淺談原型啟發(fā)在應(yīng)用型本科物理化學(xué)教學(xué)中的運(yùn)用

劉 建, 高玉梅, 呂名秀, 趙龍濤

教學(xué)有法, 但無定法。 無論國內(nèi)國外的教學(xué)怎樣改革, 因材施教, 因人而異都是離不開的總原則。 探索教學(xué)方法的目的都是為了使學(xué)生“邁入未知知識(shí)的門檻”, 都是為了讓學(xué)生學(xué)會(huì)從“知之甚少” 到“主動(dòng)探索” 的方法。 目前被廣泛采用的各種教學(xué)方法, 各有利弊, 教師必須從實(shí)際情況出發(fā), 根據(jù)所教課程的特點(diǎn)、 學(xué)生的知識(shí)基礎(chǔ), 以及學(xué)生的專業(yè)培養(yǎng)的目標(biāo), 選擇合適的教學(xué)方法進(jìn)行教學(xué)。 本文就原型啟發(fā)教學(xué)方法在物理化學(xué)部分章節(jié)的教學(xué)過程的應(yīng)用進(jìn)行探討。

1 物理化學(xué)課程的特征

物理化學(xué)是用物理學(xué)的理論和實(shí)驗(yàn)方法, 研究化學(xué)變化及其伴隨的物理變化的本質(zhì)與規(guī)律的科學(xué)。 物理化學(xué)的研究方法主要采用熱力學(xué)的研究方法、 動(dòng)力學(xué)的研究方法、 量子力學(xué)的研究方法。 物理化學(xué)課程的主要特征是理論性強(qiáng)、 抽象、 邏輯性強(qiáng)、 知識(shí)點(diǎn)寬。 可以說物理化學(xué)是化學(xué)化工專業(yè)及非化工專業(yè)基礎(chǔ)化學(xué)學(xué)科的“總論”。 目前流通的物理化學(xué)本科教材一般分十章, 即氣體、 熱力學(xué)第一定律、 熱力學(xué)第二定律、 多組分系統(tǒng)熱力學(xué)、 化學(xué)平衡、 相平衡、 化學(xué)動(dòng)力學(xué)、 電化學(xué)、 表面化學(xué)及膠體分散系統(tǒng)[1]。 由于應(yīng)用型本科的教育教學(xué)主要面向應(yīng)用和生產(chǎn)實(shí)際, 理論學(xué)習(xí)課時(shí)少, 所以主要以經(jīng)典熱力學(xué)方法及宏觀動(dòng)力學(xué)研究方法為導(dǎo)向進(jìn)行教學(xué)工作。 教師在全面掌握、 仔細(xì)研讀教材的前提下, 根據(jù)專業(yè)需要, 合理取舍每章節(jié)的內(nèi)容, 選擇適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)方法, 有的放矢的進(jìn)行教學(xué), 將會(huì)收到意想不到的效果。 一般建議學(xué)生采用課前預(yù)習(xí)、 聽講、 課后復(fù)習(xí)、 做作業(yè)“四位一體” 的模式進(jìn)行學(xué)習(xí)。 但是, 由于種種原因, 目前的在校學(xué)生, 特別是應(yīng)用型本科院校的學(xué)生, 學(xué)習(xí)理論知識(shí)的熱情不高, 大多停留在“知其然, 而不知其所以然” 的階段。 “抽象、 枯燥、 難懂” 是很多學(xué)生對(duì)物理化學(xué)的初步認(rèn)識(shí), 要求學(xué)生學(xué)會(huì)用物理化學(xué)的基本原理、 觀點(diǎn)、 方法觀察生活, 分析問題、 解決問題就成了“空談”。 面對(duì)抽象又有嚴(yán)密的邏輯性的物理化學(xué)基本理論, 采取原型啟發(fā)、 類比等方法, 緊密聯(lián)系生活、 生產(chǎn)實(shí)際, 并結(jié)合驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn), 由淺入深, 將理論聯(lián)系實(shí)際, 逐步完成“理論-實(shí)踐-再理論-再實(shí)踐” 的學(xué)習(xí)目的。

2 原型啟發(fā)的原理和形式

原型啟發(fā)是一個(gè)心理學(xué)的概念, 意思是指根據(jù)事物的本質(zhì)特征而產(chǎn)生新的設(shè)想和創(chuàng)意。 其實(shí)質(zhì)是一種創(chuàng)新思維方法, 這正是應(yīng)型本科教學(xué)所提倡的培養(yǎng)應(yīng)用型人才必須具備的能力目標(biāo)之一。 一般來說, 在生活中人們所接觸的每件事物的屬性和特征在頭腦中都可以形成“原型”。 在問題解決過程中, 問題解決者在“原型” 中獲得一些原理的啟發(fā), 使其結(jié)合當(dāng)前問題的有關(guān)知識(shí), 形成解決方案, 從而創(chuàng)造性的解決問題[2]。 將原型啟發(fā)理論應(yīng)用于教學(xué), 特別是應(yīng)用型本科物理化學(xué)的教學(xué),有助于學(xué)生對(duì)抽象理論的理解, 有助于學(xué)生更清楚的認(rèn)識(shí)創(chuàng)造性的思維形成過程, 為創(chuàng)造性思維的培養(yǎng)提供依據(jù)。 當(dāng)我們進(jìn)行創(chuàng)造想象時(shí), 往往會(huì)從其他事物中得到啟發(fā), 從而找到解決問題的方法和途徑。 最著名的原型啟發(fā)示例就是魯班爬山時(shí)不小心被一種絲茅草割破手而受啟發(fā)發(fā)明木工鋸的歷史典故。 還有, 瓦特看到開水壺的蓋子上下起伏, 發(fā)明蒸汽機(jī)。 1895 年法國米盧埃爾兄弟受到縫紉機(jī)的啟發(fā), 發(fā)明了活動(dòng)電影機(jī), 1895年12 月28 日已經(jīng)成為了世界上公認(rèn)的電影誕生日。 從誕生至今, 在一百多年發(fā)展歷程中, 電影技術(shù)和美學(xué)雖然有了巨大的飛躍和突破, 但其活動(dòng)影像的本質(zhì)卻一直沒有改變。 我們把這種具有啟發(fā)作用的事物(絲茅草、 開水壺的蓋子、 縫紉機(jī))稱作“原型”。 原型之所以具有啟發(fā)作用, 主要是因?yàn)樵撌挛锉旧淼膶傩院吞攸c(diǎn)與所創(chuàng)造的東西有相似之處, 所以平時(shí)處處留心皆學(xué)問, 他山之石, 可以攻玉。 原型啟發(fā)有兩種形式: 一是靈感, 二是類比。 這種思維方法的訓(xùn)練, 要求人們平時(shí)善于并細(xì)心觀察周圍發(fā)生的一切, 從某種事物的性能或某一動(dòng)物的特征, 得到創(chuàng)造性的啟發(fā), 從而解決實(shí)際問題。 在物理化學(xué)教學(xué)中主要運(yùn)用原型啟發(fā)和原型類比的方法幫助學(xué)生學(xué)習(xí)理解抽象的理論和自然規(guī)律, 探尋解決問題的方法。

3 教學(xué)中, 靈活運(yùn)用原型啟發(fā)、 原型類比教學(xué)方法, 培養(yǎng)創(chuàng)造性思維

3.1 設(shè)定原型情景, 領(lǐng)悟物理化學(xué)內(nèi)在的規(guī)律

應(yīng)用型本科教育是一種新的教育類型。 這種教育類型將培養(yǎng)出適合社會(huì)需要的應(yīng)用型人才。 在教育過程中堅(jiān)持“四個(gè)突出”, 即突出基礎(chǔ)、 突出特色、 突出應(yīng)用、 突出技術(shù)。 這“四個(gè)突出” 既各具特色, 又相互關(guān)聯(lián)[3]。 要實(shí)現(xiàn)應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo), 就必須從“打好基礎(chǔ)” 入手[4]。 隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展,教學(xué)手段不斷更新, 從單純的粉筆黑板, 到現(xiàn)在的PPT、 微課、 慕課、 線上線下混合教學(xué)等等, 仿佛使學(xué)生進(jìn)入了“隨處能學(xué)” 的境地。 但是, 教與學(xué)的對(duì)立面是一個(gè)永恒的課題。 教學(xué)手段的先進(jìn), 并不代表在校學(xué)生學(xué)習(xí)物理化學(xué)理論難度的降低, 反而增加了的學(xué)生學(xué)習(xí)的難度。 原因是微課、 慕課的錄制與播放, 主要基于教師本人自己的“主觀判斷”, 錄課的過程中, 師生是“分離” 的, 師生之間沒有面對(duì)面的眼神交流、 神情互動(dòng)。 教師對(duì)深?yuàn)W理論的闡述, 如果沒有適當(dāng)?shù)摹霸颓榫啊?設(shè)定, 就理論而理論, 師生之間就成了“演員與觀眾” 的關(guān)系, 老師所講的內(nèi)容, 在學(xué)生這邊很容易成為“眼過流云”,學(xué)生對(duì)該深入理解、 必須掌握的課程內(nèi)容, 很難產(chǎn)生心理的“同頻共振”, 很難達(dá)到完全理解, 更談不上完全掌握的目的,“視而不見聽而不聞” 的現(xiàn)象比比皆是。 2020 年疫情過后, 在對(duì)九十多名19 級(jí)化工班的學(xué)生調(diào)查中反應(yīng)最突出的問題是:單純線上理論課, 感覺僅僅是“聽過、 看過、 有印象”。 學(xué)生所說的“有印象” 的內(nèi)容, 幾乎都是有“原型啟發(fā)或類比的章節(jié)內(nèi)容”。 由此可知, 原型啟發(fā)或類比在引導(dǎo)學(xué)生探索物理化學(xué)知識(shí), 理解掌握抽象理論, 培養(yǎng)創(chuàng)造性思維, 解決實(shí)際問題起著重要的作用。

例1 講授熱力學(xué)基本定律時(shí), 立足于“深者淺出, 淺者深入” 的原則, 結(jié)合生活實(shí)際提出問題, 比如: 講授熱力學(xué)第一定律時(shí), 根據(jù)學(xué)生已有的“能量守恒與轉(zhuǎn)化” 的知識(shí), 提出“要想讓馬兒跑, 必須讓馬兒吃草”。 炎熱的夏天人容易出現(xiàn)“中暑” 現(xiàn)象。 布置“能量守恒與轉(zhuǎn)化的生活實(shí)例3 ～5 個(gè)” 的作業(yè), 鼓勵(lì)學(xué)生有目的觀察生活、 發(fā)現(xiàn)并解釋平時(shí)“視而不見聽而不聞” 的能量守恒與轉(zhuǎn)化的生活實(shí)例。 當(dāng)學(xué)生真正理解“能量既不能創(chuàng)生, 也不能自滅。 但不同形式的能量在一定條件下可以相互轉(zhuǎn)化” 時(shí), 對(duì)有關(guān)熱力學(xué)第一定律應(yīng)用就有較全面的理解掌握。 講授熱力學(xué)第二定律時(shí), 提供水力發(fā)電、 風(fēng)力發(fā)電、 火力發(fā)電、 地?zé)岚l(fā)電等圖片, 鐵生銹、 自由落體運(yùn)動(dòng)、熱由高溫物體傳入低溫物體等等, 幫助學(xué)生理解“自發(fā)過程及特點(diǎn)”。 即自發(fā)過程在一定條件下不需外界做功, 一經(jīng)引發(fā)就能自動(dòng)進(jìn)行的過程(水往低處流、 溫差形成風(fēng)、 煤燃燒放熱)。在適當(dāng)?shù)臈l件下, 自發(fā)過程具有對(duì)外作非體積功的能力(發(fā)電)。 體會(huì)自發(fā)過程具有普遍性, 在一定條件下, 一切自發(fā)過程不可逆。 反問: 在沒有外力的情況下, 誰見過落葉重返樹梢? 鐵銹自動(dòng)還原成鐵? 體會(huì)任何自發(fā)過程, 有一定的方向(向能量分散的方向進(jìn)行)和限度, 最終達(dá)到平衡。 (一般向混亂度增大的方向進(jìn)行)。 自然而然引入熱力學(xué)第二定律的經(jīng)典表述及數(shù)學(xué)表達(dá)式。

例2 講授高分子化合物對(duì)溶膠穩(wěn)定性的影響時(shí), “敏化作用”、 “保護(hù)作用” 的原型啟發(fā): 水中麻繩(憎液溶膠中加入少量的高分子化合物明膠, 膠粒粘附在明膠上而聚沉)—— “敏化作用”; 救生衣(憎液溶膠中加入大量高分子化合物明膠, 大分子明膠吸附在憎液溶膠膠粒的周圍, 使膠粒不能直接接觸,可以保護(hù)溶膠不被聚沉)—— “保護(hù)作用”[1]。 并在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)證。

圖1 高分子化合物對(duì)憎液溶膠敏化和保護(hù)作用Fig.1 Sensitization and protection of polymer compounds to hydrophobic sol

在此基礎(chǔ)上, 學(xué)生很容易就能理解齊格蒙弟提出的金值含義, 即為了保護(hù)10 cm3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.00006 的金溶膠, 在加入1 cm3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1 的NaCl 后, 在18 h 內(nèi)不聚沉, 所需高 分子的最少質(zhì)量稱為金值, 一般用mg 表示。 金值越小的高分子物質(zhì), 說明它對(duì)溶膠的保護(hù)能力越強(qiáng)。

3.2 利用原型啟發(fā)或類比, 培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維能力、 解決實(shí)際問題的能力

通過上述教學(xué)例子說明, 教師通過原型啟發(fā)或類比幫助學(xué)生理解抽象的理論概念只是基本教學(xué)方法, 目的在于教會(huì)學(xué)生利用原型啟發(fā)去聯(lián)想、 去創(chuàng)造性的解決問題。 根據(jù)物理化學(xué)課程特點(diǎn), 課程思政, 幫助學(xué)生樹立科學(xué)的價(jià)值觀、 人生觀、 世界觀[5]。 比如: 能量守恒與轉(zhuǎn)化是熱力學(xué)的第一定律, 是人們?cè)谏a(chǎn)生活實(shí)際中總結(jié)出來的自然規(guī)律之一, 人們平時(shí)的任何作為, 都必須符合自然規(guī)律, 否則就會(huì)受到懲罰。 人類自身是自然界的一部分, 那么根據(jù)能量守恒與轉(zhuǎn)化這個(gè)規(guī)律, 人自身應(yīng)該怎樣遵守這個(gè)規(guī)律? 古圣先賢告訴我們: 天人合一。 央視欄目紀(jì)錄片, 探索類節(jié)目在2012 年12 月連續(xù)三天播出的《人與自然》專題節(jié)目——《天人合一》, 用鏡頭展現(xiàn)人與自然和諧相處, 介紹動(dòng)物、 植物、 自然知識(shí)以及探索人與自然之間的相互影響及作用[6]。 天人合一思想是《黃帝內(nèi)經(jīng)》的三大醫(yī)理之一。 結(jié)合新冠肺炎疫情中, 中醫(yī)中藥發(fā)揮的作用, 首先以中醫(yī)中藥養(yǎng)生治病的基本原理, 引導(dǎo)學(xué)生先明理, 遵循中醫(yī)理論說的: 把每個(gè)人看成一個(gè)“整體”, 建立全局觀、 宇宙觀。 讓學(xué)生明白, “宇宙” (原型)有自然規(guī)律, 四季輪回。 那么人(看做小宇宙)的衣食住行, 應(yīng)該順應(yīng)四季變化自然規(guī)律, 也就必然要遵守“能量守恒與轉(zhuǎn)化” 規(guī)律。 《黃帝內(nèi)經(jīng)》給出的養(yǎng)生之道就是“春生夏長(zhǎng), 秋收冬藏”。 在智能化飛速發(fā)展的當(dāng)今時(shí)代, 每個(gè)人在每天都有大量信息干擾, 特別是智能手機(jī)對(duì)學(xué)生的誘惑最大。 部分學(xué)生作息時(shí)間不規(guī)律, 體能下降, 身心疲憊, 上課注意力不集中。 如果把人看成一個(gè)能量源, 那么每天自身能量通過人的“精氣神” 表現(xiàn)出來, “精氣神” 就是“能量守恒與轉(zhuǎn)化” 的外在體現(xiàn)。 有人說: 二十一世紀(jì)是“開啟智慧” 的時(shí)代, 每個(gè)人都必須學(xué)會(huì)“屏蔽無用的信息”、 學(xué)會(huì)“合理分配時(shí)間”, 學(xué)會(huì)自我反省、 自我排除“雜念” 干擾的能力, 建立全局觀念, 培養(yǎng)“知行合一” 的能力, 更重要的是,在素質(zhì)目標(biāo)方面, 需要將化學(xué)哲學(xué)、 人文美學(xué)和化學(xué)的發(fā)展有機(jī)結(jié)合, 將知識(shí)傳授與社會(huì)主義核心價(jià)值觀內(nèi)涵思政素材相結(jié)合, 養(yǎng)成良好的科學(xué)思維方法, 提高學(xué)生的人文素養(yǎng), 培養(yǎng)情感態(tài)度與價(jià)值觀, 引導(dǎo)學(xué)生樹立正確的世界觀、 人生觀和價(jià)值觀, 成為德才兼?zhèn)洹?滿足新時(shí)代新要求的人才[7]。 只有這樣才能將自身能量(注意力)最大限度的用在事業(yè)(學(xué)業(yè))上。 自2011 級(jí)開始至今, 在對(duì)化學(xué)工程與工藝專業(yè)本科生物理化學(xué)教學(xué)過程中, 通過師生共同努力, 幫助過多名迷茫中的學(xué)生, 學(xué)會(huì)“能量守恒與轉(zhuǎn)化” 在自身上的運(yùn)用, 調(diào)整作息時(shí)間, 學(xué)會(huì)“時(shí)間管理” 方法, 明確學(xué)習(xí)目的, 端正學(xué)習(xí)態(tài)度, 不僅順利完成的了本科學(xué)習(xí)任務(wù), 有的現(xiàn)在已經(jīng)博士畢業(yè)或在讀, 成為學(xué)院的優(yōu)秀畢業(yè)生, 影響越來越多的在校學(xué)生。

4 結(jié) 語

物理化學(xué)是化學(xué)化工及相關(guān)專業(yè)的重要基礎(chǔ)課, 無論采用何種教學(xué)方法的目的都是為了讓學(xué)生真正掌握物理化學(xué)內(nèi)容,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力、 辯證的邏輯思維能力、 實(shí)際解決問題的能力, 為后續(xù)學(xué)科打基礎(chǔ)。 在教學(xué)中, 教師必須從實(shí)際出發(fā),不同的章節(jié)、 不同的專業(yè)、 不同的學(xué)生群體, 應(yīng)該選用不同的教學(xué)方法, 有的放矢, 因材施教, 才會(huì)有更好的教學(xué)效果。