應用多媒體技術提升《物理化學》課程教學質量*

肖鐵軍，周 勻

(貴州師范學院 貴州省納米材料模擬與計算重點實驗室，貴州 貴陽 550018)

《物理化學》是高等學校化學以及生物等相關專業的必修專業基礎課程，涵蓋物質化學行為的原理、規律和方法[1]。物理化學學科使用物理學的理論和實驗方法來研究化學變化的本質和規律，內容包含化學熱力學、化學動力學，以及結構化學及量子化學等方面。 由于《物理化學》包含大量的抽象概念、定律，以及公式，學生自主學習難度大，學習動力不足，學習效果也不太理想。

隨著高校“新課改”的推進，本科生實踐課程數量不斷增加，包括《物理化學》在內的基礎理論課程的課時則不斷被削減[2-3]。在課時壓縮的大環境下，僅僅使用板書教學，難以按時完成大綱規定的內容，這就需要引入其他方法來輔助《物理化學》的課程教學。多媒體技術有著結合文字、圖像、動畫、音頻和視頻等內容的優勢，在教育和科研領域都得到了廣泛的應用。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制、修改以及儲存。使用多媒體課件輔助教學，既增加了知識點的趣味性，對于提高學生的學習興趣有顯著的作用，也可以節約老師的講授時間，從而對《物理化學》課程教學起到良好的促進作用[4-6]。基于這些思考，為總結經驗，提高教學效果，我們對于《物理化學》課程教學中多媒體技術的應用做了一些探索。

1 合理利用多媒體技術，加深學生對教材知識點的理解

1.1 多媒體在緒論部分的應用

緒論部分是打下學習基調。為了提高學生學習興趣，我們首先向學生介紹《物理化學》(包括化學物理)是一門基礎交叉學科，對于我國的國防事業和經濟發展發展起到了很重要的作用。中國科技大學的化學物理系就是按照“兩彈一星”要求設置的。其中，“兩彈一星”元勛錢學森和郭永懷兩位教授還是化學物理系的創始人。中科院大連化物所聚焦于能源催化等領域的物理化學問題，科學家通過長期的科研攻關，取得了眾多重要的研究進展。其中，甲醇制取低碳烯烴技術以及液態太陽燃料合成技術分別獲得國家技術發明一等獎以及中國可再生能源學會技術發明獎一等獎，對于我國推進綠色可持續發展，實現“碳中和”路線圖都有著重要的意義。把這些知識點用圖片和視頻的方式做成緒論部分的課件，不僅讓學生對于這門學科的重要性有了直觀的認識，也讓學生對于我國科學家勇于進取和科技報國的精神產生深深的敬佩。

1.2 多媒體在公式講授方面的應用

對于課程中包含復雜表達式的知識點，我們用文字加圖片的方式加深學生對于公式的理解。在氣體章節，分子運動的速率分布、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都使用數學公式來作定量描述。當變量較多的時候，復雜公式包含的物理圖像并不直觀，這個時候可以借助于公式的可視化。以分子速率分布函數為例，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隨著溫度升高而增大，隨著分子的摩爾質量增大而減小。在熱力學定律對應的章節，考察理想氣體在絕熱可逆過程中的熱力學，壓強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，與之相比使用科學繪圖軟件做出的彩色圖片可以揭示更多的細節，也更加能吸引學生的注意力。

1.3 多媒體在微觀機制講授方面的應用

對于一些涉及微觀細節的物理化學過程，我們使用flash動畫的方式來直觀展示相應知識點。對分子的碰撞頻率以及平均自由程，我們結合計算機模擬(通常采用分子動力學模擬軟件)來進行演示。分子動力學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動定律，這些位置以及速度又可以用來計算分子的擴散系數以及平均自由程等信息。計算機模擬結果可以做成一個三維動畫，從而直觀地展示分子位置的變化。通過這些輔助手段，學生對于氣體的性質有了更加直觀的認識和感受，增強了學習的興趣。對于兩相平衡的知識點講授，多媒體技術也可以提供很好的輔助。我們從專業網站上下載了氣液兩相平衡時的分子運動的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到動態平衡。通過動畫演示，學生對于相平衡的概念有了更深入的認識：雖然兩個相的宏觀性質保持不變，但是微觀上兩相之間還會發生物質交換。

多媒體實驗視頻也可以幫助《物理化學》課程教學。由于課時的制約，一些實驗內容無法在課堂上直接演示，此時事先錄制好的實驗視頻就可以起到很好的補充作用。比如，在介紹耗散結構和自組織現象的內容時，教師可以在網絡上下載Belousov-Zhabotinski(BZ)化學振蕩反應的實驗視頻制作多媒體課件。

1.4 多媒體在課程復習方面的應用

在《物理化學》課程的教學中，通常以章作為單元來進行講授。由于每章的內容相對獨立，在復習時需要基于一定的邏輯將不同章節的知識點融合形成一個知識網絡。復習的過程可以從如下幾點出發：一是梳理不同章節之間的聯系。比如，熱力學作為一個普適的基礎理論，在眾多體系(比如相平衡、化學平衡、溶液、電化學以及表面化學)中都有應用，這些體系的聯系和區別是什么。二是理解章節內部的聯系。比如，關于化學勢，理想氣體和非理想氣體之間有什么聯系，理想溶液和非理想溶液之間有什么聯系，單組分體系的相圖和兩組分體系的相圖有何種聯系。以這樣的方式，就可以梳理每一個章節在物理化學知識體系中所處的位置，內在的邏輯就顯現出來，從而可較好地把物理化學的知識構成一張網。這個網狀的知識結構可以很方便地在幻燈片上以圖的方式表示出來，再通過在關鍵詞上設置超鏈接，很容易實現不同章節知識點之間的關聯與切換，從而方便學生的總結與復習。

2 科研反哺教學，利用多媒體技術講授物理化學前沿新進展

除了大綱中指定的基本知識點，物理化學的前沿進展也是教材的重要組成部分。這些前沿知識對于擴大學生的知識面、提高學生的學習興趣都有不可或缺的作用。為了保證內容的穩定性，《物理化學》教科書往往側重于傳授經典內容，提供的參考資料也不能及時反映物理化學領域日新月異的前沿研究進展。在當今雙一流建設的背景下，科研反哺教學已經成了教學改革的有機組成。為了更好地講授《物理化學》課程，就需要教師結合自身的科研工作收集前沿進展的案例，做成多媒體課件以充實和豐富教學內容。

結合自身的科研方向與研究興趣，我們增加了一些研究進展的案例講述。其一是受限溶液體系的研究。即使溶液處于平衡態，當溶液處于納米受限狀態時，邊界和溶液的相互作用導致界面附近的溶液出現一些有趣的有限尺寸現象。比如，當水流過納米孔隙時，水流速度在某些尺寸的孔隙中會出現極大，從而在海水淡化領域有著潛在的應用價值。其二是非平衡介觀體系(典型空間尺度是納米量級)的研究。隨著納米科學以及生命科學的發展，細胞尺度的生物化學體系和納米催化體系已經成為物理化學研究的前沿熱點體系。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象，如多重定態、化學振蕩、化學混沌、隨機共振、相干共振等。這些體系處于非平衡狀態，噪聲或者漲落的作用也已經處于不可忽略的程度，此時經典的平衡態熱力學理論對這些體系已經無能為力。學者們發展了一套介觀理論方法，包括基于隨機偏微分方程的介觀動力學理論以及基于反應的軌跡線構建的隨機熱力學理論，從動力學和熱力學兩個方面對于介觀體系的性質給出了描述。其三是信息熱力學的發展。研究人員發現，量子熱機和經典熱機有相似的性質，它們的熱機效率都受到卡諾效率的制約。這也說明了熱力學定律的普適性，不管構成體系的物質由經典力學描述還是量子力學描述，它們都可以由熱力學基本原理來給出描述。

這些知識擴展了經典《物理化學》教科書的內容，做成相應的多媒體課件之后，學生聽了都很感興趣，激發了學生的學習熱情。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。如果想讓學生了解更全面的物理化學前沿知識，除了擴大自己的文獻閱讀面，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 應用多媒體技術的一些反思

多媒體技術為《物理化學》課程教學帶來了便利，減輕了教師的教學壓力，但是使用不當的時候也可能帶來教學效果下降的副作用[7-8]。由于多媒體課件容易通過網絡傳播，有少數老師直接使用其他老師制作的課件，上課時只是機械式點擊幻燈片進行說課。老師和學生的互動不足，學生感受不到老師上課的熱情與溫度，也抓不住學習的要點，這也導致學生注意力分散，降低了對課程的學習興趣。此外，由于《物理化學》課程中包含眾多的公式、定律、理想假設，以及推導過程，學生如果沒有認真預習，往往跟不上老師的節奏和思路，對于公式的來源以及適用范圍產生理解困難。如果老師上課經驗不足，多媒體課件展示和停留的時間不充分，也會給學生記筆記帶來困難。針對這些問題，我們建議教師在深入理解大綱的前提下認真制作多媒體課件，保證課件的邏輯一致性。老師講課時也要張弛有度，較難的知識點(比如公式的推導)可以采用傳統板書方式。板書容易吸引學生的注意力，書寫過程還包含了老師的思考過程，也讓學生有更加充分的時間來思考和吸收知識點。在一些不需要板書的地方，老師也可以適當慢下來，提出一些問題和學生互動。比如，讓學生思考知識點在身邊的哪些領域有應用，對于自己的生活有什么影響。在這個意義上，我們需要的是多媒體和傳統板書的有機結合，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生的學習效率。

此外，在應用多媒體輔助《物理化學》課程教學的過程中，設計合適的多媒體課件對于教師的個人能力也提出了挑戰。多媒體技術的引進，將老師授課環節的臨場板書和畫圖時間轉移到了課件制作階段，從而節約一部分講授時間。但課件不能停留在簡單講授大綱要求的知識點。如果只是把課本章節的大段文字、公式和圖表復制到幻燈片上，學生會覺得老師沒認真備課，聽老師講課還不如自己看書。《物理化學》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，再復制到PPT中，但是效果一般不太理想。教師需要權衡各個知識點的重要性與難易程度，再對一些重要的公式以及圖表進行重制，就要求教師掌握諸如Mathtype、Latex或Origin等專業軟件的使用。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》這門課程，高校教師還需要不斷提高自己在計算機操作和專業軟件操作等方面的能力。

4 結束語

總的說來，《物理化學》是一門理論性很強的交叉學科。物理化學基于物理學的方法和理論來研究化學體系以及化學問題，其中涉及對大量抽象概念、公式和定理的學習和運用。在“新課改”壓縮課時的大趨勢下，《物理化學》課程的講授具有很大的挑戰性。在《物理化學》課程教學中采用多媒體技術，可將抽象知識直觀化，一方面使得學生學習興趣更大，另一方面也可節約板書時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作為輔助手段，對《物理化學》課程的教學可以起到很好的促進作用。