科学发现走进物理化学课堂激发兴趣的探索*

熊加斌，刘国群，陈思如

(中原工学院材料与化工学院，河南 郑州 450007)

1 传统物理化学课程课堂教学改变的迫切性，课堂教学的不可替代

摩尔定律指出，集成电路上可以容纳的晶体管数目在大约每经过18个月便会增加一倍。这是技术快速发展的一个缩影，也是告诉我们，经典的技术，它也不能一层不变的传承。

手机硬件、软件的快速更新、多样化发展，导致人们对它特别喜爱，几乎到了寸步不离的程度。课堂上，如果老师讲的枯燥，他们会不自觉的去玩手机。我曾多次发现，学生在课堂偷偷打游戏，看视频，完全沉寂在个人世界，不知道自己目前正在上课。我在他的身后站着不动时，他也浑然不知，上课前带来的书，不曾翻开一页，下课后同学喊着一起回去，终于可以光明正大的玩了，很是开心。老师辛苦备课，做PPT，写教案，在讲台站了近100 min，这些努力，在他这里都付诸东流，这也让老师开始反省，查找问题出在哪里？

活化课堂，适时引入科学发现内容，这也是对教学思维方式的转变，要求我们从对科学技术的平常心，转变为自觉寻找并应用科学技术于自己的科学研究和课程教学中。以高精尖的震撼成果进课堂，来激发学生兴趣，从而大幅促进学生学习动力，在掌握知识的同时，学生的科学素养也进行了培养。

因为科技发展，网络也是日新月异，现代教育技术、手段也是极为丰富，慕课平台推广普及并大规模应用，翻转课堂等新的教学模式的融入，学生可以很好的进行书本知识的自学了[1-2]。大量学者也进行了学生素养，教学方法得探索[3-4]，但是课堂教学与网课相比，显得单薄无力，是不是可以取消课堂教学，大家都上网课，进行自学了？实际情况却没有想的那么好。因为疫情的特殊时期，我们学校2020年春季学期，实行了一学期网课教学，学生没有进入校园。刚上网课的老师们也是各显神通，费了很大精力、时间来进行网上教学，结果测试发现，一半以上的学生成绩大幅下滑，还出现挂科太多，留级、退学的学生。这就告诉我们，课堂教学目前环境下还不能被网络资源教学代替。

2 科学发现进入物理化学教学的探索

物理化学课程主要采用物理学的方法和手段来研究化学领域的问题，主要包括化学热力学与动力学、电化学、表面与胶体化学三大部分内容。化学热力学与动力学部分是本课程重点也是难点部分，化学热力学是以热力学三大定律为理论基础，解决理想气体状态变化、单组分相变过程及化学反应中的能量衡算问题，并将三大定律应用于多组分系统、化学反应、多相系统和界面中，判断系统自发进行的方向和限度问题，计算平衡时系统的组成，讨论各种因素对平衡体系的影响。动力学部分研究化学反应的速率和机理问题，讨论反应速率的影响因素，计算简单级数反应反应时间、半衰期等相关参数。学生可以运用化学热力学和动力学基本知识描述并解释实验现象，计算物理量，用于识别和判断材料成型及控制领域复杂工程问题的关键环节。

物理化学是化学基础课中比较抽象、理论性比较强的课程，也是培养学生逻辑思维能力的重要课程。在不能延续传统教学模式不变，又不能被新模式替代的情况下，活化课堂，激发学生兴趣，可以达到事半功倍的效果，而科学发现技术的引入，可以完美撑起这个框架。作为地方院校，学生对于数学推理及物理模型的理解相对比较薄弱，学习难度较大，对于物理化学的学习兴趣不高，因而课堂气氛不活跃，课堂上师生间交流互动少。这就要求老师，不能再采用灌输知识的模式，要活化课堂，改变方法内容，激发学生兴趣，让学生主动探索。看了很多次老师游泳模仿，自己要去水里试试深浅。

在这种情况下，即使教师将有关公式的推导、模型概念讲解得非常清晰透彻，学生的收获也是比较有限的。教学包含教和学两方面，教是外因，学是内因。即使教师感觉到自己对教学内容讲解得非常好，而如果学生的吸收是有限的，那么这样的教学就很难是成功的。事实上，课堂教学的主体是学生，学生是否学到理解并会用知识，才是教学是否有效，教学目标是否达成的主要评价标准。这就要求老师，不能再采用灌输知识的模式，要活化课堂，改变方法内容，激发学生兴趣，让学生主动探索。看了很多次老师游泳模仿，自己要去水里试试深浅。

讲水的相图时，超高压力时，在实验室制造出冰的结晶形式有八种形态，可以让同学们借助模拟工具，按图片里的空间构型，画出它们的立体结构，对比每个学生做得不同，可以将结构化学的知识进行串联应用。这样既激发了学生兴趣，又把知识拓展延伸。

2.1 教学方法

物理化学是一门数学物理逻辑非常清晰的课程，因此在教学方法上应该首先尊重这一学科特点。在实际教学过程中，既要活跃课堂气氛，调动学生的学习热情和积极性，又要保持教学内容和教学计划的可控性。因此，我们所使用的主要方法仍然是讲授法。对于有关物理化学概念、模型、公式、习题的讲解，都主要采用讲授法，也即教师讲解、学生听讲的模式。限于这样的模式，对授课老师调节课堂气氛提出了很高的要求。

另一方面，为了促进学生对教学内容的学习，在讲授的过程中，还要辅以师生交互法。比如，开始上课的时候，随机提问学生上一次课的主要内容，然后教师再予以补充。对于回答好的同学，进行鼓励；对于回答不好的同学，则提出委婉的批评。比如，在讲到某个概念、模型或公式的时候，可以随机提问学生这里面的某一点。比如，在讲解例题的时候，要求学生自己先看3～5 min，自己试着做一下，然后随机点名某个同学回答解题思路。在学生回答过程中，或者回答完后，教师再予以补充完善。

还有就是分组探索学习形式，提前让大家收集材料，与本次课程相关的，最新技术应用，以及它带来的改变，和后期它可能的发展。这样来调动学生积极性，参与度。

2.2 活化课堂气氛

课堂气氛的活化，方法有很多，可以借助动画，视频，新的多媒体手段来实行，但是这种手段使用次数多了，学生会疲软。或者一堂课大量使用同样手段，导致无法传输正常知识，学生兴趣点也没有了。

物理化学作为一门经典学科，它的学科特点就是要联系实践，联系发展，进而反过来推动学科发展。例如，当我们讲到热力学第三定律时，介绍绝对零度这个概念。用纯语言，文字来描述，很难让学生感兴趣，就像你在和从没见过雪花的人说冬天的感觉一样。而把宇宙最冷之地进行介绍说明，同学们立马表情就会大不一样，当你说“最近智利天文学家经过漫长探索，发现了目前宇宙最冷地方，他们把这个宇宙目前最冷之地称为“回力棒星云”。在这个地方，温度为零下272 ℃，是目前所知道的，在自然界中是最寒冷的地方，也形象称为“宇宙冰盒子”，这也是证明宇宙大爆炸理论众多证据里，最显著有效的一个”。他们会很好奇，这个温度有多低，温度还和宇宙大爆炸有关，会带着兴趣去思考，去学习。在学生注意力专注的时候，把热力学知识有机进行融入，拓展，并用新技术、高精尖产品来震撼学生心灵，对学术殿堂产生探索力。

在界面章节讲解时，从生活实例出发，如池塘水面上的水黾，可以在水上自由行走而不落水，光滑的荷叶不会被雨滴打湿。然后详细对实例进行说明，水黾为何能毫不费力地站在水面上，科研人员通过确定探索方法，来对其腿部微观结构进行观察。当用高倍电镜进行扫描时，发现了水黾能够产生这种优异特性的原因，水黾的腿部有着特殊的微纳米结构，它能结合其表面油脂产生协同效应。微纳米结构可以有效形成大面积多孔道的气囊，油脂表面刚好来保护气囊，形成自带的救生圈一样效果，产生的浮力让水黾何能毫不费力地站在水面上。研究荷叶出淤泥而不染的特点发现，荷叶表面具一层超疏水性质的膜，这种超疏水性质的膜覆盖在荷叶最外表面。它是由一层微米/纳米复合结构，结合其表面的植物蜡，形成的共同作用，达到不沾水的优异效果。可以在此基础上给同学们讲解表面势能，表面张力，接触角等一系列知识点。言之有物，实例说明，更能让学生学的快，用的好，也充满了对知识渴望，而不是纯粹追求期末考试，过关测试。

2.3 科学成果介绍

当教室气氛不活跃，同学兴趣点不高时，可以通过和课堂内容相关的科学成果，来带领学生继续前进，相当于正餐里的调味品。比如在介绍热力学里的热转换时，可以问同学们，想不想在夏天里穿一件能自己降温5 ℃的衣服，进而达到凉爽过夏天的目的。同学们会好奇问，什么衣服这么神奇，我们就可以引入华中科技大学陶光明研究小组和浙江大学光电科学与工程学院马耀光研究小组共同研发的超材料辐射制冷织物[5]。

首先介绍先进的辐射制冷技术，就是使温度较高的物体通过向外界辐射能量，从而降低自身温度的方法。如果在真空环境，两个物体互不接触时，当两个温度不同进行热交换，就可以通过这个方法来完成。宇宙空间里是一种超低温度和接近真空的环境，所有航天器上的仪器，可以用辐射制冷来达到降温的效果。

而在生活中，近年来，基于光学随机结构原理制备的材料的快速发展，通过选择性光谱调控技术生产的的辐射制冷织物，在个人热管理领域逐渐受到重视。

随后，介绍在《科学》杂志上发表的题为“Hierarchical-morphology metafabric for scalable passive daytime radiative cooling”的研究论文。他们经过多年研究发现并提出了，一种形态分级的，光学随机结构的超材料织物(Metafabric)，原理就是，将织物不同的空间结构，纤维结构以及其内部微结构进行逐级分级，测试发现，不同的级次可以响应不同波段的光，极大地优化了光谱响应的效率。与此同时，还可以避免各个波段光谱之间的串扰，基本上实现了，在0.3～25 μm波段范围的光谱高效控制。该团队巧妙将批量纤维制备技术融合入光学超材料技术，把绿色环保，并且可生物降解的聚乳酸作为纤维原料，在特定波段控制光学新特性下，制备出均匀连续的大批量超材料纤维。再进一步利用纺纱织造和层压技术，合成的Metafabric在太阳光辐射波段(0.3～2.5 μm)可以达到92.4%反射率，而处于中红外大气窗口波段(8～13 μm)时，可以达到94.5%发射率，并且这种材料可以在全天实现，明显低于环境温度的日夜辐射制冷效果。实地测试，在正午时段进行的模拟人体皮肤测试中发现(广州，2020年11月28日)，和同色的商用织物(棉、氨纶、雪纺、麻)进行平行对比，Metafabric覆盖下的模拟皮肤温度比它们低5～7 ℃。把人体皮肤测试换成汽车模型时，进行同样的实验(广州，2020年12月7日)，对比市售车罩可达到低27 ℃的效果，对比没有织物覆盖的汽车模型可达到降温30 ℃的效果。Metafabric材料对暴露于阳光下，真实人体同样也具有显著的降温结果(广州，2020年12月7日)，对比于白色的棉织物，该材料可以对人体体表有效降温超过4 ℃。

这个例子就可以把科学成果，热交换，生活实例，融合一体，在给学生讲解时，他们会对其中一个点，或者一个方向感兴趣。这样就先把气氛活跃了，也把他们关注点抓过来了，然后再进行其他内容的融合，一节课差不多很成功的讲解完成。这样讲解，课下学生还会主动找你讨论，也会带着问题去找资料，极大地激发了学习兴趣。

3 教学效果

授课老师，大胆适时引入科学发现成果，具体产品，以及生活中实例，可以有效激发学生兴趣，让他们产生动力，去主动学习。达到既授人以鱼又授人以渔，事半功倍的效果。在后期学生考研复习的过程中，他们会深刻记忆知识点，而去选择这门学科，不是全新的去学习这门课。在我参与教学的结构化学学科中，将全新科研软件用于教学，可以对于学生理解分子和晶体的结构、 理解分子的轨道分布、 培养学生的科学研究素养和创新意识，都是非常有帮助的[6]。

通过课堂引入科学发现，老师进行讲解，学生分组探索，并形成自己的思考、方案，把知识体系进行构建的同时，也让同学们对科学知识有了认识兴趣，很好的培养了他们的科学素养。在阶段性测试，期末考试中，可以改革考核方式，引入新的题型。就像学科奥林匹克竞赛会引入科技成果，进行探索，我们的测试，考试也可以进行这样尝试。

通过大量的和学生互动，拉进和学生距离，让知识传授，情感交流无障碍，也会很快速。这样的效果，肯定要有一个比较大的提升，再结合各种问卷，匿名提议等方式，进行边走边修改模式的探索。一切为了学生的量身打造，让祖国的优良人才，进行自我升华，到达栋梁的地步，教师的任务也算是初步完成。

4 结 语

改变课堂气氛才是课堂教学优势所在，活化课堂，激发学生兴趣，可以让优势加大，在传统课堂的基础上需要引入最新知识，产品。作为支撑点，让学生感觉到实在有物，进而可以脚踏实地大步前进。活化的课堂气氛，有效拉进了教师与学生之间的距离，可以让知识体系快速交流。将科学发现引入课堂，激发了学生兴趣，也有效融入其他知识体系，形成交联学习，层次有了快速提高。

在学生其它学科的学习中，也可以有效利用这种方法，后期学生研究生学习、科研深造，工作方面也能打下基础。科学发现的引入，厚植培养他们的科学精神，为我国高新科技发展储备了人才，形成良性循环。