科學(xué)發(fā)現(xiàn)走進(jìn)物理化學(xué)課堂激發(fā)興趣的探索*

熊加斌，劉國群，陳思如

(中原工學(xué)院材料與化工學(xué)院，河南 鄭州 450007)

1 傳統(tǒng)物理化學(xué)課程課堂教學(xué)改變的迫切性，課堂教學(xué)的不可替代

摩爾定律指出，集成電路上可以容納的晶體管數(shù)目在大約每經(jīng)過18個月便會增加一倍。這是技術(shù)快速發(fā)展的一個縮影，也是告訴我們，經(jīng)典的技術(shù)，它也不能一層不變的傳承。

手機(jī)硬件、軟件的快速更新、多樣化發(fā)展，導(dǎo)致人們對它特別喜愛，幾乎到了寸步不離的程度。課堂上，如果老師講的枯燥，他們會不自覺的去玩手機(jī)。我曾多次發(fā)現(xiàn)，學(xué)生在課堂偷偷打游戲，看視頻，完全沉寂在個人世界，不知道自己目前正在上課。我在他的身后站著不動時，他也渾然不知，上課前帶來的書，不曾翻開一頁，下課后同學(xué)喊著一起回去，終于可以光明正大的玩了，很是開心。老師辛苦備課，做PPT，寫教案，在講臺站了近100 min，這些努力，在他這里都付諸東流，這也讓老師開始反省，查找問題出在哪里？

活化課堂，適時引入科學(xué)發(fā)現(xiàn)內(nèi)容，這也是對教學(xué)思維方式的轉(zhuǎn)變，要求我們從對科學(xué)技術(shù)的平常心，轉(zhuǎn)變?yōu)樽杂X尋找并應(yīng)用科學(xué)技術(shù)于自己的科學(xué)研究和課程教學(xué)中。以高精尖的震撼成果進(jìn)課堂，來激發(fā)學(xué)生興趣，從而大幅促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)動力，在掌握知識的同時，學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)也進(jìn)行了培養(yǎng)。

因為科技發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)也是日新月異，現(xiàn)代教育技術(shù)、手段也是極為豐富，慕課平臺推廣普及并大規(guī)模應(yīng)用，翻轉(zhuǎn)課堂等新的教學(xué)模式的融入，學(xué)生可以很好的進(jìn)行書本知識的自學(xué)了[1-2]。大量學(xué)者也進(jìn)行了學(xué)生素養(yǎng)，教學(xué)方法得探索[3-4]，但是課堂教學(xué)與網(wǎng)課相比，顯得單薄無力，是不是可以取消課堂教學(xué)，大家都上網(wǎng)課，進(jìn)行自學(xué)了？實(shí)際情況卻沒有想的那么好。因為疫情的特殊時期，我們學(xué)校2020年春季學(xué)期，實(shí)行了一學(xué)期網(wǎng)課教學(xué)，學(xué)生沒有進(jìn)入校園。剛上網(wǎng)課的老師們也是各顯神通，費(fèi)了很大精力、時間來進(jìn)行網(wǎng)上教學(xué)，結(jié)果測試發(fā)現(xiàn)，一半以上的學(xué)生成績大幅下滑，還出現(xiàn)掛科太多，留級、退學(xué)的學(xué)生。這就告訴我們，課堂教學(xué)目前環(huán)境下還不能被網(wǎng)絡(luò)資源教學(xué)代替。

2 科學(xué)發(fā)現(xiàn)進(jìn)入物理化學(xué)教學(xué)的探索

物理化學(xué)課程主要采用物理學(xué)的方法和手段來研究化學(xué)領(lǐng)域的問題，主要包括化學(xué)熱力學(xué)與動力學(xué)、電化學(xué)、表面與膠體化學(xué)三大部分內(nèi)容。化學(xué)熱力學(xué)與動力學(xué)部分是本課程重點(diǎn)也是難點(diǎn)部分，化學(xué)熱力學(xué)是以熱力學(xué)三大定律為理論基礎(chǔ)，解決理想氣體狀態(tài)變化、單組分相變過程及化學(xué)反應(yīng)中的能量衡算問題，并將三大定律應(yīng)用于多組分系統(tǒng)、化學(xué)反應(yīng)、多相系統(tǒng)和界面中，判斷系統(tǒng)自發(fā)進(jìn)行的方向和限度問題，計算平衡時系統(tǒng)的組成，討論各種因素對平衡體系的影響。動力學(xué)部分研究化學(xué)反應(yīng)的速率和機(jī)理問題，討論反應(yīng)速率的影響因素，計算簡單級數(shù)反應(yīng)反應(yīng)時間、半衰期等相關(guān)參數(shù)。學(xué)生可以運(yùn)用化學(xué)熱力學(xué)和動力學(xué)基本知識描述并解釋實(shí)驗現(xiàn)象，計算物理量，用于識別和判斷材料成型及控制領(lǐng)域復(fù)雜工程問題的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

物理化學(xué)是化學(xué)基礎(chǔ)課中比較抽象、理論性比較強(qiáng)的課程，也是培養(yǎng)學(xué)生邏輯思維能力的重要課程。在不能延續(xù)傳統(tǒng)教學(xué)模式不變，又不能被新模式替代的情況下，活化課堂，激發(fā)學(xué)生興趣，可以達(dá)到事半功倍的效果，而科學(xué)發(fā)現(xiàn)技術(shù)的引入，可以完美撐起這個框架。作為地方院校，學(xué)生對于數(shù)學(xué)推理及物理模型的理解相對比較薄弱，學(xué)習(xí)難度較大，對于物理化學(xué)的學(xué)習(xí)興趣不高，因而課堂氣氛不活躍，課堂上師生間交流互動少。這就要求老師，不能再采用灌輸知識的模式，要活化課堂，改變方法內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生興趣，讓學(xué)生主動探索?？戳撕芏啻卫蠋熡斡灸７拢约阂ニ镌囋嚿顪\。

在這種情況下，即使教師將有關(guān)公式的推導(dǎo)、模型概念講解得非常清晰透徹，學(xué)生的收獲也是比較有限的。教學(xué)包含教和學(xué)兩方面，教是外因，學(xué)是內(nèi)因。即使教師感覺到自己對教學(xué)內(nèi)容講解得非常好，而如果學(xué)生的吸收是有限的，那么這樣的教學(xué)就很難是成功的。事實(shí)上，課堂教學(xué)的主體是學(xué)生，學(xué)生是否學(xué)到理解并會用知識，才是教學(xué)是否有效，教學(xué)目標(biāo)是否達(dá)成的主要評價標(biāo)準(zhǔn)。這就要求老師，不能再采用灌輸知識的模式，要活化課堂，改變方法內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生興趣，讓學(xué)生主動探索?？戳撕芏啻卫蠋熡斡灸７拢约阂ニ镌囋嚿顪\。

講水的相圖時，超高壓力時，在實(shí)驗室制造出冰的結(jié)晶形式有八種形態(tài)，可以讓同學(xué)們借助模擬工具，按圖片里的空間構(gòu)型，畫出它們的立體結(jié)構(gòu)，對比每個學(xué)生做得不同，可以將結(jié)構(gòu)化學(xué)的知識進(jìn)行串聯(lián)應(yīng)用。這樣既激發(fā)了學(xué)生興趣，又把知識拓展延伸。

2.1 教學(xué)方法

物理化學(xué)是一門數(shù)學(xué)物理邏輯非常清晰的課程，因此在教學(xué)方法上應(yīng)該首先尊重這一學(xué)科特點(diǎn)。在實(shí)際教學(xué)過程中，既要活躍課堂氣氛，調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和積極性，又要保持教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)計劃的可控性。因此，我們所使用的主要方法仍然是講授法。對于有關(guān)物理化學(xué)概念、模型、公式、習(xí)題的講解，都主要采用講授法，也即教師講解、學(xué)生聽講的模式。限于這樣的模式，對授課老師調(diào)節(jié)課堂氣氛提出了很高的要求。

另一方面，為了促進(jìn)學(xué)生對教學(xué)內(nèi)容的學(xué)習(xí)，在講授的過程中，還要輔以師生交互法。比如，開始上課的時候，隨機(jī)提問學(xué)生上一次課的主要內(nèi)容，然后教師再予以補(bǔ)充。對于回答好的同學(xué)，進(jìn)行鼓勵；對于回答不好的同學(xué)，則提出委婉的批評。比如，在講到某個概念、模型或公式的時候，可以隨機(jī)提問學(xué)生這里面的某一點(diǎn)。比如，在講解例題的時候，要求學(xué)生自己先看3～5 min，自己試著做一下，然后隨機(jī)點(diǎn)名某個同學(xué)回答解題思路。在學(xué)生回答過程中，或者回答完后，教師再予以補(bǔ)充完善。

還有就是分組探索學(xué)習(xí)形式，提前讓大家收集材料，與本次課程相關(guān)的，最新技術(shù)應(yīng)用，以及它帶來的改變，和后期它可能的發(fā)展。這樣來調(diào)動學(xué)生積極性，參與度。

2.2 活化課堂氣氛

課堂氣氛的活化，方法有很多，可以借助動畫，視頻，新的多媒體手段來實(shí)行，但是這種手段使用次數(shù)多了，學(xué)生會疲軟?；蛘咭惶谜n大量使用同樣手段，導(dǎo)致無法傳輸正常知識，學(xué)生興趣點(diǎn)也沒有了。

物理化學(xué)作為一門經(jīng)典學(xué)科，它的學(xué)科特點(diǎn)就是要聯(lián)系實(shí)踐，聯(lián)系發(fā)展，進(jìn)而反過來推動學(xué)科發(fā)展。例如，當(dāng)我們講到熱力學(xué)第三定律時，介紹絕對零度這個概念。用純語言，文字來描述，很難讓學(xué)生感興趣，就像你在和從沒見過雪花的人說冬天的感覺一樣。而把宇宙最冷之地進(jìn)行介紹說明，同學(xué)們立馬表情就會大不一樣，當(dāng)你說“最近智利天文學(xué)家經(jīng)過漫長探索，發(fā)現(xiàn)了目前宇宙最冷地方，他們把這個宇宙目前最冷之地稱為“回力棒星云”。在這個地方，溫度為零下272 ℃，是目前所知道的，在自然界中是最寒冷的地方，也形象稱為“宇宙冰盒子”，這也是證明宇宙大爆炸理論眾多證據(jù)里，最顯著有效的一個”。他們會很好奇，這個溫度有多低，溫度還和宇宙大爆炸有關(guān)，會帶著興趣去思考，去學(xué)習(xí)。在學(xué)生注意力專注的時候，把熱力學(xué)知識有機(jī)進(jìn)行融入，拓展，并用新技術(shù)、高精尖產(chǎn)品來震撼學(xué)生心靈，對學(xué)術(shù)殿堂產(chǎn)生探索力。

在界面章節(jié)講解時，從生活實(shí)例出發(fā)，如池塘水面上的水黽，可以在水上自由行走而不落水，光滑的荷葉不會被雨滴打濕。然后詳細(xì)對實(shí)例進(jìn)行說明，水黽為何能毫不費(fèi)力地站在水面上，科研人員通過確定探索方法，來對其腿部微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察。當(dāng)用高倍電鏡進(jìn)行掃描時，發(fā)現(xiàn)了水黽能夠產(chǎn)生這種優(yōu)異特性的原因，水黽的腿部有著特殊的微納米結(jié)構(gòu)，它能結(jié)合其表面油脂產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)。微納米結(jié)構(gòu)可以有效形成大面積多孔道的氣囊，油脂表面剛好來保護(hù)氣囊，形成自帶的救生圈一樣效果，產(chǎn)生的浮力讓水黽何能毫不費(fèi)力地站在水面上。研究荷葉出淤泥而不染的特點(diǎn)發(fā)現(xiàn)，荷葉表面具一層超疏水性質(zhì)的膜，這種超疏水性質(zhì)的膜覆蓋在荷葉最外表面。它是由一層微米/納米復(fù)合結(jié)構(gòu)，結(jié)合其表面的植物蠟，形成的共同作用，達(dá)到不沾水的優(yōu)異效果?？梢栽诖嘶A(chǔ)上給同學(xué)們講解表面勢能，表面張力，接觸角等一系列知識點(diǎn)。言之有物，實(shí)例說明，更能讓學(xué)生學(xué)的快，用的好，也充滿了對知識渴望，而不是純粹追求期末考試，過關(guān)測試。

2.3 科學(xué)成果介紹

當(dāng)教室氣氛不活躍，同學(xué)興趣點(diǎn)不高時，可以通過和課堂內(nèi)容相關(guān)的科學(xué)成果，來帶領(lǐng)學(xué)生繼續(xù)前進(jìn)，相當(dāng)于正餐里的調(diào)味品。比如在介紹熱力學(xué)里的熱轉(zhuǎn)換時，可以問同學(xué)們，想不想在夏天里穿一件能自己降溫5 ℃的衣服，進(jìn)而達(dá)到?jīng)鏊^夏天的目的。同學(xué)們會好奇問，什么衣服這么神奇，我們就可以引入華中科技大學(xué)陶光明研究小組和浙江大學(xué)光電科學(xué)與工程學(xué)院馬耀光研究小組共同研發(fā)的超材料輻射制冷織物[5]。

首先介紹先進(jìn)的輻射制冷技術(shù)，就是使溫度較高的物體通過向外界輻射能量，從而降低自身溫度的方法。如果在真空環(huán)境，兩個物體互不接觸時，當(dāng)兩個溫度不同進(jìn)行熱交換，就可以通過這個方法來完成。宇宙空間里是一種超低溫度和接近真空的環(huán)境，所有航天器上的儀器，可以用輻射制冷來達(dá)到降溫的效果。

而在生活中，近年來，基于光學(xué)隨機(jī)結(jié)構(gòu)原理制備的材料的快速發(fā)展，通過選擇性光譜調(diào)控技術(shù)生產(chǎn)的的輻射制冷織物，在個人熱管理領(lǐng)域逐漸受到重視。

隨后，介紹在《科學(xué)》雜志上發(fā)表的題為“Hierarchical-morphology metafabric for scalable passive daytime radiative cooling”的研究論文。他們經(jīng)過多年研究發(fā)現(xiàn)并提出了，一種形態(tài)分級的，光學(xué)隨機(jī)結(jié)構(gòu)的超材料織物(Metafabric)，原理就是，將織物不同的空間結(jié)構(gòu)，纖維結(jié)構(gòu)以及其內(nèi)部微結(jié)構(gòu)進(jìn)行逐級分級，測試發(fā)現(xiàn)，不同的級次可以響應(yīng)不同波段的光，極大地優(yōu)化了光譜響應(yīng)的效率。與此同時，還可以避免各個波段光譜之間的串?dāng)_，基本上實(shí)現(xiàn)了，在0.3～25 μm波段范圍的光譜高效控制。該團(tuán)隊巧妙將批量纖維制備技術(shù)融合入光學(xué)超材料技術(shù)，把綠色環(huán)保，并且可生物降解的聚乳酸作為纖維原料，在特定波段控制光學(xué)新特性下，制備出均勻連續(xù)的大批量超材料纖維。再進(jìn)一步利用紡紗織造和層壓技術(shù)，合成的Metafabric在太陽光輻射波段(0.3～2.5 μm)可以達(dá)到92.4%反射率，而處于中紅外大氣窗口波段(8～13 μm)時，可以達(dá)到94.5%發(fā)射率，并且這種材料可以在全天實(shí)現(xiàn)，明顯低于環(huán)境溫度的日夜輻射制冷效果。實(shí)地測試，在正午時段進(jìn)行的模擬人體皮膚測試中發(fā)現(xiàn)(廣州，2020年11月28日)，和同色的商用織物(棉、氨綸、雪紡、麻)進(jìn)行平行對比，Metafabric覆蓋下的模擬皮膚溫度比它們低5～7 ℃。把人體皮膚測試換成汽車模型時，進(jìn)行同樣的實(shí)驗(廣州，2020年12月7日)，對比市售車罩可達(dá)到低27 ℃的效果，對比沒有織物覆蓋的汽車模型可達(dá)到降溫30 ℃的效果。Metafabric材料對暴露于陽光下，真實(shí)人體同樣也具有顯著的降溫結(jié)果(廣州，2020年12月7日)，對比于白色的棉織物，該材料可以對人體體表有效降溫超過4 ℃。

這個例子就可以把科學(xué)成果，熱交換，生活實(shí)例，融合一體，在給學(xué)生講解時，他們會對其中一個點(diǎn)，或者一個方向感興趣。這樣就先把氣氛活躍了，也把他們關(guān)注點(diǎn)抓過來了，然后再進(jìn)行其他內(nèi)容的融合，一節(jié)課差不多很成功的講解完成。這樣講解，課下學(xué)生還會主動找你討論，也會帶著問題去找資料，極大地激發(fā)了學(xué)習(xí)興趣。

3 教學(xué)效果

授課老師，大膽適時引入科學(xué)發(fā)現(xiàn)成果，具體產(chǎn)品，以及生活中實(shí)例，可以有效激發(fā)學(xué)生興趣，讓他們產(chǎn)生動力，去主動學(xué)習(xí)。達(dá)到既授人以魚又授人以漁，事半功倍的效果。在后期學(xué)生考研復(fù)習(xí)的過程中，他們會深刻記憶知識點(diǎn)，而去選擇這門學(xué)科，不是全新的去學(xué)習(xí)這門課。在我參與教學(xué)的結(jié)構(gòu)化學(xué)學(xué)科中，將全新科研軟件用于教學(xué)，可以對于學(xué)生理解分子和晶體的結(jié)構(gòu)、 理解分子的軌道分布、 培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)研究素養(yǎng)和創(chuàng)新意識，都是非常有幫助的[6]。

通過課堂引入科學(xué)發(fā)現(xiàn)，老師進(jìn)行講解，學(xué)生分組探索，并形成自己的思考、方案，把知識體系進(jìn)行構(gòu)建的同時，也讓同學(xué)們對科學(xué)知識有了認(rèn)識興趣，很好的培養(yǎng)了他們的科學(xué)素養(yǎng)。在階段性測試，期末考試中，可以改革考核方式，引入新的題型。就像學(xué)科奧林匹克競賽會引入科技成果，進(jìn)行探索，我們的測試，考試也可以進(jìn)行這樣嘗試。

通過大量的和學(xué)生互動，拉進(jìn)和學(xué)生距離，讓知識傳授，情感交流無障礙，也會很快速。這樣的效果，肯定要有一個比較大的提升，再結(jié)合各種問卷，匿名提議等方式，進(jìn)行邊走邊修改模式的探索。一切為了學(xué)生的量身打造，讓祖國的優(yōu)良人才，進(jìn)行自我升華，到達(dá)棟梁的地步，教師的任務(wù)也算是初步完成。

4 結(jié) 語

改變課堂氣氛才是課堂教學(xué)優(yōu)勢所在，活化課堂，激發(fā)學(xué)生興趣，可以讓優(yōu)勢加大，在傳統(tǒng)課堂的基礎(chǔ)上需要引入最新知識，產(chǎn)品。作為支撐點(diǎn)，讓學(xué)生感覺到實(shí)在有物，進(jìn)而可以腳踏實(shí)地大步前進(jìn)?；罨恼n堂氣氛，有效拉進(jìn)了教師與學(xué)生之間的距離，可以讓知識體系快速交流。將科學(xué)發(fā)現(xiàn)引入課堂，激發(fā)了學(xué)生興趣，也有效融入其他知識體系，形成交聯(lián)學(xué)習(xí)，層次有了快速提高。

在學(xué)生其它學(xué)科的學(xué)習(xí)中，也可以有效利用這種方法，后期學(xué)生研究生學(xué)習(xí)、科研深造，工作方面也能打下基礎(chǔ)?？茖W(xué)發(fā)現(xiàn)的引入，厚植培養(yǎng)他們的科學(xué)精神，為我國高新科技發(fā)展儲備了人才，形成良性循環(huán)。