基于PBL的物理化學(xué)教學(xué)實例分析
——以“表面活性劑”為例

谷瑩秋，郭 瑜

(1.江蘇師范大學(xué) 化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.武警后勤學(xué)院 數(shù)理教研室，天津 300300)

物理化學(xué)是高?；瘜W(xué)化工類、工程材料類、藥學(xué)醫(yī)學(xué)類各專業(yè)學(xué)生的一門重要的基礎(chǔ)課，學(xué)生通過對化學(xué)變化中的基本規(guī)律、基礎(chǔ)理論的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)理論思維的能力，即能夠用物理化學(xué)的觀點和方法來解釋化學(xué)現(xiàn)象、解決化學(xué)問題的能力。相較于無機化學(xué)、有機化學(xué)、分析化學(xué)三門先行課程，物理化學(xué)的概念多、理論多、公式多，學(xué)生普遍反映物理化學(xué)晦澀抽象、學(xué)習(xí)難度大、學(xué)習(xí)興趣低。然而物理化學(xué)作為化學(xué)學(xué)科的理論核心，除了滿足學(xué)生對于系統(tǒng)知識的獲取，也對學(xué)生在日常生活中認(rèn)識自然、在科學(xué)研究中探索課題具有不可替代的理論指導(dǎo)作用。因此，教師在教學(xué)過程中需要將知識點與生產(chǎn)生活、科學(xué)研究緊密聯(lián)系起來，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、提出問題，并嘗試從物理化學(xué)的角度解決問題，才能更好的幫助學(xué)生完成理論知識的積累和思維能力的提升。

PBL(Problem based-learning，PBL)是一種“以問題為核心，以學(xué)生為主體”的教學(xué)模式，教師在知識點學(xué)習(xí)之前引入實際問題，學(xué)生以此問題為驅(qū)動進(jìn)行理論學(xué)習(xí)，而后教師引導(dǎo)學(xué)生利用理論知識解決問題[1-4]。我們探索將PBL應(yīng)用于物理化學(xué)教學(xué)中，以生產(chǎn)生活以及科學(xué)研究中的實際問題為驅(qū)動，將知識點的理論學(xué)習(xí)和應(yīng)用實踐相結(jié)合，破除學(xué)生認(rèn)為的物理化學(xué)難且無用的誤解，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生主動學(xué)習(xí)思考、自主解決問題的能力。

本文以高等教育出版社《物理化學(xué)》下冊第十三章表面物理化學(xué)中第七節(jié)表面活性劑為例，從生產(chǎn)生活和科學(xué)研究中有關(guān)表面活性劑的問題進(jìn)行教學(xué)實例分析，對基于PBL的物理化學(xué)教與學(xué)做初步探討。表面活性劑一節(jié)主要介紹了表面活性劑的分類、親水-親油平衡值、膠束的形成、表面活性劑的作用幾個知識點，在學(xué)習(xí)這一節(jié)之前，已經(jīng)在“溶液的表面吸附”一節(jié)介紹了表面活性劑的概念、兩親性結(jié)構(gòu)以及在溶液表面的定向排列性質(zhì)，這些前驅(qū)知識是學(xué)生順利理解教師將要創(chuàng)設(shè)的情境和問題的基礎(chǔ)。此外，表面活性劑在生產(chǎn)生活中應(yīng)用廣泛，可直接引入問題，而在科學(xué)研究中的應(yīng)用，由于學(xué)生對科研背景不甚了解，還需進(jìn)行情境的創(chuàng)設(shè)。

1 基于生產(chǎn)生活問題驅(qū)動的表面活性劑PBL教學(xué)實例

1.1 問題引入

表面活性劑又稱為“工業(yè)味精”，在化工、食品、化妝品、洗滌用品、紡織等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，我們從生活中學(xué)生都會使用的洗發(fā)水入手，在課前引入一系列相關(guān)問題供學(xué)生討論學(xué)習(xí)。具體問題設(shè)計如下：引入“每個同學(xué)使用的洗發(fā)水中有哪些成分是表面活性劑”、“每個小組(四個同學(xué))洗發(fā)水中共同含有的表面活性劑有哪些”，這兩個問題有助于學(xué)生進(jìn)一步熟悉表面活性劑的構(gòu)成；引入“你可以為洗發(fā)水中的表面活性劑分類嗎”，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)表面活性劑分類依據(jù)并能夠正確分類；引入“洗發(fā)水中的表面活性劑是如何發(fā)揮洗滌作用的”、“市場上存在一些無硅油洗發(fā)水，硅油也是一種表面活性劑，硅油到底好不好”，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)表面活性劑的作用機理。

1.2 問題解決

引入問題后，學(xué)生帶著熱情去日常生活中尋找答案，帶著疑惑通過小組討論使思路清晰。表面活性劑的指認(rèn)、分類比較簡單，學(xué)生自主學(xué)習(xí)效果較好(見表1)。學(xué)生們通過各自觀察和小組比較，可以得出洗發(fā)水雖然品牌眾多，但所含表面活性劑的成分是一致的，主要成分有八種，其中無硅油洗發(fā)水不含“硅油”，即聚二甲基硅氧烷。表面活性劑的作用原理難度較大，需要配合教師的詳細(xì)講解，這里不再贅述。學(xué)生對于有無“硅油”問題興趣較高，此題為開放性問題，老師可做適當(dāng)引導(dǎo)。“硅油”可以清潔后毛躁的頭發(fā)變的潤滑，但易殘留成膜而阻塞毛孔。但無硅油洗發(fā)水不是單純的將“硅油”去掉，而是需要換成溫和、天然的表面活性劑，如氨基酸型表面活性劑、無患子皂苷等[5]。

表1 洗發(fā)水中表面活性劑成分及其分類

1.3 問題反饋

將生產(chǎn)生活的實際問題融匯到教學(xué)過程中，學(xué)生可以更好的接收問題并主動求解，樹立了他們認(rèn)識自然、學(xué)以致用的意識。整個教學(xué)過程中學(xué)生興趣濃厚，參與度較高，問題完成情況較好。

2 基于科學(xué)研究中問題驅(qū)動的表面活性劑PBL教學(xué)實例

1.1 情境創(chuàng)設(shè)

高?；瘜W(xué)教學(xué)倡導(dǎo)科研對教學(xué)的反哺[6]，將科研成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)資源，有助于學(xué)生科技視野的開放和科研素養(yǎng)的培養(yǎng)。我們選取了表面活性劑在熱點科研領(lǐng)域納米金催化劑制備方面的應(yīng)用，首先介紹背景創(chuàng)設(shè)情境。塊狀金是穩(wěn)定存在的，當(dāng)把塊狀的金通過一定方法分散到納米尺度，并將其負(fù)載在氧化物等載體上形成負(fù)載型納米金催化劑時，納米金催化劑會對CO氧化等反應(yīng)表現(xiàn)出較強的催化活性[7]。納米尺寸的金顆粒容易聚集長大，當(dāng)金顆粒長大至10nm以上，會大大降低其催化活性。膠體沉積法是制備高活性納米金催化劑的一種有效方法，表面活性劑聚乙烯醇(PVA)是制備過程中重要的原料。膠體沉積法的第一步是將PVA和氯金酸混合，而后加入還原劑NaBH4使氯金酸還原為金顆粒，最終形成1-5nm的均勻分散的金溶膠；第二步是將載體與金溶膠混合，使金顆粒將全部沉積在載體上；最后，通過焙燒處理燒掉PVA，得到金顆粒分散均勻的負(fù)載型納米金催化劑[7]。

1.2 問題引入

創(chuàng)設(shè)情境后層層遞進(jìn)提出幾個科研問題，第一個問題是“通過膠體沉積法的介紹，你認(rèn)為表面活性劑PVA在催化劑制備過程中起到什么作用”，引導(dǎo)學(xué)生從背景介紹中提取金催化劑制備原理的信息，強調(diào)PVA在金顆粒的分散性上起的作用；第二個問題"表面活性劑PVA是如何發(fā)揮作用的"，引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合表面活性劑在溶液表面定向排列的性質(zhì)，學(xué)習(xí)表面活性劑在溶液內(nèi)部形成膠束的相關(guān)知識點。

圖1 A表面活性劑在溶液內(nèi)形成膠束，B PVA在溶液內(nèi)形成包裹金顆粒的膠束

1.3 問題解決

學(xué)生可以從背景介紹中了解到催化劑的制備就是將氯金酸還原為金顆粒，然后金顆粒與載體結(jié)合的過程，表面活性劑PVA起到了阻止金顆粒長大、形成均勻分散的金溶膠的保護作用。這是因為沒有PVA時，金膠體粒子表面覆蓋羥基，通過氫鍵的連接會使粒子聚集長大。加入多元醇型表面活性劑PVA后，PVA的醇羥基可以與膠粒的羥基以氫鍵結(jié)合，使PVA一端吸附在膠粒表面、另一端伸向溶液形成包裹金顆粒的球狀膠束[8]，膠束的形成阻止了金顆粒的長大聚集。表面活性劑在溶液內(nèi)部形成膠束知識點難度較大，需要教師在引導(dǎo)啟發(fā)之后系統(tǒng)講述。教師可以先介回顧表面活性劑在溶液表面的定向排列，之后引導(dǎo)學(xué)生繼續(xù)加大表面活性劑的濃度，表面活性劑會在溶液內(nèi)部形成膠束(如圖1A所示)，由此類推到金催化劑制備過程中，表面活性劑PVA會在溶液內(nèi)形成包裹金顆粒的膠束(如圖1B所示)。

1.4 問題反饋

將科學(xué)研究中的實際問題融匯到教學(xué)過程中，需要學(xué)生有敏銳的信息有效獲取和知識遷移應(yīng)用的能力，學(xué)生反映對于他們今后開展創(chuàng)新實驗、畢業(yè)論文以及將來從事研究工作大有裨益。雖然基礎(chǔ)較差的學(xué)生完成度較低，但可以在總結(jié)知識點時回顧科學(xué)問題的解決過程，增加他們對知識的理解。