实验和启发式教学的灵活应用，使得学生的学习兴趣得以提升，在轻松愉快中掌握知识，教学效果良好。

表面张力是界面化学中非常重要的核心概念[6]，我们从表面吉布斯函数、表面功以及表面张力三个方面进行了定义，但是仅依靠理论讲解相关知识是不够的，不但抽象难懂也难以让人信服，为了让同学们获得更加直观的感受，对表面张力有更深的认识和理解，我们还让同学自己动手设计了易于操作的演示实验。

图3 表面张力演示实验Fig.3 Demonstration experiment of surface tension

将铁丝弯折成圆形，在一端系有一细线，细线末端系成封闭的，如图所示。用针将细线中间的液面戳破，细线立刻被拉成圆环状。通过实验演示能够形象地说明液体表面由于有张力而使得液面有收缩的趋势。“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行”，我们还准备了相应的材料，让更多的同学能够在课间亲自尝试，感受实验的乐趣。比如，如何让回形针漂浮在水面不下沉，比赛谁制作的泡泡水更不易破，通过自己动手体验从而自己总结出影响表面张力的因素有哪些。通过这样的学习，学生对知识的掌握会更加的牢靠，比单纯听老师讲授的效果要好很多。

1.3 演示实验应用于电化学

电化学与生活实际联系紧密，在电化学部分我们设计了水果电池的课堂演示实验。我们日常生活中营养丰富又美味的水果，除了食用，还能用来做成水果电池进行发电，是不是很神奇呢？水果电池是利用水果中的化学物质和金属片发生反应产生电能的一种原电池[7]。我们采取分组实验，4～5人一组。首先准备好相关的实验材料，铜片，锌片，导线，led小灯，铜片与锌片分别作为电池的正极和负极。水果由同学们自行准备，柠檬、苹果、番茄、猕猴桃等。如图所示，将水果分成小块并串联。接通电路，可以看到小灯被点亮，说明电路中有电流通过。同学们带着好奇心在兴趣的指引下通过演示实验可以自行探究水果电池产生电能的原理：活泼金属锌和不活泼金属铜插在水果上，连接导线后就形成了原电池。在锌铜原电池中，锌片为负极，失去电子发生氧化反应，电子转移至铜片后，与水果中的果酸反应。需要提醒学生注意，制作过水果电池的水果不可以再食用。

图4 水果电池及其导电原理示意图Fig.4 Demonstration experiment of fruit battery and the scheme of conductive principle

通过课堂演示实验，引导学生探究电化学原理，同学们还可以继续深入研究，什么是电解质？电解质的导电原理是什么？是什么因素促使铜片和锌片之间产生了电势差？如果将锌片换成铝片呢？水果电池的电压影响因素有哪些？电路连接方式是否会影响电流? 有哪些注意事项？这种教学模式完全符合本校所倡导的“小班化-探究式”教学的主旨。课堂演示实验使学生产生深刻印象，既能活跃课堂气氛，又能增添学习乐趣。

2 课堂演示实验的几点注意事项

直观易懂、形象生动的课堂演示实验是活跃课堂气氛，促进学生探究真理，提高课堂效率的一种非常重要的有效途径。文中所列的课堂演示实验不同于物理化学实验课。物理化学实验课是一门独立的基础实验课程，课堂演示实验属于理论教学的一部分，主要是为物理化学理论课程服务，短小精悍，易于操作，简单有趣、效果显著，目的是通过课堂演示实验使同学充分理解课堂所学的理论知识，激发学习热情，培养创新精神。演示实验内容不会和物理化学实验课程内容冲突。在开展课堂演示实验时需要注意以下几点：

2.1 目的明确，准备充分

课堂演示实验要处处做好标准示范，不得有丝毫马虎。实验设计要目的明确，紧扣重点和难点内容。在课堂演示实验之前，一定要预演实验，做到心中有数，发现实验中存在的问题，不断对演示实验进行优化改进。实验前相关材料要准备充分；实验中可能会出现哪些问题，要有预判；时间的安排，小组分配等细节问题都要注意到。

2.2 操作规范，注意安全

演示实验是在课堂上进行，切记要保证安全，做到万无一失。实验过程中遵守规程，教师要向学生强调注意事项，态度要严肃认真，对可能发生的意外要提前有所考虑，并有预防措施。

2.3 学生参与，重视引导

传统意义上的演示实验主要是由教师结合课程内容亲自操作，学生只是观摩。其实学生亲自参与，能获得更加深刻的印象。要调动学生的积极主动性，学生必须要参与到实验中。在实验的过程中，教师要不断启发引导学生，不断地启发提问，引导学生仔细观察，充分思考，积极讨论，使学生能够通过实验现象发掘本质。实验结论由学生自己一步一步地推演出来。

2.4 效果明显，便于观察

课堂演示实验要效果明显、直观、清晰、操作简便，能够将实验现象清楚明了地展示出来，不能模棱两可，似是而非。

3 结 语

本文通过设计在化学热力学、界面化学及电化学部分的演示实验，介绍了如何有效利用演示实验辅助物理化学课堂教学。通过课堂演示实验，化抽象为具体，把枯燥的公式推导和定理证明生动直观地展示给学生，学生对于课堂上推导出来的结论理解得更加深刻。堂演示实验充分体现了“提高学生的科学素养，增强学生的创新意识，发展学生的自主学习能力和独立研究能力”等要求。通过演示实验引导学生细心观察，积极思考，培养学生发现问题、分析问题、解决问题的能力。