肖铁军，周 匀
(贵州师范学院 贵州省纳米材料模拟与计算重点实验室，贵州 贵阳 550018)
《物理化学》是高等学校化学以及生物等相关专业的必修专业基础课程，涵盖物质化学行为的原理、规律和方法[1]。物理化学学科使用物理学的理论和实验方法来研究化学变化的本质和规律，内容包含化学热力学、化学动力学，以及结构化学及量子化学等方面。
由于《物理化学》包含大量的抽象概念、定律，以及公式，学生自主学习难度大，学习动力不足，学习效果也不太理想。
随着高校“新课改”的推进，本科生实践课程数量不断增加，包括《物理化学》在内的基础理论课程的课时则不断被削减[2-3]。在课时压缩的大环境下，仅仅使用板书教学，难以按时完成大纲规定的内容，这就需要引入其他方法来辅助《物理化学》的课程教学。多媒体技术有着结合文字、图像、动画、音频和视频等内容的优势，在教育和科研领域都得到了广泛的应用。多媒体课件能将抽象的文字用图片、动画或者短视频等方式来展示，包含的信息量大且易于复制、修改以及储存。使用多媒体课件辅助教学，既增加了知识点的趣味性，对于提高学生的学习兴趣有显著的作用，也可以节约老师的讲授时间，从而对《物理化学》课程教学起到良好的促进作用[4-6]。基于这些思考，为总结经验，提高教学效果，我们对于《物理化学》课程教学中多媒体技术的应用做了一些探索。
1.1 多媒体在绪论部分的应用
绪论部分是打下学习基调。为了提高学生学习兴趣，我们首先向学生介绍《物理化学》(包括化学物理)是一门基础交叉学科，对于我国的国防事业和经济发展发展起到了很重要的作用。中国科技大学的化学物理系就是按照“两弹一星”要求设置的。其中，“两弹一星”元勋钱学森和郭永怀两位教授还是化学物理系的创始人。中科院大连化物所聚焦于能源催化等领域的物理化学问题，科学家通过长期的科研攻关，取得了众多重要的研究进展。其中，甲醇制取低碳烯烃技术以及液态太阳燃料合成技术分别获得国家技术发明一等奖以及中国可再生能源学会技术发明奖一等奖，对于我国推进绿色可持续发展，实现“碳中和”路线图都有着重要的意义。把这些知识点用图片和视频的方式做成绪论部分的课件，不仅让学生对于这门学科的重要性有了直观的认识，也让学生对于我国科学家勇于进取和科技报国的精神产生深深的敬佩。
1.2 多媒体在公式讲授方面的应用
对于课程中包含复杂表达式的知识点，我们用文字加图片的方式加深学生对于公式的理解。在气体章节，分子运动的速率分布、分子平动能的分布、气体分子在重力场中的分布、分子的碰撞频率和平均自由程等知识点都使用数学公式来作定量描述。当变量较多的时候，复杂公式包含的物理图像并不直观，这个时候可以借助于公式的可视化。以分子速率分布函数为例，我们将常见的氧气、氯气、氦气、水、二氧化碳等简单分子的速率分布曲线用Origin软件做成彩图，就可以很直观地看出速率的均值以及方差等性质随着温度升高而增大，随着分子的摩尔质量增大而减小。在热力学定律对应的章节，考察理想气体在绝热可逆过程中的热力学，压强P、体积V以及温度T三者遵循绝热可逆过程方程式。通过将公式可视化作图，膨胀功的性质在P-V-T三维彩图上可以看得很清楚。此外，书本上的图片都是二维黑白图片，与之相比使用科学绘图软件做出的彩色图片可以揭示更多的细节，也更加能吸引学生的注意力。
1.3 多媒体在微观机制讲授方面的应用
对于一些涉及微观细节的物理化学过程，我们使用flash动画的方式来直观展示相应知识点。对分子的碰撞频率以及平均自由程，我们结合计算机模拟(通常采用分子动力学模拟软件)来进行演示。分子动力学模拟的盒子中包含大量分子，这些分子的位置和速度的演化遵循牛顿运动定律，这些位置以及速度又可以用来计算分子的扩散系数以及平均自由程等信息。计算机模拟结果可以做成一个三维动画，从而直观地展示分子位置的变化。通过这些辅助手段，学生对于气体的性质有了更加直观的认识和感受，增强了学习的兴趣。对于两相平衡的知识点讲授，多媒体技术也可以提供很好的辅助。我们从专业网站上下载了气液两相平衡时的分子运动的flash动画，可以很形象地演示分子在气液两相界面附近来回移动最终达到动态平衡。通过动画演示，学生对于相平衡的概念有了更深入的认识：虽然两个相的宏观性质保持不变，但是微观上两相之间还会发生物质交换。
多媒体实验视频也可以帮助《物理化学》课程教学。由于课时的制约，一些实验内容无法在课堂上直接演示，此时事先录制好的实验视频就可以起到很好的补充作用。比如，在介绍耗散结构和自组织现象的内容时，教师可以在网络上下载Belousov-Zhabotinski(BZ)化学振荡反应的实验视频制作多媒体课件。
1.4 多媒体在课程复习方面的应用
在《物理化学》课程的教学中，通常以章作为单元来进行讲授。由于每章的内容相对独立，在复习时需要基于一定的逻辑将不同章节的知识点融合形成一个知识网络。复习的过程可以从如下几点出发：一是梳理不同章节之间的联系。比如，热力学作为一个普适的基础理论，在众多体系(比如相平衡、化学平衡、溶液、电化学以及表面化学)中都有应用，这些体系的联系和区别是什么。二是理解章节内部的联系。比如，关于化学势，理想气体和非理想气体之间有什么联系，理想溶液和非理想溶液之间有什么联系，单组分体系的相图和两组分体系的相图有何种联系。以这样的方式，就可以梳理每一个章节在物理化学知识体系中所处的位置，内在的逻辑就显现出来，从而可较好地把物理化学的知识构成一张网。这个网状的知识结构可以很方便地在幻灯片上以图的方式表示出来，再通过在关键词上设置超链接，很容易实现不同章节知识点之间的关联与切换，从而方便学生的总结与复习。
除了大纲中指定的基本知识点，物理化学的前沿进展也是教材的重要组成部分。这些前沿知识对于扩大学生的知识面、提高学生的学习兴趣都有不可或缺的作用。为了保证内容的稳定性，《物理化学》教科书往往侧重于传授经典内容，提供的参考资料也不能及时反映物理化学领域日新月异的前沿研究进展。在当今双一流建设的背景下，科研反哺教学已经成了教学改革的有机组成。为了更好地讲授《物理化学》课程，就需要教师结合自身的科研工作收集前沿进展的案例，做成多媒体课件以充实和丰富教学内容。
结合自身的科研方向与研究兴趣，我们增加了一些研究进展的案例讲述。其一是受限溶液体系的研究。即使溶液处于平衡态，当溶液处于纳米受限状态时，边界和溶液的相互作用导致界面附近的溶液出现一些有趣的有限尺寸现象。比如，当水流过纳米孔隙时，水流速度在某些尺寸的孔隙中会出现极大，从而在海水淡化领域有着潜在的应用价值。其二是非平衡介观体系(典型空间尺度是纳米量级)的研究。随着纳米科学以及生命科学的发展，细胞尺度的生物化学体系和纳米催化体系已经成为物理化学研究的前沿热点体系。研究人员在非线性纳米体系直接观测到许多有趣的自组织现象，如多重定态、化学振荡、化学混沌、随机共振、相干共振等。这些体系处于非平衡状态，噪声或者涨落的作用也已经处于不可忽略的程度，此时经典的平衡态热力学理论对这些体系已经无能为力。学者们发展了一套介观理论方法，包括基于随机偏微分方程的介观动力学理论以及基于反应的轨迹线构建的随机热力学理论，从动力学和热力学两个方面对于介观体系的性质给出了描述。其三是信息热力学的发展。研究人员发现，量子热机和经典热机有相似的性质，它们的热机效率都受到卡诺效率的制约。这也说明了热力学定律的普适性，不管构成体系的物质由经典力学描述还是量子力学描述，它们都可以由热力学基本原理来给出描述。
这些知识扩展了经典《物理化学》教科书的内容，做成相应的多媒体课件之后，学生听了都很感兴趣，激发了学生的学习热情。值得指出的是，由于研究方向的差异，不同的老师收集的研究前沿案例也会有所不同。如果想让学生了解更全面的物理化学前沿知识，除了扩大自己的文献阅读面，也可以选择和其他老师相互交流，以增加自己在这些方面的知识储备。
多媒体技术为《物理化学》课程教学带来了便利，减轻了教师的教学压力，但是使用不当的时候也可能带来教学效果下降的副作用[7-8]。由于多媒体课件容易通过网络传播，有少数老师直接使用其他老师制作的课件，上课时只是机械式点击幻灯片进行说课。老师和学生的互动不足，学生感受不到老师上课的热情与温度，也抓不住学习的要点，这也导致学生注意力分散，降低了对课程的学习兴趣。此外，由于《物理化学》课程中包含众多的公式、定律、理想假设，以及推导过程，学生如果没有认真预习，往往跟不上老师的节奏和思路，对于公式的来源以及适用范围产生理解困难。如果老师上课经验不足，多媒体课件展示和停留的时间不充分，也会给学生记笔记带来困难。针对这些问题，我们建议教师在深入理解大纲的前提下认真制作多媒体课件，保证课件的逻辑一致性。老师讲课时也要张弛有度，较难的知识点(比如公式的推导)可以采用传统板书方式。板书容易吸引学生的注意力，书写过程还包含了老师的思考过程，也让学生有更加充分的时间来思考和吸收知识点。在一些不需要板书的地方，老师也可以适当慢下来，提出一些问题和学生互动。比如，让学生思考知识点在身边的哪些领域有应用，对于自己的生活有什么影响。在这个意义上，我们需要的是多媒体和传统板书的有机结合，而不是简单地用多媒体替代板书，只有这样才能更有效地提高学生的学习效率。
此外，在应用多媒体辅助《物理化学》课程教学的过程中，设计合适的多媒体课件对于教师的个人能力也提出了挑战。多媒体技术的引进，将老师授课环节的临场板书和画图时间转移到了课件制作阶段，从而节约一部分讲授时间。但课件不能停留在简单讲授大纲要求的知识点。如果只是把课本章节的大段文字、公式和图表复制到幻灯片上，学生会觉得老师没认真备课，听老师讲课还不如自己看书。《物理化学》课件的制作需要考虑大量公式和图表的展示，最简单的办法是将书上的公式和图表以照片的方式拍下来，再复制到PPT中，但是效果一般不太理想。教师需要权衡各个知识点的重要性与难易程度，再对一些重要的公式以及图表进行重制，就要求教师掌握诸如Mathtype、Latex或Origin等专业软件的使用。此外，多媒体课件还涉及flash动画制作或视频剪辑等过程。因此，为了讲好《物理化学》这门课程，高校教师还需要不断提高自己在计算机操作和专业软件操作等方面的能力。
总的说来，《物理化学》是一门理论性很强的交叉学科。物理化学基于物理学的方法和理论来研究化学体系以及化学问题，其中涉及对大量抽象概念、公式和定理的学习和运用。在“新课改”压缩课时的大趋势下，《物理化学》课程的讲授具有很大的挑战性。在《物理化学》课程教学中采用多媒体技术，可将抽象知识直观化，一方面使得学生学习兴趣更大，另一方面也可节约板书时间从而提高教师讲课的效率。总的说来，合理利用多媒体技术作为辅助手段，对《物理化学》课程的教学可以起到很好的促进作用。
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