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(guò)對(duì)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(diǎn)和方法來(lái)解釋化學(xué)現(xiàn)象、解決化學(xué)問(wèn)題的能力。相較于無(wú)機(jī)化學(xué)、有機(jī)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(duì)于系統(tǒng)知識(shí)的獲取，也對(duì)學(xué)生在日常生活中認(rèn)識(shí)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(guò)程中需要將知識(shí)點(diǎn)與生產(chǎn)生活、科學(xué)研究緊密聯(lián)系起來(lái)，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、提出問(wèn)題，并嘗試從物理化學(xué)的角度解決問(wèn)題，才能更好的幫助學(xué)生完成理論知識(shí)的積累和思維能力的提升。

PBL(Problem based-learning，PBL)是一種“以問(wèn)題為核心，以學(xué)生為主體”的教學(xué)模式，教師在知識(shí)點(diǎn)學(xué)習(xí)之前引入實(shí)際問(wèn)題，學(xué)生以此問(wèn)題為驅(qū)動(dòng)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(shí)解決問(wèn)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(shí)際問(wèn)題為驅(qū)動(dòng)，將知識(shí)點(diǎn)的理論學(xué)習(xí)和應(yīng)用實(shí)踐相結(jié)合，破除學(xué)生認(rèn)為的物理化學(xué)難且無(wú)用的誤解，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)思考、自主解決問(wèn)題的能力。

本文以高等教育出版社《物理化學(xué)》下冊(cè)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(wèn)題進(jìn)行教學(xué)實(shí)例分析，對(duì)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(gè)知識(shí)點(diǎn)，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(shí)是學(xué)生順利理解教師將要?jiǎng)?chuàng)設(shè)的情境和問(wèn)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(wèn)題，而在科學(xué)研究中的應(yīng)用，由于學(xué)生對(duì)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(wèn)題驅(qū)動(dòng)的表面活性劑PBL教學(xué)實(shí)例

1.1 問(wèn)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(huì)使用的洗發(fā)水入手，在課前引入一系列相關(guān)問(wèn)題供學(xué)生討論學(xué)習(xí)。具體問(wèn)題設(shè)計(jì)如下：引入“每個(gè)同學(xué)使用的洗發(fā)水中有哪些成分是表面活性劑”、“每個(gè)小組(四個(gè)同學(xué))洗發(fā)水中共同含有的表面活性劑有哪些”，這兩個(gè)問(wèn)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(chǎng)上存在一些無(wú)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(jī)理。

1.2 問(wèn)題解決

引入問(wèn)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(guò)小組討論使思路清晰。表面活性劑的指認(rèn)、分類比較簡(jiǎn)單，學(xué)生自主學(xué)習(xí)效果較好(見(jiàn)表1)。學(xué)生們通過(guò)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(wú)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(duì)于有無(wú)“硅油”問(wèn)題興趣較高，此題為開(kāi)放性問(wèn)題，老師可做適當(dāng)引導(dǎo)?！肮栌汀笨梢郧鍧嵑竺甑念^發(fā)變的潤(rùn)滑，但易殘留成膜而阻塞毛孔。但無(wú)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(wú)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(wèn)題反饋

將生產(chǎn)生活的實(shí)際問(wèn)題融匯到教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生可以更好的接收問(wèn)題并主動(dòng)求解，樹(shù)立了他們認(rèn)識(shí)自然、學(xué)以致用的意識(shí)。整個(gè)教學(xué)過(guò)程中學(xué)生興趣濃厚，參與度較高，問(wèn)題完成情況較好。

2 基于科學(xué)研究中問(wèn)題驅(qū)動(dòng)的表面活性劑PBL教學(xué)實(shí)例

1.1 情境創(chuàng)設(shè)

高?；瘜W(xué)教學(xué)倡導(dǎo)科研對(duì)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(kāi)放和科研素養(yǎng)的培養(yǎng)。我們選取了表面活性劑在熱點(diǎn)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(guò)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(shí)，納米金催化劑會(huì)對(duì)CO氧化等反應(yīng)表現(xiàn)出較強(qiáng)的催化活性[7]。納米尺寸的金顆粒容易聚集長(zhǎng)大，當(dāng)金顆粒長(zhǎng)大至10nm以上，會(huì)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(guò)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(guò)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(wèn)題引入

創(chuàng)設(shè)情境后層層遞進(jìn)提出幾個(gè)科研問(wèn)題，第一個(gè)問(wèn)題是“通過(guò)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(guò)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(qiáng)調(diào)PVA在金顆粒的分散性上起的作用；第二個(gè)問(wèn)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(shí)點(diǎn)。

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(wèn)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(guò)程，表面活性劑PVA起到了阻止金顆粒長(zhǎng)大、形成均勻分散的金溶膠的保護(hù)作用。這是因?yàn)闆](méi)有PVA時(shí)，金膠體粒子表面覆蓋羥基，通過(guò)氫鍵的連接會(huì)使粒子聚集長(zhǎng)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(zhǎng)大聚集。表面活性劑在溶液內(nèi)部形成膠束知識(shí)點(diǎn)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(huì)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(guò)程中，表面活性劑PVA會(huì)在溶液內(nèi)形成包裹金顆粒的膠束(如圖1B所示)。

1.4 問(wèn)題反饋

將科學(xué)研究中的實(shí)際問(wèn)題融匯到教學(xué)過(guò)程中，需要學(xué)生有敏銳的信息有效獲取和知識(shí)遷移應(yīng)用的能力，學(xué)生反映對(duì)于他們今后開(kāi)展創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)、畢業(yè)論文以及將來(lái)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(shí)點(diǎn)時(shí)回顧科學(xué)問(wèn)題的解決過(guò)程，增加他們對(duì)知識(shí)的理解。