物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行中的幾個(gè)問(wèn)題

[摘 要]在物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的運(yùn)行中有不少值得改進(jìn)和探討的地方。文章從實(shí)驗(yàn)誤差、儀器精度、強(qiáng)度性質(zhì)實(shí)驗(yàn)、線上線下教學(xué)和實(shí)驗(yàn)室效率等五個(gè)方面指出物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行中存在的問(wèn)題，并給出了可行的解決方案，希望對(duì)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)有所助益。

[關(guān)鍵詞]物理化學(xué)實(shí)驗(yàn);實(shí)驗(yàn)改進(jìn);教學(xué)方法

[基金項(xiàng)目]2016年江蘇省高校自然科學(xué)研究面上項(xiàng)目“中空微納氧化銦基的高性能QCM氣體傳感器研究”（No.16KJD150003）

[作者簡(jiǎn)介]范國(guó)康（1974—），男，江蘇揚(yáng)州人，博士，講師，研究方向?yàn)椴牧衔锢砘瘜W(xué)。

[中圖分類號(hào)] G642.8[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A[文章編號(hào)] 1674-9324（2020）46-0-02[收稿日期] 2020-10-04

物理化學(xué)與無(wú)機(jī)化學(xué)、分析化學(xué)、有機(jī)化學(xué)并稱四大基礎(chǔ)化學(xué)，其理論性強(qiáng)，學(xué)習(xí)起來(lái)比較困難。為了達(dá)到理論聯(lián)系實(shí)際的目的，許多學(xué)校開(kāi)設(shè)了物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程[1-4]，以加深學(xué)生對(duì)物理化學(xué)知識(shí)的理解和應(yīng)用?；诙嗄陙?lái)物理化學(xué)和物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)工作，發(fā)現(xiàn)在物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的運(yùn)行中有不少值得改進(jìn)和探討的地方。本文將在實(shí)驗(yàn)誤差、儀器精度、強(qiáng)度性質(zhì)實(shí)驗(yàn)、線上線下教學(xué)、實(shí)驗(yàn)室效率等五個(gè)方面對(duì)此進(jìn)行討論。

一、實(shí)驗(yàn)誤差問(wèn)題

不少物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)書(shū)中[1-4]會(huì)講述實(shí)驗(yàn)誤差相關(guān)知識(shí)，比如絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差、精密度和精確度、誤差傳遞等。對(duì)于實(shí)驗(yàn)誤差通常要求越小越好，包括實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)，也同時(shí)追求誤差小和精度高。但是，本科物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)中，每個(gè)步驟是否誤差越小越好呢？通常老師和學(xué)生對(duì)于這一問(wèn)題是忽視的。例如，用電子天平進(jìn)行的稱量實(shí)驗(yàn)，有時(shí)要求精確到0.1mg，有時(shí)則精確到0.1g即可。如何根據(jù)實(shí)驗(yàn)來(lái)選擇合適誤差，通常只要知道實(shí)驗(yàn)的總誤差和最大誤差的來(lái)源，學(xué)生即可選擇每一步所允許的誤差。實(shí)驗(yàn)中的最大誤差類似于動(dòng)力學(xué)中的決速步或速控步，只要降低了這一誤差，實(shí)驗(yàn)整體的誤差將大大降低。正如4×100接力賽跑，只要提高最慢人的速度，成績(jī)就會(huì)明顯提高一樣。所以，作為實(shí)驗(yàn)老師首要明確每個(gè)實(shí)驗(yàn)的最大誤差來(lái)源，并告知學(xué)生重視這一誤差，才有可能讓學(xué)生實(shí)驗(yàn)的誤差有效變小，而不是簡(jiǎn)單要求學(xué)生每一步都做到誤差最小，這不僅浪費(fèi)了學(xué)生大量時(shí)間，也沒(méi)有抓住教學(xué)的重點(diǎn)。

二、儀器精度問(wèn)題

實(shí)驗(yàn)室常用儀器精度對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有很大影響。選擇合適的儀器精度是物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)芊癯晒Φ闹匾h(huán)節(jié)?？紤]到物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)的開(kāi)設(shè)已經(jīng)很久了，所以目前常用儀器的精度基本已經(jīng)確定。那么，如何在儀器確定的情況下，進(jìn)一步提高精度呢？一般可以從兩個(gè)方面來(lái)進(jìn)行，即軟件法和附件法。軟件法的案例，比如在燃燒熱的測(cè)定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理過(guò)程中引入雷諾校正，這樣不管氧彈量熱器有無(wú)漏熱現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)精度均會(huì)有所提高。附件法是本文全新提出的一種方法。眾所周知，在物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)中會(huì)用到許多必須垂直讀數(shù)的儀器，比如滴定管、量筒、烏氏粘度計(jì)等。沒(méi)有附件時(shí)，由于每個(gè)人對(duì)垂直的要求不同，因此讀數(shù)的結(jié)果會(huì)相差很大。如果綁定一個(gè)氣泡儀與儀器相垂直，那么每個(gè)人就有了相同的標(biāo)準(zhǔn)，讀數(shù)精度也將大大提高。

三、強(qiáng)度性質(zhì)實(shí)驗(yàn)問(wèn)題

在物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)中，對(duì)于試劑的消耗是非常大的。這些被消耗的試劑最終會(huì)流入周邊環(huán)境。為了從源頭上減少污染，我們嘗試對(duì)基于強(qiáng)度性質(zhì)檢測(cè)的六個(gè)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)，即原電池電動(dòng)勢(shì)的測(cè)定、金屬鈍化曲線的測(cè)定、氯化鋅溶液活度系數(shù)的測(cè)定、溶液法測(cè)定離子遷移數(shù)、乙酸乙酯的皂化反應(yīng)（電導(dǎo)法測(cè)反應(yīng)速率常數(shù)）以及測(cè)定極性分子的偶極矩等實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行了微量化改進(jìn)?；趶?qiáng)度性質(zhì)與物質(zhì)的量的多少無(wú)關(guān)的特點(diǎn)，這種改進(jìn)在理論上不會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)精度產(chǎn)生不良影響。實(shí)際改進(jìn)后，不僅大大減少了試劑的用量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也比較理想，實(shí)驗(yàn)操作則更為方便。具體而言，對(duì)于原電池電動(dòng)勢(shì)測(cè)定實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)，在不同的溫度下，改進(jìn)后的電極和整個(gè)電池裝置均工況良好，測(cè)量值與計(jì)算值間的相對(duì)誤差小于1%。 改進(jìn)后的裝置不但克服了原裝置的不足，且每人次可減少30ml左右的試劑用量，實(shí)驗(yàn)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性都比較理想。對(duì)于金屬鈍化曲線的測(cè)定實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)，將減少藥品用量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和正常情況下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，減少藥品用量可以正常測(cè)定金屬的鈍化曲線，并且Final E（V）=1.7，掃描速度為0.01V/s最為合適，每人次實(shí)驗(yàn)減少30ml左右的試劑用量。對(duì)于氯化鋅溶液活度系數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)，改進(jìn)后的電極和整個(gè)電池裝置使用正常，各ZnCl2溶液構(gòu)成的原電池電動(dòng)勢(shì)的測(cè)量值與計(jì)算值間的相對(duì)誤差均小于0.5% 。每人次實(shí)驗(yàn)減少達(dá)50ml試劑。對(duì)于離子遷移數(shù)的測(cè)定的改進(jìn)，改造后的遷移管達(dá)到了減少試劑用量的目的，所測(cè)數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)值誤差在0.5%左右，所以方案可行。每人次實(shí)驗(yàn)至多可減少20ml試劑用量。對(duì)于乙酸乙酯的皂化反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置的改變所測(cè)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值的相對(duì)誤差小于0.5%，并且本裝置工況良好，改進(jìn)方法可行。同樣，每人次實(shí)驗(yàn)減少20ml試劑用量。對(duì)于溶液法測(cè)定極性分子偶極矩實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)，改進(jìn)后的結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值相對(duì)誤差小于0.5%，所以減少試劑的用量同樣可以得到我們需要的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。每人次實(shí)驗(yàn)至少減少20ml試劑用量。通過(guò)這一系列的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)，每輪實(shí)驗(yàn)的試劑用量將得到良好控制，極大地減輕了實(shí)驗(yàn)對(duì)環(huán)境的壓力。

四、線上線下教學(xué)問(wèn)題

在通常的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，老師在實(shí)驗(yàn)室向?qū)W生講解實(shí)驗(yàn)的原理、步驟和注意事項(xiàng)等，然后直接進(jìn)行物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)。這一模式的可取之處在于學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器能有個(gè)現(xiàn)場(chǎng)的感知，因此相對(duì)比較容易理解。特別是在學(xué)生認(rèn)真預(yù)習(xí)的前提下，效果是比較明顯的。但是，受疫情和不斷減少的實(shí)驗(yàn)課時(shí)的影響，如果仍選擇這種模式會(huì)造成人員聚集，顯然不利于防疫。那么選擇純線上教學(xué)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)，顯然又不科學(xué)。綜上所述，線上線下相結(jié)合才是當(dāng)前合適的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，即老師線上理論學(xué)習(xí)，并在線上進(jìn)行仿真操作，然后再到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)際操作，這樣既減少了實(shí)驗(yàn)課時(shí)，又避免了過(guò)多的人員聚集。不管從哪方面看，均不適為明智的選擇。

五、實(shí)驗(yàn)室效率問(wèn)題

提高實(shí)驗(yàn)室效率是大家都很關(guān)心的問(wèn)題。科技以人為本，提高效率也要以人為本。實(shí)驗(yàn)室中的人，無(wú)非是學(xué)生、老師和實(shí)驗(yàn)員，因此從三者關(guān)系入手，分析如何更好地提高效率。首先，學(xué)生是老師和實(shí)驗(yàn)員服務(wù)的對(duì)象。學(xué)生主觀上需要理解實(shí)驗(yàn)的目的、步驟和注意事項(xiàng)，特別是儀器的正確使用;客觀上要服從老師和實(shí)驗(yàn)員的要求。以實(shí)驗(yàn)登記來(lái)說(shuō)，我們要明確學(xué)生的主要目的是做實(shí)驗(yàn)，因此有必要簡(jiǎn)化登記過(guò)程?？梢栽O(shè)想引入二維碼方式，只要掃碼即完成登記，沒(méi)必要每次都寫(xiě)一些重復(fù)而冗長(zhǎng)的文字。老師如何提高效率呢？通常一個(gè)老師需要服務(wù)多位學(xué)生;因此，有主次地去幫助和發(fā)現(xiàn)學(xué)生的問(wèn)題非常必要。正如醫(yī)生治病一樣，危重病人優(yōu)先，慢性重病者其次，輕癥者最后。如何才能做到有主次，這就要求老師對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程要有很好的把控。老師間的交流非常重要，大家討論后得出統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，就可以按部就班地解決問(wèn)題了。實(shí)驗(yàn)員要同時(shí)服務(wù)于學(xué)生和老師，他們不僅要提供實(shí)驗(yàn)儀器和藥品的保障，在老師不方便時(shí)，也要指導(dǎo)學(xué)生，這類似于醫(yī)院護(hù)士的工作，同樣需要分清主次。通常一位實(shí)驗(yàn)員要負(fù)責(zé)多個(gè)實(shí)驗(yàn)室，為了方便了解每個(gè)實(shí)驗(yàn)室的實(shí)況，可在每個(gè)實(shí)驗(yàn)室安裝實(shí)時(shí)監(jiān)控，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，做到主動(dòng)服務(wù)和防患于未然。

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[4]廣西師范大學(xué)等五校合編.物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)[M].桂林：廣西師范大學(xué)出版社，1987.

Abstract： In the operation of physical chemistry laboratory， there are many points worthy of improvement and discussion. In this paper， we point out some problems in the operation of physical chemistry laboratory from five aspects： experimental error， instrument precision， strength property experiment， online and offline teaching and laboratory efficiency， and put forward some feasible solutions， hoping to be helpful to the teaching of physical chemistry experiments.

Key words： physical chemistry experiment; experiment improvement; teaching method