肖鐵軍，周 勻

(貴州師范學(xué)院 貴州省納米材料模擬與計(jì)算重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽 550018)

《物理化學(xué)》是高等學(xué)?；瘜W(xué)以及生物等相關(guān)專業(yè)的必修專業(yè)基礎(chǔ)課程，涵蓋物質(zhì)化學(xué)行為的原理、規(guī)律和方法[1]。物理化學(xué)學(xué)科使用物理學(xué)的理論和實(shí)驗(yàn)方法來研究化學(xué)變化的本質(zhì)和規(guī)律，內(nèi)容包含化學(xué)熱力學(xué)、化學(xué)動力學(xué)，以及結(jié)構(gòu)化學(xué)及量子化學(xué)等方面。 由于《物理化學(xué)》包含大量的抽象概念、定律，以及公式，學(xué)生自主學(xué)習(xí)難度大，學(xué)習(xí)動力不足，學(xué)習(xí)效果也不太理想。

隨著高校“新課改”的推進(jìn)，本科生實(shí)踐課程數(shù)量不斷增加，包括《物理化學(xué)》在內(nèi)的基礎(chǔ)理論課程的課時(shí)則不斷被削減[2-3]。在課時(shí)壓縮的大環(huán)境下，僅僅使用板書教學(xué)，難以按時(shí)完成大綱規(guī)定的內(nèi)容，這就需要引入其他方法來輔助《物理化學(xué)》的課程教學(xué)。多媒體技術(shù)有著結(jié)合文字、圖像、動畫、音頻和視頻等內(nèi)容的優(yōu)勢，在教育和科研領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。多媒體課件能將抽象的文字用圖片、動畫或者短視頻等方式來展示，包含的信息量大且易于復(fù)制、修改以及儲存。使用多媒體課件輔助教學(xué)，既增加了知識點(diǎn)的趣味性，對于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣有顯著的作用，也可以節(jié)約老師的講授時(shí)間，從而對《物理化學(xué)》課程教學(xué)起到良好的促進(jìn)作用[4-6]?；谶@些思考，為總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，提高教學(xué)效果，我們對于《物理化學(xué)》課程教學(xué)中多媒體技術(shù)的應(yīng)用做了一些探索。

1 合理利用多媒體技術(shù)，加深學(xué)生對教材知識點(diǎn)的理解

1.1 多媒體在緒論部分的應(yīng)用

緒論部分是打下學(xué)習(xí)基調(diào)。為了提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，我們首先向?qū)W生介紹《物理化學(xué)》(包括化學(xué)物理)是一門基礎(chǔ)交叉學(xué)科，對于我國的國防事業(yè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展發(fā)展起到了很重要的作用。中國科技大學(xué)的化學(xué)物理系就是按照“兩彈一星”要求設(shè)置的。其中，“兩彈一星”元勛錢學(xué)森和郭永懷兩位教授還是化學(xué)物理系的創(chuàng)始人。中科院大連化物所聚焦于能源催化等領(lǐng)域的物理化學(xué)問題，科學(xué)家通過長期的科研攻關(guān)，取得了眾多重要的研究進(jìn)展。其中，甲醇制取低碳烯烴技術(shù)以及液態(tài)太陽燃料合成技術(shù)分別獲得國家技術(shù)發(fā)明一等獎以及中國可再生能源學(xué)會技術(shù)發(fā)明獎一等獎，對于我國推進(jìn)綠色可持續(xù)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)“碳中和”路線圖都有著重要的意義。把這些知識點(diǎn)用圖片和視頻的方式做成緒論部分的課件，不僅讓學(xué)生對于這門學(xué)科的重要性有了直觀的認(rèn)識，也讓學(xué)生對于我國科學(xué)家勇于進(jìn)取和科技報(bào)國的精神產(chǎn)生深深的敬佩。

1.2 多媒體在公式講授方面的應(yīng)用

對于課程中包含復(fù)雜表達(dá)式的知識點(diǎn)，我們用文字加圖片的方式加深學(xué)生對于公式的理解。在氣體章節(jié)，分子運(yùn)動的速率分布、分子平動能的分布、氣體分子在重力場中的分布、分子的碰撞頻率和平均自由程等知識點(diǎn)都使用數(shù)學(xué)公式來作定量描述。當(dāng)變量較多的時(shí)候，復(fù)雜公式包含的物理圖像并不直觀，這個(gè)時(shí)候可以借助于公式的可視化。以分子速率分布函數(shù)為例，我們將常見的氧氣、氯氣、氦氣、水、二氧化碳等簡單分子的速率分布曲線用Origin軟件做成彩圖，就可以很直觀地看出速率的均值以及方差等性質(zhì)隨著溫度升高而增大，隨著分子的摩爾質(zhì)量增大而減小。在熱力學(xué)定律對應(yīng)的章節(jié)，考察理想氣體在絕熱可逆過程中的熱力學(xué)，壓強(qiáng)P、體積V以及溫度T三者遵循絕熱可逆過程方程式。通過將公式可視化作圖，膨脹功的性質(zhì)在P-V-T三維彩圖上可以看得很清楚。此外，書本上的圖片都是二維黑白圖片，與之相比使用科學(xué)繪圖軟件做出的彩色圖片可以揭示更多的細(xì)節(jié)，也更加能吸引學(xué)生的注意力。

1.3 多媒體在微觀機(jī)制講授方面的應(yīng)用

對于一些涉及微觀細(xì)節(jié)的物理化學(xué)過程，我們使用flash動畫的方式來直觀展示相應(yīng)知識點(diǎn)。對分子的碰撞頻率以及平均自由程，我們結(jié)合計(jì)算機(jī)模擬(通常采用分子動力學(xué)模擬軟件)來進(jìn)行演示。分子動力學(xué)模擬的盒子中包含大量分子，這些分子的位置和速度的演化遵循牛頓運(yùn)動定律，這些位置以及速度又可以用來計(jì)算分子的擴(kuò)散系數(shù)以及平均自由程等信息。計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果可以做成一個(gè)三維動畫，從而直觀地展示分子位置的變化。通過這些輔助手段，學(xué)生對于氣體的性質(zhì)有了更加直觀的認(rèn)識和感受，增強(qiáng)了學(xué)習(xí)的興趣。對于兩相平衡的知識點(diǎn)講授，多媒體技術(shù)也可以提供很好的輔助。我們從專業(yè)網(wǎng)站上下載了氣液兩相平衡時(shí)的分子運(yùn)動的flash動畫，可以很形象地演示分子在氣液兩相界面附近來回移動最終達(dá)到動態(tài)平衡。通過動畫演示，學(xué)生對于相平衡的概念有了更深入的認(rèn)識：雖然兩個(gè)相的宏觀性質(zhì)保持不變，但是微觀上兩相之間還會發(fā)生物質(zhì)交換。

多媒體實(shí)驗(yàn)視頻也可以幫助《物理化學(xué)》課程教學(xué)。由于課時(shí)的制約，一些實(shí)驗(yàn)內(nèi)容無法在課堂上直接演示，此時(shí)事先錄制好的實(shí)驗(yàn)視頻就可以起到很好的補(bǔ)充作用。比如，在介紹耗散結(jié)構(gòu)和自組織現(xiàn)象的內(nèi)容時(shí)，教師可以在網(wǎng)絡(luò)上下載Belousov-Zhabotinski(BZ)化學(xué)振蕩反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)視頻制作多媒體課件。

1.4 多媒體在課程復(fù)習(xí)方面的應(yīng)用

在《物理化學(xué)》課程的教學(xué)中，通常以章作為單元來進(jìn)行講授。由于每章的內(nèi)容相對獨(dú)立，在復(fù)習(xí)時(shí)需要基于一定的邏輯將不同章節(jié)的知識點(diǎn)融合形成一個(gè)知識網(wǎng)絡(luò)。復(fù)習(xí)的過程可以從如下幾點(diǎn)出發(fā)：一是梳理不同章節(jié)之間的聯(lián)系。比如，熱力學(xué)作為一個(gè)普適的基礎(chǔ)理論，在眾多體系(比如相平衡、化學(xué)平衡、溶液、電化學(xué)以及表面化學(xué))中都有應(yīng)用，這些體系的聯(lián)系和區(qū)別是什么。二是理解章節(jié)內(nèi)部的聯(lián)系。比如，關(guān)于化學(xué)勢，理想氣體和非理想氣體之間有什么聯(lián)系，理想溶液和非理想溶液之間有什么聯(lián)系，單組分體系的相圖和兩組分體系的相圖有何種聯(lián)系。以這樣的方式，就可以梳理每一個(gè)章節(jié)在物理化學(xué)知識體系中所處的位置，內(nèi)在的邏輯就顯現(xiàn)出來，從而可較好地把物理化學(xué)的知識構(gòu)成一張網(wǎng)。這個(gè)網(wǎng)狀的知識結(jié)構(gòu)可以很方便地在幻燈片上以圖的方式表示出來，再通過在關(guān)鍵詞上設(shè)置超鏈接，很容易實(shí)現(xiàn)不同章節(jié)知識點(diǎn)之間的關(guān)聯(lián)與切換，從而方便學(xué)生的總結(jié)與復(fù)習(xí)。

2 科研反哺教學(xué)，利用多媒體技術(shù)講授物理化學(xué)前沿新進(jìn)展

除了大綱中指定的基本知識點(diǎn)，物理化學(xué)的前沿進(jìn)展也是教材的重要組成部分。這些前沿知識對于擴(kuò)大學(xué)生的知識面、提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣都有不可或缺的作用。為了保證內(nèi)容的穩(wěn)定性，《物理化學(xué)》教科書往往側(cè)重于傳授經(jīng)典內(nèi)容，提供的參考資料也不能及時(shí)反映物理化學(xué)領(lǐng)域日新月異的前沿研究進(jìn)展。在當(dāng)今雙一流建設(shè)的背景下，科研反哺教學(xué)已經(jīng)成了教學(xué)改革的有機(jī)組成。為了更好地講授《物理化學(xué)》課程，就需要教師結(jié)合自身的科研工作收集前沿進(jìn)展的案例，做成多媒體課件以充實(shí)和豐富教學(xué)內(nèi)容。

結(jié)合自身的科研方向與研究興趣，我們增加了一些研究進(jìn)展的案例講述。其一是受限溶液體系的研究。即使溶液處于平衡態(tài)，當(dāng)溶液處于納米受限狀態(tài)時(shí)，邊界和溶液的相互作用導(dǎo)致界面附近的溶液出現(xiàn)一些有趣的有限尺寸現(xiàn)象。比如，當(dāng)水流過納米孔隙時(shí)，水流速度在某些尺寸的孔隙中會出現(xiàn)極大，從而在海水淡化領(lǐng)域有著潛在的應(yīng)用價(jià)值。其二是非平衡介觀體系(典型空間尺度是納米量級)的研究。隨著納米科學(xué)以及生命科學(xué)的發(fā)展，細(xì)胞尺度的生物化學(xué)體系和納米催化體系已經(jīng)成為物理化學(xué)研究的前沿?zé)狳c(diǎn)體系。研究人員在非線性納米體系直接觀測到許多有趣的自組織現(xiàn)象，如多重定態(tài)、化學(xué)振蕩、化學(xué)混沌、隨機(jī)共振、相干共振等。這些體系處于非平衡狀態(tài)，噪聲或者漲落的作用也已經(jīng)處于不可忽略的程度，此時(shí)經(jīng)典的平衡態(tài)熱力學(xué)理論對這些體系已經(jīng)無能為力。學(xué)者們發(fā)展了一套介觀理論方法，包括基于隨機(jī)偏微分方程的介觀動力學(xué)理論以及基于反應(yīng)的軌跡線構(gòu)建的隨機(jī)熱力學(xué)理論，從動力學(xué)和熱力學(xué)兩個(gè)方面對于介觀體系的性質(zhì)給出了描述。其三是信息熱力學(xué)的發(fā)展。研究人員發(fā)現(xiàn)，量子熱機(jī)和經(jīng)典熱機(jī)有相似的性質(zhì)，它們的熱機(jī)效率都受到卡諾效率的制約。這也說明了熱力學(xué)定律的普適性，不管構(gòu)成體系的物質(zhì)由經(jīng)典力學(xué)描述還是量子力學(xué)描述，它們都可以由熱力學(xué)基本原理來給出描述。

這些知識擴(kuò)展了經(jīng)典《物理化學(xué)》教科書的內(nèi)容，做成相應(yīng)的多媒體課件之后，學(xué)生聽了都很感興趣，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。值得指出的是，由于研究方向的差異，不同的老師收集的研究前沿案例也會有所不同。如果想讓學(xué)生了解更全面的物理化學(xué)前沿知識，除了擴(kuò)大自己的文獻(xiàn)閱讀面，也可以選擇和其他老師相互交流，以增加自己在這些方面的知識儲備。

3 應(yīng)用多媒體技術(shù)的一些反思

多媒體技術(shù)為《物理化學(xué)》課程教學(xué)帶來了便利，減輕了教師的教學(xué)壓力，但是使用不當(dāng)?shù)臅r(shí)候也可能帶來教學(xué)效果下降的副作用[7-8]。由于多媒體課件容易通過網(wǎng)絡(luò)傳播，有少數(shù)老師直接使用其他老師制作的課件，上課時(shí)只是機(jī)械式點(diǎn)擊幻燈片進(jìn)行說課。老師和學(xué)生的互動不足，學(xué)生感受不到老師上課的熱情與溫度，也抓不住學(xué)習(xí)的要點(diǎn)，這也導(dǎo)致學(xué)生注意力分散，降低了對課程的學(xué)習(xí)興趣。此外，由于《物理化學(xué)》課程中包含眾多的公式、定律、理想假設(shè)，以及推導(dǎo)過程，學(xué)生如果沒有認(rèn)真預(yù)習(xí)，往往跟不上老師的節(jié)奏和思路，對于公式的來源以及適用范圍產(chǎn)生理解困難。如果老師上課經(jīng)驗(yàn)不足，多媒體課件展示和停留的時(shí)間不充分，也會給學(xué)生記筆記帶來困難。針對這些問題，我們建議教師在深入理解大綱的前提下認(rèn)真制作多媒體課件，保證課件的邏輯一致性。老師講課時(shí)也要張弛有度，較難的知識點(diǎn)(比如公式的推導(dǎo))可以采用傳統(tǒng)板書方式。板書容易吸引學(xué)生的注意力，書寫過程還包含了老師的思考過程，也讓學(xué)生有更加充分的時(shí)間來思考和吸收知識點(diǎn)。在一些不需要板書的地方，老師也可以適當(dāng)慢下來，提出一些問題和學(xué)生互動。比如，讓學(xué)生思考知識點(diǎn)在身邊的哪些領(lǐng)域有應(yīng)用，對于自己的生活有什么影響。在這個(gè)意義上，我們需要的是多媒體和傳統(tǒng)板書的有機(jī)結(jié)合，而不是簡單地用多媒體替代板書，只有這樣才能更有效地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。

此外，在應(yīng)用多媒體輔助《物理化學(xué)》課程教學(xué)的過程中，設(shè)計(jì)合適的多媒體課件對于教師的個(gè)人能力也提出了挑戰(zhàn)。多媒體技術(shù)的引進(jìn)，將老師授課環(huán)節(jié)的臨場板書和畫圖時(shí)間轉(zhuǎn)移到了課件制作階段，從而節(jié)約一部分講授時(shí)間。但課件不能停留在簡單講授大綱要求的知識點(diǎn)。如果只是把課本章節(jié)的大段文字、公式和圖表復(fù)制到幻燈片上，學(xué)生會覺得老師沒認(rèn)真?zhèn)湔n，聽老師講課還不如自己看書?！段锢砘瘜W(xué)》課件的制作需要考慮大量公式和圖表的展示，最簡單的辦法是將書上的公式和圖表以照片的方式拍下來，再復(fù)制到PPT中，但是效果一般不太理想。教師需要權(quán)衡各個(gè)知識點(diǎn)的重要性與難易程度，再對一些重要的公式以及圖表進(jìn)行重制，就要求教師掌握諸如Mathtype、Latex或Origin等專業(yè)軟件的使用。此外，多媒體課件還涉及flash動畫制作或視頻剪輯等過程。因此，為了講好《物理化學(xué)》這門課程，高校教師還需要不斷提高自己在計(jì)算機(jī)操作和專業(yè)軟件操作等方面的能力。

4 結(jié)束語

總的說來，《物理化學(xué)》是一門理論性很強(qiáng)的交叉學(xué)科。物理化學(xué)基于物理學(xué)的方法和理論來研究化學(xué)體系以及化學(xué)問題，其中涉及對大量抽象概念、公式和定理的學(xué)習(xí)和運(yùn)用。在“新課改”壓縮課時(shí)的大趨勢下，《物理化學(xué)》課程的講授具有很大的挑戰(zhàn)性。在《物理化學(xué)》課程教學(xué)中采用多媒體技術(shù)，可將抽象知識直觀化，一方面使得學(xué)生學(xué)習(xí)興趣更大，另一方面也可節(jié)約板書時(shí)間從而提高教師講課的效率。總的說來，合理利用多媒體技術(shù)作為輔助手段，對《物理化學(xué)》課程的教學(xué)可以起到很好的促進(jìn)作用。