學用并重，教研融合
——膠體與界面化學研究生課程的改革實踐

楊志勇

中國科學院大學化學科學學院，北京 101408

1 引言

研究生基礎課的一個重要特征在于它是理論學習與科研活動的過渡與橋梁。在大多數(shù)研究生基礎課程中，有較為成熟的理論框架，需要研究生學習和掌握。如，膠體與界面化學課程中的膠體體系的制備與陳化、膠體體系的動力學性質、光學性質與電學性質、膠體體系的DLVO (Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek)理論與聚沉動力學、界面模型與熱力學、Kelvin公式，與表面活性物質相關的乳液與微乳理論等[1,2]。這些都是從前人經(jīng)典的研究成果中凝練而成的，是該領域的基礎框架，也是研究生課程教學與學習中必須完成的。

但在研究生基礎課程教學與學習時，普遍存在一些共性的問題，如：1) 經(jīng)典知識理論與研究前沿學習顧此失彼；2) 所學知識僵化，不能靈活地運用在科研活動中，無法為科研結果的分析與理解提供基礎；這就造成了經(jīng)典理論知識與當前研究活動割裂，似乎沒用的假象；3) 作為理論學習與科研活動的橋梁，在經(jīng)典理論課程中，科研素質培養(yǎng)不充分，理論學習與科研活動較為脫節(jié)，學生為了學理論課程(拿學分)而學[3–6]。

在膠體與界面化學基礎課程學習中，我們采取了多項措施來實現(xiàn)學與用并重、教與研融合，以此來增強學生運用知識的能力，培養(yǎng)其科學素質，為將來的科學研究打下基礎，并避免學生為拿學分而學，改變師生認為基礎理論課程學習“無用”的想法。

2 改革實踐

2.1 課堂講授與啟發(fā)式討論的精確配合

在理論知識講授中，精心設置開放式討論，使學生在反復地思考、解釋、反駁、辯論中深刻理解結論背后的原理與機制。只有深刻地理解了知識的來龍去脈，知其所以然，才有變通、靈活運用乃至發(fā)展所學知識的能力。同時避免課堂成為老師講、學生聽的單向信息傳遞模式。這樣學生容易走神，對知識的理解和掌握也并不牢固。并且，學完之后容易很快“還給”老師。

教學案例：在講滲透壓時，學生們都知道計算公式。部分學生知道膠體一側液面會升高。

提問：為什么膠體一側液面不能無限升高？

學生們開始是沉默，說明并不清楚滲透壓的原理。思考后提出多個解釋與假說，經(jīng)過多次的“提出–反駁–完善”，最終理解分散介質在半透膜兩側的化學勢要平衡。然后，從化學勢入手，推導出滲透壓公式。學生們豁然開朗。

學生反饋與教學效果：“豁然開朗的感覺”“印象深刻，公式不用記，自然出現(xiàn)在腦海中”“很有啟發(fā)性”。

通過啟發(fā)式課堂討論，讓學生參與教學過程，增加互動性和趣味性，授課也就變成了雙向信息溝通的模式。而且學生普遍反映經(jīng)過討論、思考獲取的知識，比老師直接告訴的記得牢、理解深刻，同時科研思維與素質也得到了鍛煉。

2.2 理論知識的學與用并重

在討論中，分步引導，使學生理解運用知識解釋實驗結果的入手點、方式、步驟等，進而分解問題、提出假說與解釋。改變學生運用知識時的茫然、無從下手的狀態(tài)。培養(yǎng)學生抽絲剝繭地分析、解決問題的科研能力。

教學案例：在學習完毛細管中彎曲液面飽和蒸氣壓與其半徑的關系后(公式1)，給出了多孔物質等溫吸附–脫附曲線(圖1)不重合的實驗結果。

在公式1中：R，氣體常數(shù)；T，溫度；P，毛細孔中液體的飽和蒸汽壓；p0，液體的飽和蒸汽壓；γ，液體的表面張力；Vm，液體的摩爾體積；θ，接觸角；r，孔半徑。

課堂討論要求：通過理論(公式1)和實驗結果(圖1)，分析樣品中可能存在的孔結構類型和吸脫附過程。

學生們在開始討論時手足無措，找不到獲得“理論–實驗–結論”的入手點。因此課前精心設計了多步提問，逐步引導學生進行分析:

a) 從等溫吸附-脫附曲線(圖1)來分析，同等壓力下哪條曲線的吸附量更大？

圖1 多孔物質等溫吸附–脫附曲線

得出：同等壓力下脫附曲線的吸附量更大。

b) 飽和蒸氣壓變高還是變低才能使吸附量變大？

得出：飽和蒸汽壓變低，同等壓力下，氣體過飽和度變大，液體容易凝結，吸附量變大。

c) 依據(jù)公式1來分析，什么參數(shù)、如何變化才能使飽和蒸氣壓的變化滿足要求？

得出：孔徑變小，接觸角變小等都可以使毛細孔中液體的飽和蒸氣壓變小，吸附量變大。

d) 從參數(shù)變化，分析樣品中可能存在什么結構或吸脫附過程？

經(jīng)討論，最終得出：孔結構可能存在墨水瓶狀孔結構；接觸角的前進角和后退角的差別等都可以產(chǎn)生圖1的吸脫附曲線。

經(jīng)過引導，解決學生運用知識時的茫然、無從下手的狀態(tài)，使學生懂得如何尋找入手點進而分解問題，運用知識并提出假說與解釋等。培養(yǎng)學生抽絲剝繭地分析、解決問題的科研能力。

2.3 基礎理論與前沿研究的良好銜接

基礎理論與前沿研究的良好銜接使學生理解基礎理論對前沿研究的支撐作用，前沿研究對基礎理論的完善與拓展。

教學案例：在課程的不同章節(jié)中，分別講授了流動電位、潤濕毛細管中液面上升現(xiàn)象。

精心遴選了Nature Nanotechnology上2017年的一篇論文[7]。該論文在基底上通過不充分燃燒獲得多孔碳層，并用氧等離子體處理碳層，在涂層表面和孔道中產(chǎn)生羥基和羧基等基團，使多孔碳的表面和孔道具有親水性質。制備電極后，將器件放入鹽溶液中(圖2)，使部分碳層處于鹽溶液中，由于孔道親水，孔道中的鹽溶液液面高于燒杯中的液面?？椎乐械囊后w蒸發(fā)時，燒杯中的液體不斷地補充到孔道中，產(chǎn)生了流動電位，實現(xiàn)了發(fā)電功能。通過文獻閱讀與討論，使學生認識到這篇文獻新奇現(xiàn)象背后的機制正是課程中的這兩個知識點，同時研究結果也拓展了這兩個效應的應用領域。

圖2 溶液蒸發(fā)發(fā)電器件工作示意圖

2.4 挖掘經(jīng)典理論發(fā)展中的科研歷程與啟示

挖掘經(jīng)典理論發(fā)展中的科研歷程使學生理解科研活動中的抽象、建模、演繹、改善的過程；使學生理解理論發(fā)展中多輪次“質疑–舉證–完善”的歷程，培養(yǎng)學生從大量、繁雜的實驗結果建立假說與理論的科研能力。

教學案例：雙電層結構經(jīng)歷了“Helmholtz模型、Gouy-Chapman模型、Stern-Gouy-Chapman (GCS)模型，BDM (Bockris-Devanathan-Muller)理論”的建立、長時期的改進與完善，目前仍在發(fā)展中。這一部分科研歷程明顯、清晰。所以，在授課中引導學生分析如何基于實驗結果建立模型，分析每個模型的進步與不足之處，如何有針對性地改進，使學生理解科學研究的過程。

(1) Helmholtz模型的提出。

實驗結果：在裝有粘土分散體系的連通器插入電極，通電后，粘土顆粒發(fā)生運動。

模型的提出：根據(jù)實驗結果，推測粘土中含有帶電顆粒，其在電場下定向運動，造成了液體的流動。因此，提出帶電膠體顆粒與其反離子層構成了平行板電容器，即雙電層結構的Helmholtz模型。

課堂問題：Helmholtz模型可以解釋哪些實驗結果？哪些不能解釋，為什么？模型中忽略了什么因素？如何改進模型？

經(jīng)學生討論，明確：a) Helmholtz模型滿足了顆粒帶電而且整個體系電中性的要求；b) 但在平行板電容器假設中，反離子完全被緊密束縛在帶電固體表面附近，很難分離，不能在電場下做定向運動。因此不能解釋此部分結果；c) 更重要的是引導學生經(jīng)討論，得出：該模型忽略了反離子的熱運動?？紤]熱運動后，反離子層從固體表面到電中性的位置應有一個分布。

(2) Gouy-Chapman模型的建立。

根據(jù)對Helmholtz模型的討論，完善其不足，引出Gouy-Chapman模型。該模型考慮了反離子的熱運動。認為熱運動使反離子層從帶電固體表面到無窮遠處符合波爾茲曼分布。并利用點電荷的泊松方程來處理雙電層結構。

對泊松方程簡化后，進行嚴密的數(shù)學演繹、求解，得出反離子層的電勢分布曲線與電荷密度等。

課堂問題：Gouy-Chapman模型相對于Helmholtz模型的進步是什么？它是否是個完美的模型，不足之處在哪里？

根據(jù)Gouy-Chapman模型，反離子層的電勢只能與固體表面的電勢同號，而且比固體表面的低。實驗中發(fā)現(xiàn)有些情況下ζ電勢與固體表面的電勢異號，或是比固體表面的電勢更高。如何解決這些實驗結果與Gouy-Chapman模型的矛盾？

經(jīng)學生討論，明確：a) 在Gouy-Chapman模型中，考慮了兩個因素：靜電力和熱運動，但反離子層的分布是單一模型；b) 反離子層可以與帶電顆粒較為容易地分離，分別在電場下做定向運動，這是比Helmholtz模型進步的地方；c) 引導學生思考并討論，得出：在帶電顆粒表面附近，反離子與表面電荷之間有很強的靜電吸引力，使反離子的分布并不符合波爾茲曼分布。也就是說在帶電顆粒表面附近，過高地估計了熱運動的作用，矯枉過正。這也正是改進Gouy-Chapman模型的入手點。

進一步提問：如何改進Gouy-Chapman模型？

(3) Stern-Gouy-Chapman (GCS)模型的提出。

引導學生：將Helmholtz模型與Gouy-Chapman模型整合，將反離子層的分布分區(qū)域考慮，構建不同的分布規(guī)律，即：在帶電固體表面附近，反離子排列與平行板電容器較為類似，這一層稱為Stern層；而在這一位置以外，反離子層符合波爾茲曼分布。

進一步提問：GCS模型如何解釋某些情況下ζ電勢與固體表面的異號，或是比固體表面電勢更高的實驗現(xiàn)象？除了靜電力與熱運動對雙電層結構的影響外，還有什么其他因素可能影響Stern層？

引導學生得出：在GCS模型中，Stern層還受范德華力的影響。如果范德華力造成的吸附主導了Stern層的結構，那么Stern層的電勢將由吸附物質的電荷決定，因此可能與固體表面的電荷異號，或是同號但電勢更高。

充分討論后，在課堂中明確指出：在GCS理論中，考慮了三個因素：靜電力，熱運動和范德華作用力，并且區(qū)分了不同區(qū)域中的主導因素及所產(chǎn)生的的雙電層結構，即：固體表面至Stern層是由靜電力和范德華作用力主導，近似為平行板電容器模型；而Stern層以外是由熱運動和靜電力平衡的結果，為擴散模型的結構。由此，完成GCS模型的建立。

再次依據(jù)GCS模型，經(jīng)過嚴密的數(shù)學演繹、求解，得出完整的雙電層結構的數(shù)學描述等。

提出問題：在GCS模型中，計算得出Stern層的反離子密度異常高，不合理。原因是什么？

(4) GCS模型的完善與發(fā)展。

引導學生討論得出：在GCS模型中，忽略了溶劑的吸附與影響，表面電荷分布不均勻等。

進而把Stern層分為內緊密層和外緊密層(BDM理論)。目前，雙電層理論仍在發(fā)展中。

(5) 前沿研究介紹。

在雙電層結構建立與發(fā)展過程中，大多數(shù)情況下是無機鹽離子作為反離子。與膠體顆粒相比，尺寸較小，因此作為質點電荷對待。近年來，離子液的出現(xiàn)，給雙電層結構提出了新的挑戰(zhàn)。在離子液中，正負離子尺寸較大，因此不能當作質點電荷對待。更重要的是，與無機鹽溶液中的正負離子相比，離子液正負離子之間作用力較強。這些不同將導致不同的雙電層結構。我們選取了兩篇具有代表性的研究論文[7,8]，介紹了離子液體系中的雙電層結構。

通過(1)–(5)過程的討論與學習，使學生理解“繁雜實驗結果–抽取主要特征–建立物理模型–數(shù)學演繹–得出結論–分析結論中與實驗結果相符與不符之處–改進物理模型再進行演繹與分析”的過程，理解理論模型與框架發(fā)展中的多輪次“質疑–舉證–完善”的科研歷程，培養(yǎng)其質疑思想和能力。

3 結語

通過以上措施，在課程教學中，實現(xiàn)了學與用并重、教與研融合。改變了學生認為課本中的知識都是成熟的、完善的、甚至完全正確的思想；并培養(yǎng)了學生的批判性思維，對現(xiàn)有知識和結果進行批判性解讀的能力，對數(shù)據(jù)與實驗現(xiàn)象分析、歸納、建模與演繹的能力；啟蒙學生的科研思想、培養(yǎng)其初步科研素質。教學效果也獲得了同學們和專家的一致認可，獲得了中國科學院大學校級/學院級優(yōu)秀課程，教育教學成果二等獎等。

學與用并重、教與研融合的教學方式和措施使研究生基礎課程教學與實際科研活動緊密貼合，培養(yǎng)學生的科研素質，為學生開展科學研究打下基礎。

致謝：此工作得到了中國科學院大學優(yōu)秀課程、中國科學院大學化學-化工精品課程建設項目等項目的資助與支持。