“四化”新理念的物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革研究

羅虎，嚴(yán)軍，冉薇，張權(quán)鳳(廣西民族大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，廣西 南寧 530006)

0 引言

作為一門(mén)重要的基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程，物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)的有效開(kāi)展，在中心科學(xué)物理化學(xué)理論課程所涉及的相關(guān)概念、原理的理解和運(yùn)用上，起到舉足輕重的作用。在高等本科院校的培養(yǎng)體系中，開(kāi)設(shè)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的專業(yè)，覆蓋化學(xué)、化工、藥學(xué)、環(huán)境、材料等理工科方向，覆蓋的學(xué)科專業(yè)范圍廣，交叉滲透程度深。然而，在傳統(tǒng)的物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)上，普遍存在實(shí)驗(yàn)藥品具有一定毒性、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的靈活性和創(chuàng)新性不足、學(xué)生缺乏主動(dòng)學(xué)習(xí)動(dòng)力、操作動(dòng)手能力培養(yǎng)效果不佳等問(wèn)題。2020年7月，教育部和工信部聯(lián)合發(fā)布《現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)學(xué)院建設(shè)指南(試行)》，明確提出在特色鮮明、與產(chǎn)業(yè)緊密聯(lián)系的高校建設(shè)若干與地方政府、行業(yè)企業(yè)等多主體共建共管共享的現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)學(xué)院，以培養(yǎng)適應(yīng)和引領(lǐng)現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)發(fā)展的高素質(zhì)應(yīng)用型、復(fù)合型、創(chuàng)新型人才，支撐經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展，推動(dòng)高校分類發(fā)展和特色發(fā)展。該文件對(duì)理工科專業(yè)的人才培養(yǎng)提出了新的要求，即現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)學(xué)院將更重視對(duì)學(xué)生的應(yīng)用及創(chuàng)新能力進(jìn)行培養(yǎng)和提升。作為多個(gè)現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)學(xué)院的核心驅(qū)動(dòng)課程，為了進(jìn)一步提升物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生產(chǎn)業(yè)素養(yǎng)的培育能力，有必要對(duì)其教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法進(jìn)行重新梳理、有效整合、創(chuàng)新探索。通過(guò)新理念和新思維的積極融入，特別是將環(huán)?；?、串聯(lián)化、獨(dú)特化與創(chuàng)新化的“四化”新理念在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中進(jìn)行有效注入，才能打造出更匹配現(xiàn)代(化工、藥學(xué)、環(huán)境、材料)產(chǎn)業(yè)學(xué)院育人要求和培養(yǎng)體系的實(shí)驗(yàn)課程。從依托產(chǎn)業(yè)和服務(wù)產(chǎn)業(yè)的角度出發(fā)，在“四化”新理念中融入對(duì)現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)人才的實(shí)際培養(yǎng)需求，大膽創(chuàng)新教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式，從而使培養(yǎng)的學(xué)生能夠更接底氣，與現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)行業(yè)的發(fā)展同向而行，從知識(shí)儲(chǔ)備、創(chuàng)新意識(shí)、理想信念等方面對(duì)其進(jìn)行全面定向培育，從而為國(guó)家培養(yǎng)信念堅(jiān)定、基礎(chǔ)扎實(shí)、創(chuàng)新活躍的新型理工類人才[1-3]。

1 傳統(tǒng)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的不足

(1)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)用品性質(zhì)了解不夠。物理化學(xué)的部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容所使用的藥品、材料、試劑及反應(yīng)廢棄物等，具有一定的生理或者環(huán)境毒性。雖然在國(guó)家大力推行廢棄物集中收集和專業(yè)處理等方式后，有毒藥品和廢棄物等對(duì)環(huán)境、人體健康的影響大幅減少，但學(xué)生無(wú)法直接參與這些無(wú)害化處理的方式和過(guò)程，難以在其觀念中直接培養(yǎng)“綠水青山就是金山銀山”的環(huán)保信念，更難以形成、加深對(duì)綠色環(huán)保化學(xué)與人類可持續(xù)發(fā)展的良性互動(dòng)關(guān)系的理解。

(2)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的靈活性和創(chuàng)新性不足。在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)劃上，理論原理驗(yàn)證型的單一實(shí)驗(yàn)占比過(guò)大，實(shí)驗(yàn)數(shù)量和時(shí)長(zhǎng)超過(guò)總課程的一半。而具有知識(shí)高度串聯(lián)、專業(yè)深度針對(duì)、地域鮮明特色的綜合設(shè)計(jì)類實(shí)驗(yàn)比例偏低，與現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)學(xué)院的培養(yǎng)方向背道而馳，難以對(duì)學(xué)生的框架思維和創(chuàng)造意識(shí)進(jìn)行定向培育，導(dǎo)致學(xué)生畢業(yè)后進(jìn)入企業(yè)水土不服，需要企業(yè)耗費(fèi)大量時(shí)間和精力對(duì)其進(jìn)行重新培訓(xùn)。

(3)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的動(dòng)力調(diào)動(dòng)不足。物理化學(xué)的課程特點(diǎn)，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)所涉及的理論和原理較為抽象，且描述性的文字和公式較多。加上課程指導(dǎo)老師的上課時(shí)間有限，學(xué)生數(shù)量偏大且較為分散，對(duì)預(yù)習(xí)情況的檢查普遍以抽查為主，缺乏和學(xué)生的交流互動(dòng)。這種情形導(dǎo)致學(xué)生對(duì)待實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)的態(tài)度不夠端正，容易抱有逃避心理，只是純粹機(jī)械式復(fù)制抄寫(xiě)課本上的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，沒(méi)有與理論課程進(jìn)行有效關(guān)聯(lián)、細(xì)致分析，對(duì)實(shí)驗(yàn)步驟缺乏深入的思考和判斷，實(shí)驗(yàn)的預(yù)習(xí)效果呈現(xiàn)表面化、膚淺化的不利趨勢(shì)。

(4)操作動(dòng)手能力培養(yǎng)效果不佳。物理化學(xué)的實(shí)驗(yàn)儀器中，較大部分的結(jié)構(gòu)造型比較復(fù)雜，或者使用步驟較為繁瑣。如果學(xué)生僅僅憑借課本的簡(jiǎn)單描述，以及指導(dǎo)老師的課堂集中演示和講解，大多無(wú)法完全熟悉并掌握儀器的正確操作方法，從而在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中常常出現(xiàn)手足無(wú)措，瞻前顧后，實(shí)驗(yàn)難以進(jìn)行下去的情況。一旦頻繁出現(xiàn)這些情形，指導(dǎo)老師就需要對(duì)這部分學(xué)生予以特別關(guān)注，不斷進(jìn)行實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)或者操作，而難以顧及其余學(xué)生的實(shí)驗(yàn)具體操作，造成學(xué)生整體的操作思維和動(dòng)手能力培養(yǎng)效果不佳，成效不明顯。

2 環(huán)?；倪M(jìn)

相對(duì)于無(wú)機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)和分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)，物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)過(guò)程涉及的有毒藥品和廢棄物相對(duì)較少，導(dǎo)致學(xué)科教育方面，向來(lái)對(duì)藥品選擇和廢棄物排放等問(wèn)題的關(guān)注度不夠[4-5]。然而，通過(guò)仔細(xì)分析市面上流行的教材發(fā)現(xiàn)，物理化學(xué)的一些實(shí)驗(yàn)內(nèi)容所使用的藥品、材料、試劑及反應(yīng)產(chǎn)生的廢棄物等，具有一定的生理或者環(huán)境毒性。因此，很有必要對(duì)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和方法進(jìn)行減害化或者無(wú)害化設(shè)計(jì)，促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的環(huán)保化改進(jìn)。此外，應(yīng)通過(guò)多種方式，讓學(xué)生親身體會(huì)、親自參與綠色環(huán)保化的改進(jìn)工程，從而真正將環(huán)保意識(shí)和可持續(xù)理念深植于心，培養(yǎng)出自覺(jué)的綠色設(shè)計(jì)能力。在充分考慮學(xué)校實(shí)際和采購(gòu)預(yù)算的基礎(chǔ)上，可以嘗試開(kāi)展如下工作：試劑無(wú)苯無(wú)汞化，比如在燃燒熱測(cè)定實(shí)驗(yàn)中，測(cè)定物質(zhì)的選擇上，可選用赤蘚糖醇、山梨糖醇等代糖物質(zhì)，替換萘等有毒物質(zhì)；設(shè)計(jì)小輕微量化，在保證實(shí)驗(yàn)展示效果的基礎(chǔ)上，重新設(shè)計(jì)或者更新實(shí)驗(yàn)裝置，通過(guò)縮減物質(zhì)反應(yīng)空間，提高檢測(cè)靈敏度等方式，達(dá)到減少藥品消耗量，從而直接降低廢棄物的產(chǎn)量，并有效縮短反應(yīng)時(shí)間，提高實(shí)驗(yàn)效率；測(cè)試材料開(kāi)放化，在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)上，提供多種無(wú)毒物質(zhì)和低毒物質(zhì)，讓學(xué)生自由選擇實(shí)驗(yàn)材料，通過(guò)直觀的氣味、間接的廢棄物處理等形式，加深學(xué)生對(duì)于綠色環(huán)保的感受和理解，培養(yǎng)和提高對(duì)“綠水青山就是金山銀山”環(huán)保信念的認(rèn)識(shí)；測(cè)量技術(shù)數(shù)字化，比如采用數(shù)字式測(cè)溫儀，取代含汞溫度計(jì)，采用數(shù)字式壓力測(cè)試儀，取代含汞壓力計(jì)。

3 串聯(lián)化改進(jìn)

通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的細(xì)致分析，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)體系呈現(xiàn)知識(shí)單一、缺乏關(guān)聯(lián)的局面。具體體現(xiàn)為，大部分實(shí)驗(yàn)的原理知識(shí)單一化、片面化，沒(méi)有形成具有綜合、整體、連貫特點(diǎn)的串聯(lián)型大知識(shí)框架結(jié)構(gòu)，不利于學(xué)生對(duì)照理論課程內(nèi)容和知識(shí)進(jìn)行整體理解和全面掌握。要突破這一困局，則需要精心挑選實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，對(duì)實(shí)驗(yàn)體系進(jìn)行串聯(lián)化大改造，從而大力凸顯實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的科學(xué)復(fù)合性和實(shí)驗(yàn)方法的全面多樣性[6]。

相對(duì)于傳統(tǒng)的分散型實(shí)驗(yàn)體系，串聯(lián)型實(shí)驗(yàn)體系要將全書(shū)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行模塊化分解，形成單一的知識(shí)點(diǎn)或研究方法。并根據(jù)院校的實(shí)際實(shí)驗(yàn)條件，遴選具有一定相關(guān)性的多個(gè)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行有機(jī)串聯(lián)，從而整合形成對(duì)學(xué)生具有全面培養(yǎng)作用的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。比如我們可以根據(jù)采購(gòu)的便利性、物質(zhì)的儲(chǔ)存性，從數(shù)量龐大的天然物質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)中，摘選某種無(wú)毒的固體物質(zhì)，再以其為中心，從多方面設(shè)計(jì)相關(guān)的串聯(lián)實(shí)驗(yàn)，將動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)、催化過(guò)程、電化學(xué)等相關(guān)理論知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行緊密關(guān)聯(lián)，同時(shí)整合使用多種實(shí)驗(yàn)手段和方法，從而促使實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的知識(shí)框架和研究方法達(dá)到系統(tǒng)性、一體性的效果。以蔗糖為例，可以設(shè)計(jì)燃燒熱的測(cè)定，水解反應(yīng)的速率常數(shù)測(cè)定，不同催化劑下水解反應(yīng)的速率測(cè)定，微生物燃料電池設(shè)計(jì)等串聯(lián)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)。

4 獨(dú)特化改進(jìn)

作為中心科學(xué)的物理化學(xué)，藥學(xué)、環(huán)境、材料等專業(yè)和相關(guān)產(chǎn)業(yè)對(duì)其的有效需求，必然與化學(xué)化工專業(yè)存在一定的差異性。如果在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)，沒(méi)有考慮到專業(yè)差異性，那么千篇一律的實(shí)驗(yàn)安排，將難以調(diào)動(dòng)不同專業(yè)、不同學(xué)科學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，更會(huì)使其產(chǎn)生物理化學(xué)課程與自身專業(yè)毫無(wú)聯(lián)系的感官錯(cuò)覺(jué)[7-8]。因此，在面向不同產(chǎn)業(yè)方向的實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)時(shí)，需要體現(xiàn)授課專業(yè)的特色及需求，增加設(shè)置專業(yè)關(guān)聯(lián)度高的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，融合產(chǎn)業(yè)需求，從而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)關(guān)注力。比如在測(cè)量物質(zhì)水解反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)中：藥學(xué)專業(yè)可以選擇阿司匹林、利多卡因等不同種類的藥物，建立相應(yīng)藥物的水解動(dòng)力學(xué)模型，加深對(duì)藥物結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定性關(guān)系的理解；環(huán)境專業(yè)則可以選擇觀察氯胺、二氧化氯等消毒劑的水解過(guò)程，直接感受消毒劑的作用時(shí)長(zhǎng)，強(qiáng)化對(duì)消毒劑使用條件的記憶。高分子專業(yè)可以考察聚乳酸等易于水解的高分子，幫助學(xué)生樹(shù)立高分子環(huán)?；睦砟?；新能源專業(yè)可以針對(duì)不同鋰離子電解液中的鋰鹽成分，進(jìn)行水解反應(yīng)測(cè)試，從而進(jìn)一步加深對(duì)陰離子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的認(rèn)識(shí)。在專業(yè)匹配模式的指導(dǎo)下，對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和安排進(jìn)行獨(dú)特化改進(jìn)，將讓不同專業(yè)的學(xué)生對(duì)物理化學(xué)在本專業(yè)中的實(shí)際應(yīng)用，有了更直接和深刻的體會(huì)，從而在源頭上有效激發(fā)出學(xué)習(xí)的原動(dòng)力。另外，物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和知識(shí)框架的改進(jìn)應(yīng)立足于學(xué)校的學(xué)科優(yōu)勢(shì)與特色，才能做到課程的獨(dú)特化。例如我們立足于廣西民族大學(xué)的“民族性、區(qū)域性、國(guó)際性”研究特色，以及化學(xué)化工學(xué)院的優(yōu)勢(shì)研究方向，對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行了眾多獨(dú)特性調(diào)整。比如：溶液吸附法測(cè)定固體比表面積的實(shí)驗(yàn)對(duì)象，從活性炭轉(zhuǎn)變?yōu)橐劳袕V西豐富松香資源所合成的吸附樹(shù)脂，加深了學(xué)生對(duì)廣西豐富林業(yè)資源的認(rèn)識(shí)。在線性電位掃描法測(cè)定金屬的極化曲線實(shí)驗(yàn)中，鎳電極可以更換為錳電極等具有廣西特色的有色金屬材料。燃燒熱實(shí)驗(yàn)的檢測(cè)對(duì)象，將從萘更新為產(chǎn)量位居全國(guó)第一的廣西蔗糖。黏度法測(cè)定水溶性高聚物相對(duì)分子量的實(shí)驗(yàn)對(duì)象選用水溶性的長(zhǎng)鏈淀粉材料。涉及商品化碳材料的實(shí)驗(yàn)，則可以更換為使用廣西甘蔗渣熱解合成的新型碳材料。只有將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與地域獨(dú)特性、學(xué)科獨(dú)特性進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，精心整合，才能在保證實(shí)驗(yàn)原理的教授和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的重現(xiàn)基礎(chǔ)上，進(jìn)一步突出院校在科研優(yōu)勢(shì)方面的獨(dú)特性。

5 創(chuàng)新化改進(jìn)

受制于設(shè)備數(shù)量、空間大小和學(xué)時(shí)長(zhǎng)短的限制，物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)難以實(shí)現(xiàn)內(nèi)容開(kāi)設(shè)全面覆蓋、學(xué)生操作全面參與。在這種情況下，學(xué)生的學(xué)習(xí)主觀能動(dòng)性下降，實(shí)驗(yàn)的操作動(dòng)手能力鍛煉有限，難以發(fā)揮物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的培養(yǎng)潛力[9-10]。積極將微課和虛擬仿真等創(chuàng)新化教學(xué)手段與課堂教學(xué)進(jìn)行定向連接，有助于釋放學(xué)生探索的內(nèi)動(dòng)力。

一方面，物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)充分利用微課所具有的片段化、視覺(jué)化的特點(diǎn)。比如指導(dǎo)老師對(duì)實(shí)驗(yàn)原理進(jìn)行通盤(pán)考慮，對(duì)其中的核心知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行科學(xué)分解和再加工，然后將其錄制成時(shí)長(zhǎng)不超過(guò)5 min的微課內(nèi)容，并提前一周發(fā)送給學(xué)生，供其作為預(yù)習(xí)的輔助材料，將非常有利于學(xué)生克服膽小和畏難的心態(tài)，轉(zhuǎn)而積極投身預(yù)習(xí)的工作中。同理，將復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程合理拆分為分步步驟，然后將其錄制為多段微課，幫助學(xué)生提前了解儀器的正確操作步驟和實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)，對(duì)后續(xù)實(shí)際實(shí)驗(yàn)過(guò)程中遇到的操作問(wèn)題，也能有效推動(dòng)其主動(dòng)觀看，設(shè)法解決，從而切實(shí)提高實(shí)驗(yàn)效率和動(dòng)手操作的效果。另一方面，應(yīng)加大虛擬仿真在物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程中的應(yīng)用。虛擬仿真可以通過(guò)軟件的靈活設(shè)置，高精度還原實(shí)驗(yàn)室的真實(shí)場(chǎng)景，并提供豐富多樣的儀器和藥品原料，可以供學(xué)生自由發(fā)揮想象力，靈活組合、連接和調(diào)變各種參數(shù)，從而激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，切實(shí)提高在實(shí)驗(yàn)課堂以外的動(dòng)手能力。

6 結(jié)語(yǔ)

在建設(shè)現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)學(xué)院的新要求下，物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)迫切需要進(jìn)行新嘗試、新理念的改革。通過(guò)加大串聯(lián)型實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的比例，結(jié)合專業(yè)和院校特色的內(nèi)容獨(dú)特化改造。同時(shí)，將環(huán)保綠色的教育理念直接融入學(xué)生的學(xué)習(xí)體會(huì)，將微課和虛擬仿真與課堂教學(xué)深度融合，實(shí)現(xiàn)將環(huán)?；?、串聯(lián)化、獨(dú)特化和創(chuàng)新化的“四化”新理念在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中有機(jī)注入，助力打造更適合現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)學(xué)院培養(yǎng)體系的實(shí)驗(yàn)課程。