物理化學(xué)實驗教學(xué)實踐與探索

焉炳飛,李文佐,張培青,孫 遜

(煙臺大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，山東 煙臺 264005)

實驗課程可以加深對理論知識的理解，高等院校開設(shè)實驗課程有利于理論聯(lián)系實際新型人才的培養(yǎng)[1]。物理化學(xué)實驗是我校化學(xué)化工學(xué)院對大學(xué)二年級學(xué)生開設(shè)的一門基礎(chǔ)性實驗課程，綜合了化學(xué)領(lǐng)域中各個分支學(xué)科所需要的基礎(chǔ)研究工具和研究方法，是化學(xué)實驗科學(xué)研究的重要組成部分[2]。要求開設(shè)本門課程的專業(yè)有應(yīng)用化學(xué)、化學(xué)工程與工藝、高分子材料與工程、生物科學(xué)、生物技術(shù)、食品科學(xué)與工程、食品質(zhì)量與安全、環(huán)境科學(xué)、環(huán)境工程、金屬材料工程、材料科學(xué)與工程、藥學(xué)以及制藥工程等等。物理化學(xué)實驗課程是上述專業(yè)學(xué)生必須掌握的綜合性基礎(chǔ)實驗，它不僅在相關(guān)專業(yè)課程、實驗技能以及創(chuàng)新能力的培養(yǎng)和形成具有獨特的地位和作用，而且實驗中會涉及到許多基本理論和儀器的基本工作原理，也是學(xué)生進行畢業(yè)設(shè)計與后續(xù)學(xué)習(xí)科研工作的必要鋪墊和基礎(chǔ)訓(xùn)練[3]。因此，科學(xué)合理地設(shè)置物理化學(xué)實驗課程內(nèi)容，度構(gòu)建完整的化學(xué)基礎(chǔ)課程體系、提高培養(yǎng)生的培養(yǎng)質(zhì)量至關(guān)重要。然而，我們在教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)一些問題，這些問題若不能夠很好的解決，會在一定程度上制約著物理化學(xué)實驗的發(fā)展。針對這些問題，結(jié)合本校實際情況，談?wù)勛约旱囊恍w會與想法，進一步推動物理化學(xué)實驗教學(xué)的發(fā)展。

1 增強學(xué)生自身重視程度

物理化學(xué)本來就是一門比較難理解的學(xué)科，如果以照搬教材滿堂灌的方式給學(xué)生授課，不但起不到好的教學(xué)效果，而且也達不到素質(zhì)教育的目的，因此，通過實驗教學(xué)來啟發(fā)學(xué)生，引導(dǎo)學(xué)生掌握科學(xué)的思維方式會是一種較好的方法。然而，由于連年的擴招，需要開設(shè)物理化學(xué)實驗的大學(xué)生人數(shù)逐年遞增，目前我校有兩千多學(xué)生需要開設(shè)該課程。此外，許多學(xué)生在大一新入學(xué)時并不重視實驗課程，從而導(dǎo)致學(xué)生缺乏系統(tǒng)而扎實的化學(xué)基本實驗技能訓(xùn)練，學(xué)生的化學(xué)實驗基礎(chǔ)較差。傳統(tǒng)的實驗教學(xué)模式也沒有充分體現(xiàn)對學(xué)生自主實驗?zāi)芰Φ呐囵B(yǎng)，導(dǎo)致學(xué)生在實驗過程中積極性不高、依賴心強，教學(xué)效果不理想。學(xué)習(xí)態(tài)度是能夠?qū)W好最重要的一個因素，因此，必須增強學(xué)生的自身重視程度。學(xué)習(xí)態(tài)度是一個意識問題，需要潛移默化的慢慢改變，但必須要改變[4]。

以實驗的預(yù)習(xí)為例，部分物理化學(xué)實驗操作步驟較為繁瑣，實驗中測得的原始數(shù)據(jù)需要進行比較復(fù)雜的處理，才能得到最終結(jié)論；如果學(xué)生在實驗前沒有認真做好實驗的預(yù)習(xí)，其結(jié)果必然是依據(jù)實驗講義，看一步做一步，實驗操作過程中不斷出現(xiàn)本可避免的錯誤，甚至造成儀器的損壞；此外，學(xué)生也不知道應(yīng)該記錄哪些數(shù)據(jù)。因此督促、指導(dǎo)學(xué)生進行實驗預(yù)習(xí)非常重要的。為了能夠達到有效預(yù)習(xí)這一目的，我們要求學(xué)生在書寫預(yù)習(xí)報告的同時，給學(xué)生布置相應(yīng)的思考題，關(guān)于思考題的答案，只要學(xué)生認真閱讀實驗教材上的相應(yīng)實驗內(nèi)容就可找到答案，這種預(yù)習(xí)方法可以有效地克服學(xué)生的懶惰習(xí)慣，促進學(xué)生預(yù)習(xí)的積極性，從而提高了實驗課教學(xué)質(zhì)量。

2 注重教材建設(shè)

由于國內(nèi)各個高校實驗條件及經(jīng)費投入不盡相同，實驗室配置的實驗儀器的種類及型號并不相同，這就使得國內(nèi)各高校紛紛著手在原有實驗教材的基礎(chǔ)上編寫適合自己學(xué)校的實驗教材。因此，不能照搬其他高校的物理化學(xué)實驗教材，況且許多高校在開設(shè)實驗時會根據(jù)自身的專業(yè)需要調(diào)整實驗內(nèi)容及側(cè)重點，這會給學(xué)生預(yù)習(xí)實驗帶來困擾和不便。

2014年以來，我們配合無機化學(xué)、分析化學(xué)、有機化學(xué)和物理化學(xué)等省級精品課程以及基礎(chǔ)化學(xué)化工實驗中心的建設(shè)，邊探究邊實踐，摸索出一條突破二級學(xué)科實驗體系架構(gòu)，按化學(xué)一級學(xué)科開設(shè)實驗課程的道路，在原有的四門二級學(xué)科實驗教材的基礎(chǔ)上，重新組織、更新內(nèi)容編寫了實用性較強的《基礎(chǔ)化學(xué)實驗》[5]。該教材按照“強化基礎(chǔ)，提高創(chuàng)新”的原則，將實驗內(nèi)容分為兩大類：一類是基礎(chǔ)性和驗證性實驗，旨在加強對學(xué)生基本理論、基本知識和基本技能的培養(yǎng)，此類實驗項目約占總實驗數(shù)目的80%；另一類實驗項目為綜合性、設(shè)計性及計算機仿真實驗，以提高學(xué)生的實驗興趣，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜問題的綜合能力和創(chuàng)新意識。

3 加強實驗室儀器管理

目前，我國高等教育進入跨越式發(fā)展階段，高等學(xué)校的實驗室工作正面臨著新的形勢與挑戰(zhàn)。實驗室儀器管理是實驗教學(xué)的重要組成部分，實驗室儀器管理水平的高低將直接影響實驗教學(xué)的質(zhì)量。目前學(xué)院開設(shè)的物理化學(xué)實驗課程涉及化學(xué)熱力學(xué)、化學(xué)動力學(xué)、電化學(xué)等方面的內(nèi)容，實驗所需常用儀器包括：電子分析天平、數(shù)顯恒溫水浴鍋、半自動氧彈式量熱計、數(shù)顯貝克曼溫度計、數(shù)字式壓差計、全自動凝固點降低測分子量裝置，電導(dǎo)率儀、數(shù)顯旋光儀、阿貝折射儀、粘度計、比表面測定儀等等，此外，為了更好地開設(shè)綜合性和設(shè)計性實驗，一些高檔研究儀器也被投入到物理化學(xué)實驗中，如電化學(xué)工作站、紫外-可見光譜儀等。這些實驗設(shè)備能否正常使用，直接關(guān)系到實驗的順利開展以及實驗數(shù)據(jù)的可靠性，同時也影響學(xué)生對物理化學(xué)課程的掌握程度。對實驗儀器實行規(guī)范化管理，可最大限度的保證儀器的正常使用。目前實驗室已采取的管理措施包括：對儀器的標(biāo)準(zhǔn)操作制定一個操作規(guī)程并按規(guī)程進行培訓(xùn)后才能操作儀器；儀器的使用必須在實驗室儀器登記本上進行登記，對于不正確的操作所造成的儀器損壞，追究責(zé)任到個人；定期對實驗儀器進行檢查維修工作，減少因老化、化學(xué)品腐蝕等因素造成的儀器突發(fā)性故障。

為了培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神與實踐能力，在物理化學(xué)實驗室的管理上，我們實行開放的管理模式。學(xué)生在掌握基本的實驗技能和儀器操作、完成實驗室安全培訓(xùn)之后，只要實驗室不開課，學(xué)生可采取登記預(yù)約的方式進入實驗室做實驗，只要是和物理化學(xué)實驗相關(guān)的內(nèi)容，學(xué)生就可以自行選擇所需要的儀器及藥品進行實驗，如：學(xué)生自制的洗發(fā)露測量表面張力、測定自制食醋的酸度等。有部分學(xué)生將自己的實驗成果整理成小文章，申報了學(xué)校里的大學(xué)生創(chuàng)新立項并獲得了資助，是學(xué)生的學(xué)習(xí)充滿了信心和成就感。通過這種管理模式，學(xué)生普遍認為激發(fā)了他們的學(xué)習(xí)興趣、加深了對理論知識的理解。

4 轉(zhuǎn)變實驗原理講授方法

目前，所有物理化學(xué)實驗教材在對實驗原理進行講解時均采用順序介紹的方法，即從最基本的公式或者反應(yīng)的方程式逐步進行推導(dǎo)，最后給出了本次實驗?zāi)繕?biāo)數(shù)據(jù)的求算公式。然而，當(dāng)實驗結(jié)束時，學(xué)生面對實驗數(shù)據(jù)卻無從下手。因此，在授課時應(yīng)采用“有用性原則”，即需要什么找什么。通過采用這種講授方式，可以在最大程度上使學(xué)生快速的掌握整個實驗的流程，明白每個操作步驟的目的是什么、所需數(shù)據(jù)的來源在哪里以及測得數(shù)據(jù)有哪些用途，并且對實驗數(shù)據(jù)的后期處理有著極大的幫助。

在物理化學(xué)實驗的授課過程中，儀器的正確使用是重點環(huán)節(jié)。以往的授課方式都是指導(dǎo)教師先進行演示，一步一步地教給學(xué)生，然后學(xué)生再重復(fù)指導(dǎo)教師的操作步驟。這樣的授課方式限制了學(xué)生的思維和探索過程，無法真正掌握儀器的操作，在實驗過后對儀器的操作沒有任何印象。因此，我們首先讓學(xué)生仔細閱讀實驗所用的儀器的操作規(guī)程；接下來，簡單講述實驗流程，并再次強調(diào)儀器的使用過程中的注意事項及禁忌；然后，學(xué)生才開始探索性的展開實驗。在實驗實施過程中，學(xué)生可以根據(jù)自己對儀器的掌握情況，調(diào)整相應(yīng)的實驗步驟，這種授課方式極大地提高了學(xué)生的實驗積極性，培養(yǎng)和鍛煉了學(xué)生獨立思考和敢于動手的能力。

5 健全考核評價體系

考核評價是實驗課不可或缺的重要環(huán)節(jié)，基礎(chǔ)化學(xué)實驗的重點在能力的培養(yǎng)，不能僅僅看重實驗結(jié)果和精密度，因此，如何公正、客觀的評價學(xué)生的實驗成績關(guān)系著實驗教學(xué)過程的良性循環(huán)發(fā)展。我們經(jīng)過多年的探索研究，總結(jié)出了一套較為合理的物理化學(xué)實驗考核評價體系，其考核項目、分值比例及考核要求列于表1。

表1 物理化學(xué)實驗考核項目、分值比例及考核要求a

注：a考勤缺勤1/3的學(xué)生給予零分處理。

通過近幾年的探索與實踐，初步建立了一套“以學(xué)生為中心”的物理化學(xué)實驗教學(xué)模式。在整個實踐教學(xué)的過程中，學(xué)生獨立去思考、探索，在實驗過程中發(fā)現(xiàn)、分析、解決問題，成為課程學(xué)習(xí)的主體，從而得以領(lǐng)略科學(xué)世界的奧秘；指導(dǎo)老師起到主導(dǎo)的作用，適時給予引導(dǎo)，從“教”轉(zhuǎn)變?yōu)椤皩?dǎo)”，讓學(xué)生的“被動學(xué)習(xí)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤爸鲃訉W(xué)習(xí)”。這種自主的學(xué)習(xí)模式，受到了同學(xué)的歡迎和肯定，每學(xué)期評教結(jié)果顯示，90%以上的學(xué)生認為這種實驗課學(xué)習(xí)模式使同學(xué)們對所做實驗?zāi)康母用鞔_、對實驗原理的理解更加深刻、實驗操作思路更加清晰、實驗技能掌握更加全面、實驗儀器損壞率明顯降低、對課堂所學(xué)理論知識理解更加鞏固、表達能力也得到了增強，逐漸形成了“想學(xué)-愿學(xué)-學(xué)會-會學(xué)”的良性循環(huán)機制，從而使學(xué)習(xí)效率得到提升。近年來取得了較好的成效，如：學(xué)生參加山東省大學(xué)生實驗技能大賽每年均取得良好的成績；一些同學(xué)在實驗過程中找到創(chuàng)新點，參加了全國大學(xué)生“挑戰(zhàn)杯”科技大賽并獲獎；每學(xué)年均有學(xué)生獲得“山東省優(yōu)秀本科畢業(yè)論文”榮譽；通過物理化學(xué)實驗的訓(xùn)練，許多學(xué)生加深了對化學(xué)專業(yè)的認可度，堅定了學(xué)習(xí)化學(xué)專業(yè)的信心，每年有許多學(xué)生順利通過研究生入學(xué)考試進入211、985大學(xué)繼續(xù)深造等等。此外，鑒于物理化學(xué)實驗教學(xué)取得的豐碩成果，我院其他基礎(chǔ)實驗及專業(yè)實驗也紛紛學(xué)習(xí)經(jīng)驗并采用該模式進行授課，均取得了較好的效果。

綜上所述，通過物理化學(xué)實驗的實踐教學(xué)，結(jié)合開放式教育，培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的教育理念，提出了新的實驗教學(xué)方法，在傳統(tǒng)的驗證性物理化學(xué)實驗中，引入探究性概念，讓學(xué)生在探索問題、解決問題的過程中，掌握物理化學(xué)實驗的內(nèi)容、方法，達到物理化學(xué)實驗的教學(xué)目的，真正做到學(xué)生在整個實驗教學(xué)過程中獲得各方面綜合能力的提高。從而進一步推動物理化學(xué)實驗教學(xué)的發(fā)展。