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化学课上讲故事学知识

——记北京市高等学校教学名师奖获得者、化学系教授李强

●记者 高 原

图为李强和学生在一起。

  李强 1963年10月生,化学系教授。曾获1997年度国家技术发明三等奖、2008年度北京市教育教学成果(高等教育)二等奖、宝钢教育基金优秀教师奖等科研教学奖项。其主讲的面向理工科非化学专业本科生基础课程“大学化学A”和研究生课程“材料化学导论”等,教学特色鲜明,涉及学科交叉内容广泛,知识与趣味性兼具,课堂内外师生互动性强,深受选课学生的喜爱。  

  李强,有点像导演李安。

  长相三分像,声音五分像,性格七分像。

  “教书这件事,仅靠时间投入不行,但不投入肯定也不行,所以还是一年一个台阶,一步步投入去做吧。”他说话慢条斯理,声音轻柔沉稳,似乎在他早早灰白的发丝中很难发现“鲁迅式”的桀骜叛逆。

  他并不是一个看起来那么有“性格”的人,但却充满了生活的情趣和热情,体现了温柔随和、随遇而安、谦冲居下的特质。李强的课堂也像李安的电影,舒缓的叙述节奏演绎着扣人心弦的故事,让本来枯燥的“大学化学A”课堂成为一部“李强式”风格的大片,引人入胜,让人情不自禁地对化学产生美好的遐想。“兴趣,是学习最好的老师”。这正是李强开讲这门课时的初衷。

化学“说书人”讲古今中外,谈基础前沿

  2013级清华学堂钱学森力学班学生李逸良上学期刚刚上完李强的“大学化学A”课。“李老师的课不会让人无聊,相反觉得化学是一门很神奇、贴近现实生活的有趣的学问。”李逸良说。

  让李逸良印象深刻的是,在讲授荷兰化学家、首届诺贝尔化学奖得主范特霍夫时,李强在课堂上描述了范特霍夫渗透压公式诞生半个世纪后的一个美妙画面。美国科学家DR.S.Sourirajan在佛罗里达海边散步时,偶然看到一只海鸥正在戏水,它从海面啜起一大口海水,隔了几秒,再吐出一小口。这幅图景像雷电一样瞬间击中了他对范特霍夫渗透压理论的灵感,因为陆地上用肺呼吸的动物是无法饮用高盐分的海水。他发现原来海欧体内有一层薄膜,这使他最终实现了反渗透压技术淡化海水的设想。

  这种生活中的偶遇带来的灵感霓虹般的惊喜,让仅仅是大一的李逸良产生了巨大的冲击。在后续的课上,李强还干脆把范特霍夫三个方程一口气串起来讲,让分散在课本上不同角落的知识“连点成线”,自成系统。

  在一堂课的开头,李强向同学们抛出了一个看似很简单的问题:“冬天滑冰时,为什么锋利的冰刀很容易滑,而粗钝的冰刀则阻力很大?”有水才会有润滑,同学们一致表示。但水是怎样产生的呢?大家七嘴八舌给出了许多答案,例如物理复冰现象,或是用克拉伯龙方程从压力角度解释等。李强并不着急否定同学们的结论,而是顺势指导大家通过克拉伯龙方程式计算,发现无法解释得通。于是,他引导同学们从化学的角度去思考——纳米化学认为一个物质的表面结构和内部结构是不一样的,例如金属银的熔点是961摄氏度,而4个纳米大小的银颗粒只有150度左右。

  这一下就吊起了同学们的兴趣,难道这就是问题的关键所在?

  李强继续“抽丝剥茧”地解释,冰刀在冰面上滑过留下的白色印迹,实际上是切割瞬间产生的冰屑,它们的熔点可以降低几十度甚至更多,所以在零下40多度超低温的冰面滑行时,冰刀滑过的地方依然会产生冰的融化现象。

  “化学,不是简单计算平衡、方程式,通过掌握一定的化学原理,在其他领域依然有很多值得探索的空间。”李强语重心长地说。对于这些非化学专业的理工科学生,李强希望通过深入浅出的讲授,打通化学与其他学科之间的联系,开阔同学们的研究视野。

  而这种说书人“抖包袱”的讲课风格,李强说,是受到本科时一位教党史的老师的影响。1981年,李强在上海交通大学读材料专业,当时党史理论还不像现在这么脉络明晰,这位老师却用鲜活的语言和大量的史实故事把党的发展历史串了起来,这些知识让他至今记忆犹新、历历在目。如今他“继承衣钵”并发扬光大,在清华的化学课上畅谈古今中外,遍及基础前沿,演绎起化学“大片”,深受同学们的好评。

  带进去,走出来,留下来

  上课和拍电影、讲评书终究不一样。后者讲究的是“带入感”,而前者还要求“走出来”。这也是教学上的一个难点。

  李强在钱学森力学班期末评价中发现一个现象,一些上课喜欢坐在犄角旮旯的学生其实非常渴望与老师互动,这打破了他以往默认前排同学积极听课的看法。为了更好地调动同学们上课的积极性,李强请助教为每一位同学制作了桌签。他也一改以往站在讲台上讲课的习惯,走到同学们中间,进行“提问—回答”式的教学。

  同学们开玩笑地说这种“抽不冷”提问的方式,让上李强的课变得有点“刺激”,因为不能有一分钟的溜号,说不准就会问到自己头上。同样因为问答次数增加,回答正确与否变得和自尊心没什么联系,许多性格羞赧的同学开始主动在课上与老师交流。

  李强坦言,很多学生的问题有时也出乎他的意料,但有反馈是一件好事。“你对问题反应到哪儿,我们就讲到什么程度,然后前进一小步,看你能否跟得上,再决定是否停下来。”“清华的学生高中时很擅长考试,但很多知识是书本上没有的,希望同学们被‘带入’课堂的同时,也能把这些知识用于思考,‘走得出来’。”他说。

  “眼见真的为实吗?”李强在课上问。在讲解化学动力学时,他把自己的摄影爱好带入课堂,从摄影角度和大家分享飞秒化学的交叉学科知识。

他拿出一组专业相机在不同快门速度下拍摄瀑布的照片,展示了随着快门速度提高,原本连续的瀑布变成白色的、非连续的水流。他进一步解释说,由于机械快门速度有限,科学家发明了快速频闪光灯,帮助人们捕捉子弹穿过苹果、牛奶飞溅玻璃的精彩瞬间。而飞秒激光器就是频闪达10-15秒的超快“闪光灯”,它本身虽然是物理学界的研究成果,却帮助化学家揭示了化学变化中最令人难以琢磨的中间产物是否存在的“黑箱”现象,并得到诺贝尔化学奖的奖励。

  从一组拍摄的瀑布照片到飞秒激光器,李强说:“我们讲化学不能只盯着化学,它山之石可以攻玉,如果在自身研究领域之外还能关注点儿其他领域的发展,这也许能帮助我们走到最高点。”

  上学期钱学森力学班首席教授郑泉水对李强开玩笑地说:“我们一位数学老师把一名‘钱班’同学吸引到数学专业了,你能不能从‘钱班’也‘抢’走一名学生呢?”“我尽力吧!”李强开玩笑地说:“至少希望同学们能把未来研究的眼光‘留’在化学,对今后的研究有所助益。”

给你一片草原 送你一匹野马

  李强喜欢把一个知识点当做一匹“野马”,然后任由它跑遍整个草原。在他跳跃性的思维里,知识不是独立的个体,而是相互关联的“星系”。掌握一个知识点固然重要,更重要的是跳出知识的禁锢,从更高的角度俯视它们,这样才能有创新、有突破。从水的氢键到水的密度与地球演变、生物进化的联系,这种大开大合的讲课方式,让同学们觉得上李强的课像坐过山车,在高山、低谷的起伏中呼啸而过,直呼“过瘾”。

  去年,李强还在课外成立了“化学兴趣小组”,由对化学感兴趣的同学们自主报名。他们在李强的实验室开会,每周1个小时,李强一次不落参加,亲自为这些非化学专业的本科生指导实验设计方案,提供实验室,创造化学研究的第一次“亲密接触”的机会。

  在“化学兴趣小组”里,李强总会看似随意地抛出问题,请同学们利用业余时间查找文献资料、作PPT、讲报告、设计实验方案、完成实验,并以论文的形式表达思想。例如在一次兴趣小组会上,李强问,为什么冰棍第一口尝起来有些苦味呢?

  这个看似简单的问题难住了同学们,他们开始查资料、找答案,在李强的提示下,多次跑偏的思路终于回到溶液结晶的正确路子上。同学们又提出能否用光谱进行检测,李强告诉同学们不要过分依赖实验设备,一些简单的、容易到手的仪器同样能完成。同学们想要观察不同环境下冰的截面,李强建议他们把装有水的试管冻住,然后直接砸碎就可以。李强“跳出盒子外的思想”让李逸良大呼意外,“有时候简单粗暴的做法可能是解决问题最有效的方式。”他笑着说。

  为了更好地激发同学们的创新性,提高学习的“挑战度”,李强还在课程结束后,为对化学感兴趣的同学们订制参与研究课题,参加SRT训练、星火计划或校内外科研竞赛等项目计划,鼓励同学们通过不间断地参与科研训练,巩固课堂学习成果的同时,拓宽视野和培养研究能力。

  上好一门课就像是构思一个电影脚本,起承转合,适时地抛出悬念,巧妙地讲出故事,发人深省,获得启发。李强像是拍摄电影一样,精心设计着教学中的每一格“镜头”。今年新学期伊始,他又有了新的想法,希望编一本能更好地适用理工科非化学专业的大学化学教材,筹建专业教学网站,并为同学们创造更多走进实验室开展“研究式”实验的机会……李强的“电影”,还将在清华的讲台上精彩继续。

  来源:新清华 2014-09-19

(http://news.tsinghua.edu.cn)
[更新:2014-09-25 15:00:21]
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