陳素艷，林鄭忠，歐光南，王 力，王迎迎

(集美大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，福建 廈門 361021)

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物理化學(xué)實驗教學(xué)改革的探索與實踐

陳素艷，林鄭忠，歐光南，王 力，王迎迎

(集美大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，福建 廈門 361021)

結(jié)合物理化學(xué)實驗教學(xué)中存在的問題，針對實驗課程的優(yōu)化、實驗教學(xué)方法的改進(jìn)、實驗考核制度的完善等方面進(jìn)行探索與實踐。嘗試通過建立物理化學(xué)實驗課外學(xué)習(xí)網(wǎng)站來合理分散實驗教學(xué)內(nèi)容，精選實驗項目并改進(jìn)實驗條件和優(yōu)化實驗方案實現(xiàn)課程優(yōu)化。嚴(yán)格規(guī)范實驗要求，采用實驗報告與小論文相結(jié)合的方法評價學(xué)生的實驗結(jié)果。對激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理化學(xué)實驗的興趣，引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)并掌握實驗技能，培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力、提高教學(xué)效果有重要的積極意義。

物理化學(xué)實驗；課程優(yōu)化；教學(xué)改革

物理化學(xué)實驗是集美大學(xué)食品與生物工程學(xué)院食品工程、環(huán)境工程和生物工程專業(yè)的基礎(chǔ)實驗課，是繼無機(jī)化學(xué)實驗、分析化學(xué)實驗、有機(jī)化學(xué)實驗和普通物理實驗等前修課后的一門基礎(chǔ)綜合實驗課。物理化學(xué)實驗具有理論性強(qiáng)、儀器設(shè)備多、涉及知識面廣等特點[1]。其教學(xué)目的是讓學(xué)生加深理解物理化學(xué)基本原理，提高學(xué)生對相應(yīng)知識的關(guān)注應(yīng)用能力，學(xué)會科學(xué)使用儀器、選擇合適的實驗條件、根據(jù)所學(xué)原理并結(jié)合文獻(xiàn)檢索獨立設(shè)計或改進(jìn)實驗。同時訓(xùn)練學(xué)生觀察實驗現(xiàn)象、正確記錄和處理數(shù)據(jù)、分析實驗結(jié)果的能力，培養(yǎng)學(xué)生綜合科學(xué)實驗?zāi)芰εc技能[2-4]。

近年來，由于專業(yè)設(shè)置的調(diào)整，基礎(chǔ)課程學(xué)習(xí)時間不斷地壓縮，物理化學(xué)實驗課時數(shù)也相應(yīng)地減少，在實驗次數(shù)少的情況下如何保證實驗訓(xùn)練的效果，在現(xiàn)有的實驗條件下如何改進(jìn)實驗，達(dá)到良好的實驗結(jié)果，是亟待解決的問題。

筆者結(jié)合學(xué)院的實際情況，對現(xiàn)有的物理化學(xué)實驗進(jìn)行實驗課程優(yōu)化、改進(jìn)實驗教學(xué)方法、完善實驗考核制度等問題進(jìn)行探討。以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理化學(xué)實驗的興趣，引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)并掌握實驗技能，對提高教學(xué)效果有重要的積極意義。

一 精選實驗項目、改進(jìn)實驗條件、優(yōu)化實驗方案

(一)精選實驗項目。集美大學(xué)生物工程學(xué)院屬于工科類院校，主要是培養(yǎng)能在相關(guān)的領(lǐng)域中從事運行管理、產(chǎn)品開發(fā)、科學(xué)研究等方面工作的復(fù)合型高級工程技術(shù)人才。因此，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新和實踐能力是實驗教學(xué)的主要目標(biāo)。依據(jù)專業(yè)的需求和物理化學(xué)課程內(nèi)容對培養(yǎng)本科生的基本要求，多方面考慮理論知識的涉及面，調(diào)整了實驗教學(xué)內(nèi)容。選取了熱力學(xué)、動力學(xué)、電化學(xué)、膠體與界面化學(xué)等具有代表性的實驗。如熱力學(xué)選擇“雙液系的氣液平衡相圖” 實驗；動力學(xué)選了“Ag+催化S2O82-和Cr3+反應(yīng)的動力學(xué)”實驗；電化學(xué)選擇“電導(dǎo)法測定乙酸乙酯皂化反應(yīng)速率常數(shù)”實驗；膠體與界面化學(xué)選擇“硅膠的制備”實驗等等。這些實驗對學(xué)生的思維能力、動手能力、創(chuàng)新能力等綜合素質(zhì)的培養(yǎng)具有針對性的作用。

(二)優(yōu)化實驗方案。精選實驗的同時，對某些實驗進(jìn)行改進(jìn)，優(yōu)化了實驗方案。如“雙液系的氣液平衡相圖”實驗，傳統(tǒng)做法是選擇苯-乙醇雙液體系，實驗效果較為理想，但苯在加熱時揮發(fā)性強(qiáng)、毒性大、對人體的危害大，環(huán)境污染較為嚴(yán)重。嘗試曾用丁酮代替苯，雖然丁酮的毒性弱，但是作出的雙液系相圖不是很理想，后來又改用環(huán)己烷代替丁酮，得到很好的雙液系相圖，并且環(huán)己烷對環(huán)境的污染很小。此外還采用“連續(xù)加入法”，即在沸點儀中加入環(huán)己烷(乙醇)，再逐次加入另一組分乙醇(環(huán)己烷)，使其濃度逐漸增加。該法和傳統(tǒng)的方法比較，節(jié)約了大量試劑。實驗結(jié)束后進(jìn)行廢液回收，回收液用來清洗含有油脂的玻璃器皿。還有，在“Ag+催化S2O82-和Cr3+反應(yīng)的動力學(xué)”中確定Cr3+工作波長時把溶液量由25ml減為10ml。這樣在保證實驗教學(xué)效果的前提下減少化學(xué)藥品的用量，也減少了藥品對環(huán)境的污染，實驗過程中滲透了綠色化學(xué)和環(huán)境保護(hù)教育，樹立化學(xué)實驗綠色化理念[5]。

(三)改進(jìn)實驗器材。在“電導(dǎo)法測定乙酸乙酯皂化反應(yīng)速率常數(shù)”實驗中，一般選用雙管電導(dǎo)池為反應(yīng)容器，但其具有如下缺點：第一，它的主體結(jié)構(gòu)是兩根玻璃直管，底部通過一根細(xì)玻璃彎管連接，在使用過程中細(xì)玻璃管極易斷裂。第二，雙管電導(dǎo)池中的管口過于細(xì)小，常使電極卡在管中，不易取出，容易導(dǎo)致細(xì)管斷裂或電極頭損壞。第三，在將兩種溶液混合時，需要用洗耳球擠壓A管，將A管中的溶液壓入B管中，混合時間較長，且容易將溶液倒吸入洗耳球中，導(dǎo)致測試數(shù)據(jù)不穩(wěn)定。第四，整個實驗前后有8種溶液需要預(yù)熱，只用電導(dǎo)池做實驗要花很長的時間。因此，改用兩支大試管分別測定反應(yīng)物的電導(dǎo)G0和產(chǎn)物的電導(dǎo)G∞，用叉形電導(dǎo)池測反應(yīng)溶液的電導(dǎo)Gt。操作時測定G0、G∞的兩支大試管和測Gt的叉形電導(dǎo)池同時在水浴鍋中恒溫，并加橡皮塞。這樣做可以減少洗滌和烘干儀器的時間和恒溫的時間。使用叉形電導(dǎo)池測Gt，只需將叉形電導(dǎo)池兩管的溶液搖勻混合，無需使用洗耳球擠壓。改進(jìn)后的反應(yīng)裝置簡單，操作非常方便，實驗時間大大縮短，同時避免了雙管電導(dǎo)池的弊端。測得的反應(yīng)速率與文獻(xiàn)值6.42dm3·mol-1min-1[6](在25 ℃下，氫氧化鈉濃度，乙酸乙酯濃度均為0.02mol/L)基本一致。另外，讓學(xué)生分組嘗試，測定兩種酯(乙酸乙酯、乙酸丁酯)的酯化反應(yīng)在不同溫度條件(25℃，35℃，45℃)下的反應(yīng)速率和活化能，并進(jìn)行比較和分析，從而在驗證性實驗增加了嘗試性的內(nèi)容。在實驗教學(xué)目標(biāo)上，強(qiáng)化展開性目的和表現(xiàn)性目標(biāo)，構(gòu)建新的實驗教學(xué)評價觀[7]。也使實驗具有一定的設(shè)計性，提高學(xué)生分析和解決實驗具體問題的能力及自主創(chuàng)新的能力[8](見圖1，圖2)。

圖1 雙管電導(dǎo)池示意圖(改進(jìn)前) 圖2 叉形電導(dǎo)池示意圖(改進(jìn)后)

1.NaOH，2.CH3COOC2H5，3.電導(dǎo)電極，4.洗耳球 1.NaOH，2.CH3COOC2H5，3.電導(dǎo)電極

二 建立相應(yīng)的學(xué)習(xí)網(wǎng)站，合理分散實驗教學(xué)內(nèi)容

傳統(tǒng)的實驗教學(xué)方法是課前教師先將原理、方法、步驟、注意事項等仔細(xì)講述，學(xué)生按指導(dǎo)書和教師的要求，完成規(guī)定內(nèi)容。實驗內(nèi)容多為驗證性的，即實驗結(jié)論沒做之前就已經(jīng)知道。這樣的教學(xué)方法導(dǎo)致學(xué)生養(yǎng)成了不勤于思考的懶惰習(xí)慣，對學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)極為不利。還有，由于課程學(xué)習(xí)時間的縮短，很多實驗過程所用到的知識無法在實驗課中進(jìn)行講解。因此，實驗中建立了相應(yīng)課程的網(wǎng)站，合理分散了實驗教學(xué)內(nèi)容，極大地方便了教學(xué)，為學(xué)生提供大量的信息，大幅度提高教學(xué)效果[9]。課程網(wǎng)站里有物理化學(xué)實驗教案、實驗視頻，學(xué)生可以在課余時間進(jìn)入課程網(wǎng)站，觀看實驗教學(xué)錄像，對實驗形成基本的認(rèn)識。學(xué)生有問題也可以在網(wǎng)站上留言，與教師相互交流。上實驗課時就可以很快進(jìn)入實驗狀態(tài)。課程網(wǎng)站還包括有關(guān)的實驗安全知識、常用儀器(分光光度計、阿貝折射儀、電導(dǎo)率儀等)的使用方法、實驗方法(溫度計校正法)、方案設(shè)計(正交設(shè)計方法)、數(shù)據(jù)處理軟件(如 Excel和Origin軟件)。由于大部分物理化學(xué)實驗得到的數(shù)據(jù)較多，如果通過坐標(biāo)紙作圖要花費很多時間和精力，繪制的圖形也不美觀。而用軟件作圖，可消除手工繪圖的誤差，圖形清晰美觀。所以，學(xué)生在課余時間掌握常用的數(shù)據(jù)處理軟件是很有必要的。Excel具備完整的數(shù)據(jù)分析工具，其集文字、數(shù)據(jù)、圖表和圖形為一體，數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)，容易生成圖表；Excel的操作簡便，可用于物理化學(xué)實驗數(shù)據(jù)的處理。我們在網(wǎng)站上著重介紹Excel的數(shù)值計算、圖表制作、線性回歸等功能。在實驗過程中，學(xué)生可在獲得實驗數(shù)據(jù)后立刻處理數(shù)據(jù)，如在做“雙液系的氣液平衡相圖”實驗時，現(xiàn)場就可以通過Excel作出標(biāo)準(zhǔn)曲線(左)，通過二項式擬合得到回歸方程和相關(guān)系數(shù)，并通過標(biāo)準(zhǔn)曲線繪制出平衡相圖(右)，這樣可以實時了解所測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性，及時發(fā)現(xiàn)并糾正實驗出現(xiàn)的問題(見圖3)。

圖3 學(xué)生用Excel做出的標(biāo)準(zhǔn)曲線(左)和相圖(右)

三 嚴(yán)格規(guī)范實驗要求，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度

要在實驗過程中提高自己實際工作能力，學(xué)生必須勤于動手，開動腦筋，鉆研問題，做好每一個實驗。所以嚴(yán)格規(guī)范實驗要求，具有重要的意義。

(一)課前充分預(yù)習(xí)。學(xué)生在實驗前，必須利用課程學(xué)習(xí)網(wǎng)站充分預(yù)習(xí)，且預(yù)習(xí)報告在實驗前須經(jīng)指導(dǎo)教師審閱才能進(jìn)行實驗。預(yù)習(xí)內(nèi)容包括了解實驗的目的和原理，透徹理解實驗設(shè)計的要領(lǐng)及意圖，了解儀器的構(gòu)造和使用方法，設(shè)計原始數(shù)據(jù)記錄表等。

(二)操作規(guī)范。學(xué)生操作時安全問題應(yīng)受到高度重視和警覺，學(xué)生必須嚴(yán)格按操作規(guī)程進(jìn)行操作，不得隨意更改，不會使用的儀器不得擅自亂試。有關(guān)的儀器裝置和線路安裝完畢后，須經(jīng)教師檢查無誤，方能開始實驗。

(三)實驗記錄。實驗記錄必須根據(jù)實驗事實，真實完整地記錄相關(guān)的操作和數(shù)據(jù)。每一頁實驗記錄應(yīng)該編碼并記下實驗日期、室溫、大氣壓和溫度、濕度等環(huán)境條件。若發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)有異常情況，要及時報告教師。如果需要改正數(shù)據(jù)，只能在不正確的數(shù)據(jù)上劃一條線，然后在原數(shù)據(jù)旁邊寫上正確的數(shù)據(jù)。不可涂黑或在原有的數(shù)據(jù)上改動，并在實驗過程中尋找機(jī)會核對計算。這樣做是十分有益的，因為實驗過程中可能由于一個早期讀數(shù)錯誤，或者某一個不正確的操作都會導(dǎo)致后期的實驗徒勞無功，浪費時間和精力。

四 改革課程考試考核方法，實驗報告與小論文相結(jié)合

(一)實驗報告的設(shè)計。書寫實驗報告是實驗課程的基本訓(xùn)練，它能提高學(xué)生在實驗數(shù)據(jù)處理、作圖、誤差分析、總結(jié)規(guī)律等方面的能力。我們要求實驗報告必須有封面(包括實驗題目、日期、姓名和合作者)、內(nèi)容(實驗?zāi)康?、原理、步驟和結(jié)果討論)。學(xué)生在書寫實驗報告時應(yīng)注意，報告應(yīng)簡明易懂，條件詳備。報告的重點應(yīng)放在對實驗數(shù)據(jù)的處理和對部分結(jié)果的分析討論上。

(二)實驗報告與小論文相結(jié)合。以往在物理化學(xué)實驗課程上采用的考核方法為“操作考察(60%)+實驗報告成績(40%)”。學(xué)生認(rèn)為只要做了實驗，得到結(jié)果，就是完成了任務(wù)，忽視了實驗設(shè)計的思想，這樣做不利于獨立思考、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，很大程度上影響了他們把知識和技能向研究能力的轉(zhuǎn)化。據(jù)此，提出了以“設(shè)計實驗考試(40%)+平時實驗操作(30%)+實驗報告(30%)”作為物理化學(xué)實驗成績評定的方法。讓學(xué)生重視實驗設(shè)計，增強(qiáng)學(xué)習(xí)的主動性。如設(shè)計實驗選用“硅膠的制備”，學(xué)生需要自主學(xué)習(xí)正交實驗設(shè)計法，了解正交表試驗方案的設(shè)計，選擇溶液的pH值、二氧化硅含量、溫度等三種因素考察對二氧化硅膠凝時間的影響，最后設(shè)計出實驗方案。實驗完畢后以小論文的形式提交實驗報告。通過撰寫小論文，學(xué)生可熟悉論文的格式，學(xué)會在網(wǎng)上查閱文獻(xiàn)，教師通過小論文更好地了解學(xué)生動手能力及分析問題能力。通過小論文的撰寫鍛煉，逐步提高學(xué)生對論文結(jié)構(gòu)的了解和掌握，鍛煉了書寫的表達(dá)能力，為大學(xué)四年級的畢業(yè)論文的寫作打好基礎(chǔ)。

通過對物理化學(xué)實驗教學(xué)探索與實踐，發(fā)現(xiàn)這種實驗教學(xué)方法能明顯激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理化學(xué)實驗的興趣。學(xué)生在學(xué)習(xí)中注重了實驗設(shè)計，也明白了研究能力和創(chuàng)新意識的重要性。實驗教學(xué)改革涉及到教學(xué)過程的許多因素，仍需要研究者多方面、多層次的思考和努力。

[1]侯向陽，高樓軍，李東升，等．物理化學(xué)實驗教學(xué)改革實踐與再思考[J]．實驗室研究與探索，2006，25(11):1423-1425.

[2]孫爾康，徐維清，邱金恒．物理化學(xué)實驗[M]．南京: 南京大學(xué)出版社，1998：1-2.

[3]鄭傳明，呂桂琴．物理化學(xué)實驗[M]．北京: 北京理工大學(xué)出版社，2005：1.

[4]復(fù)旦大學(xué)．物理化學(xué)實驗[M]．北京: 高等教育出版社，2004：1.

[5]賴海濤．在化學(xué)教學(xué)中融入綠色化學(xué)的教學(xué)方法[J]．集美大學(xué)學(xué)報：教育科學(xué)版，2004，5(1)：82-85.

[6]傅獻(xiàn)彩，陳瑞華．物理化學(xué)下冊：第3版[M].北京：人民教育出版社，1980:178-182.

[7]歐光南，何碧煙．乘著雙模嘗試的翅膀[J].International Conference on Education Reform and Management Innovation，2012:50-56.

[8]葛華才，劉仕文，蔣榮英．物理化學(xué)實驗教學(xué)中創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[J]．實驗室研究與探索，2006，25 (11):1421-1422;1425.

[9]鐘惠萍，王 力，余 祥,等．食品專業(yè)有機(jī)化學(xué)課程教學(xué)的新模式[J]．內(nèi)蒙古民族大學(xué)學(xué)報，2011，17(5) :156-157.

(責(zé)任編輯：吳姝)

Exploration and Practice of Physical Chemistry Experimental Teaching Reform

CHEN Su-yan,LIN Zheng-zhong,OU Guang-nan,WANG Li，WANG Ying-ying

(College of Food and Biological Engineering, Jimei University, Xiamen 361021, China)

To solve the problems in physical chemistry experiments teaching in the college，the exploration and practice are conducted about the optimization of the experiment course, the improvement of the teaching method and the perfection of the examination system. The optimization of the experiment course is realized by using the extra-curricular learning website to disperse the experimental teaching contents, selecting the experimental project, improving the experiment conditions and optimize experiment project. Strictly regulate the experimental requirements and combine the experimental results with experimental paper to evaluate the experimental results of students. The exploration and practice are of great significance in many aspects such as stimulating students' interest in physical chemistry experiment, guiding students to learn independently and master the experimental skills, as well as developing students’ abilities to analyze and solve problems. As the result the practice has achieved better teaching effects.

physical chemistry experiment; optimizing course ; teaching reform

2014-06-12

教育部留學(xué)回國人員科研啟動基金第44批(201210100002)；大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目(201410390009)

陳素艷(1971— )女，福建漳州人，集美大學(xué)食品與生物工程學(xué)院高級實驗師，碩士，主要研究方向為食品科學(xué)。

G 642

1671-6493(2015)02-0085-04