大學物理化學實驗教學探討

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摘要：本文簡要概括了物理化學實驗在化學化工類專業本科教學體系中的地位和作用?？偨Y了大學物理化學實驗教學實踐中存在的問題及原因，提出了物理化學實驗教學改革的必要性和重要性。并從激發學生的學習主動性，鍛煉學生的思維能力及培養學生的創新意識的角度出發，提出了拓展式、開放式及探索式等三種新的教學設計思路，以改變目前偏保守、呆板的教學內容安排、教學思路和教學方式的設計。

關鍵詞：物理化學實驗；教學改革；能力培養

化學反應從本質上講，就是分子、原子間相互作用、相互結合方式及運動方式的變化，在這些變化過程中總是引起能量形式的變化，從宏觀上表現為化學變化過程總是伴隨著光、熱、電等物理現象。物理化學作為化學學科的重要分支之一，它正是利用了物理學的原理和實驗技術，從化學現象和物理現象的聯系去尋找化學變化規律的學科。物理化學研究的是化學的一般性理論問題，因此它是化學學科的理論基礎，一度被稱為“理論化學”[1]。物理化學將就理論與實驗并重，具體體現在物理化學的基本原理都是通過大量實驗事實概括、歸納出來的，同時物理化學的理論必須能被實驗事實所檢驗。因此，學好物理化學的一個重要途徑是做實驗，通過實驗以及對實驗現象的觀察、記錄和分析等，發現和驗證物理化學原理，獲得和鞏固物理化學知識，并訓練科學探索的思維能力和實驗技能。

一當前大學物理實驗教學的現狀

物理化學實驗在目前的本科教學體系中一般都是單獨設課，物理化學實驗通常作為最后一門基礎化學實驗課程出現，其在基礎化學實驗和后續的化工原理實驗及其他專業實驗課程之間起承上啟下作用[2]。物理化學實驗課程的學習效果不僅能檢驗學生對已學知識的掌握和熟練程度，同時能為后續的專業綜合訓練奠定重要的基礎。物理化學實驗內容具有很強的綜合性，不僅涉及較難的數學、物理和化學等課程的理論知識基礎，同時也是一門實踐性和技術性很強的課程[3]。不僅要求學生能綜合運用已掌握的大學課程基礎知識，如高等數學、四大基礎化學、物理學、大學計算機基礎等；還要求學生能較熟練地操作溶液配制、物料加熱、滴定分析等化學實驗基本操作技能；另外，作為課程的另一重要特征，物理化學實驗涉及到熱、力、電、光、磁等物理量的測定，因此通常需要操作大型分析儀器和一些復雜的專用玻璃儀器[4]。物理化學實驗在化學化工專業教學過程中的地位和作用決定了其應該予以應有的重視。然而，由于某些主觀和客觀的原因，當前的物理化學實驗教學中還存在多方面的問題，需要認真改進。首先是教學條件方面。由于大型精密儀器設備的價值較高，一般院校不太可能頻繁更新，因此在物理化學實驗室見到儀器已被使用十幾甚至二十幾年是很常見的。部分儀器由于超過了使用年限，性能不夠穩定，測得的數據誤差過大，得不到合理的實驗結果，這嚴重削弱了學生認真完成實驗和主動思考問題的積極性。另一方面，由于儀器設備更新不及時還容易導致人才培養與社會需求脫節。有些老舊儀器操作繁瑣，在實踐中早已被自動化程度和集成度更高的新式儀器所淘汰，如自制熱電偶、托盤天平，電光分析天平、阿貝折射儀等。這些儀器的學習和使用通常會占據大量課堂時間，不僅使學生將有限的精力投入到可能今后基本不會用到的地方，還使學生錯過機會訓練在實際應用場合中真正需要經常使用的儀器設備的使用。其次是教學環節方面。這方面的問題主要表現在兩方面：其一是教學環節保守，實驗內容陳舊，多數甚至全部實驗內容都源于傳統教材的經典實驗項目。這種內容的安排有其可取的一面，即教學過程容易把控，能最大限度地保證學生在規定的時間內完成實驗內容，達到可預見的訓練目標。當這種方式的弊端也非常明顯，這類經過反復驗證的成熟實驗內容，實驗沒做之前結論就已知，很容易使學生放棄思考，機械式的完成實驗任務，嚴重扼殺學生的思維能力和創新意識。其二是教學方法和考核方式單一，長年累月地采取課上老師先講解，后學生動手實驗，課后完成實驗報告，期末進行考察的教學方式。且考核內容基本上不脫離陳舊的教學內容，有時甚至全憑授課教師的主觀印象。這樣，學生在整個教學環節中是被動參與者的角色，很難將本課程的專業知識內化為個人的專業素養和實踐能力。再次是教師授課方面。在前述篇保守的傳統教學環節中，教師主動性強。教師授課的質量對教學效果具有非常重要的影響。物理化學實驗的教師主要由理論課老師兼任，但由于種種原因物理化學教學未被賦予與理論教學同等重要的地位，有時甚至被淪為理論課的附屬課程的地位上，導致大量授課教師對物理化學實驗教學不夠重視。導致的結果是，沒有主動性去更新知識結構，研究學生的知識學習、素質提升和能力培養的內在聯系，忽視學生在學習過程的需求。將實驗教學過程視為規定動作，為了完成實驗而實驗。由于物理化學實驗的綜合性和復雜性，學生在實驗過程中遇到的問題較多，而且很多時候很難直觀地找到原因。這時，需要老師與學生一同鉆研才能找到答案。但很多老師采取的敷衍推諉的態度，其實教師的深度參與不僅有利于學生的學習，而且對教師教學水平的提高和科研能力的鍛煉都有積極作用。最后是學生學習方面。由于在上述教學環節模式下，學生是被動參與者，往往過分依賴教師指導。為了完成教學任務，教師沒有足夠的精力對預習環節把關，而且也難以合理評價，因此學生對課前的實驗預習只是應付式地完成任務，預習效果較差。教師在課上先講解實目的、原理、步驟，并進行演示。由于預習效果較差，學生僅憑對實驗理論知識的粗淺理解動手做實驗，實驗過程就成了按現成的步驟機械操作，最后已詳細制定的模式處理實驗數據完成實驗報告即可。在整個過程中，學生需要思考的機會很少，遇到問題也不會分析。因此教學過程完成后學生學到的多是陳述性知識，而能力的培養較少。另外，當前的教學模式下容易讓學生以為實驗課比理論課容易過關，從而對物理化學實驗課重視程度不夠。學生的實驗興趣較低，缺乏實事求實的態度和深入探究的精神，對于實驗失敗和異常的現象候束手無策，容易采回避態度，錯失了分析問題、解決問題的機會。最終導致的結果是課程的教學效果難以達到理想的狀態，對學生的專業能力發展極為不利。

二物理化學實驗教學面臨問題的解決思路

總體而言，教學條件方面的問題屬于客觀方面的問題，而且主要集中于辦學經費有限的地方高校，其解決主要靠加大投入，其解決思路較簡單。隨著國家和地方對高等教育投入的不斷加大，地方院校資金來源會增多，獲得的資助強度會增大，如省部共建、學科建設、平臺建設等方面都有專項資金用于支持人才培養工作，其中教學條件的改善是重要方面，物理化學實驗室應積極爭取相關的資金支持。另外為了降低大型儀器購置和維護成本，可以采取物理化學實驗與儀器分析實驗及科研專題實驗共享大型儀器的方式，或者物理化學實驗與儀器分析課程實驗融合的方式，而這方面國內知名高校復旦大學已經有相關經驗[5]。通過上述方法，相信這一問題能得到較好的解決。而對于教學過程、教師的“教”以及學生的“學”等方面的問題，主要是主觀方面的原因，其解決需要多方共同努力。通過加強教師教學技能培訓和教學過程的監督，能幫助教師提升教學技能，促進教師更認真地完成既定的教學任務；通過加強學生學習過程的督促，能使學生學習態度更端正，促進學生更好的完成學習任務。但是上述手段只能在一定程度上改善物理化學實驗課程的教學面貌，難以從根本上提升課程的教學效果。只有正視本課程的教學現狀，客觀分析當前的不足，針對性地改革課程教學內容和模式，才能更有效地解決所面臨的問題，從而更有力地促進本科課程教學體系的建設和更新，更好地實現物理化學實驗課程在本科教學體系中應有的地位和作用。根據筆者多年的教學經驗，要有效地改革物理化學課程教學，最重要的是改革目前保守、呆板的教學內容安排、教學思路和教學方式的設計。本人認為合理使用以下三種新的教學設計思路，有可能使本課程的教學效果顯著改進。當然，這些教學方法相信不少同行在實踐中已經嘗試使用，本人在此加以總結之。（一）拓展式實驗教學法。這種方基于現有的常規教學方式，在教學過程中將實驗內容涉及的科學知識或實驗技能拓展至實際應用中或者學科發展前沿。通過將實驗內容拓展，能較好地調動學生的學習興趣，調節呆板教學模式下課堂教學的枯燥氣氛。讓學生感受到所學內容是有很好的應用價值，并引導學生將知識應用，從而激發其鉆研精神。例如在講解二元氣-液平衡相圖或三元液系相圖時，一般學生都學了化工原理等工科課程，因此可以將實驗內容與精餾塔或萃取塔的設計聯系起來。課后可以要求學生利用實驗中獲得的基礎數據，完成簡單的設計和計算步驟。通過采取這種方式，學生在實驗過程意識到獲得的實驗數自己需要用到，會起到較好的鞭策作用，激發學生的積極性和主動性。另一方面，學生意識到實驗內容應用價值后，雖然實驗任務加重，壓力增大了，但并不感到枯燥，反而能激發解決問題的挑戰精神。甚至，還可以把化工原理或分離工程的課程設計與相關實驗教學結合進行，可能效果會更佳。另一種方式是任課教師在閱讀科研文獻時，選擇一篇合適的研究性論文，其中運用到所講授的實驗內容作為研究手段。在授課前給學生們認真閱讀，待實驗完成后，根據文獻所述的研究對象和研究目的書寫一個完整的實驗方案。這種方式能較好地激發學生的研究興趣，鍛煉學生的科研能力，也是拓展式實驗教學法的一種方式。（二）開放式實驗教學法。該方法最重要的特點在于“開放性”，即沒有確定的標準答案，只要能達到實驗目的，學生可以自主選擇實驗工具和方法。該方法與當下常規的實驗教學模式形成鮮明的對比，能有效地克服學生的思維惰性，促使學生全身心參與到實驗中。學生在收到實驗題目后，可以充分運用所學知識設計實驗方案解決問題。同時鼓勵學生充分發揮創造性思維，可以不按常規的思路設計實驗方案，只要方案能執行且能達到題目所要求的目的。在這個過程中，教師需要把握題目的設計，應該難度適中，且實驗室能提供足夠的條件讓學生完成題目設定的任務。同時，教師應對學生設計的實驗方案把關，一方面不輕易扼殺學生的創新思維，另一方面對明顯不合理的設計方案應該與學生充分討論，并指導其把握科學合理設計實驗方案的基本原則。實驗方案獲得認可后，教師仍應觀察和指導學生的執行過程，及時幫助學生解決實驗過程中可能出現的問題，增強學生的自信心。例如，筆者曾與同事一起設計了一道開放性實驗題目：給學生提供一系列無色透明的液體，學生可以從中任選兩種。然后教師告知學生兩種液體的名字，要求學生利用物理化學的方法將二者鑒別出來，要求設計實驗方案并在實驗室操作和完成實驗報告。實踐表明，學生的思維發散度較高，即使某些學生抽到的題目一樣，但提出的實驗方案大多不盡相同，簡單的可能通過比較溶解度、密度等；難度大一點的可能需要測沸點、測光譜等。我們認為此類題目比較能激發學生的學習興趣，對提高學生的學習主動性，強化學生動手能力和思維能力有較大的幫助。（三）探究式試驗教學法。探究式試驗教學法以激發學生分析問題和解決問題的積極性，鍛煉學生的科研能力為目標，其難度和深度較拓展式實驗教學法更大。該方法是將科學研究的過程融入實驗教學中，使學生在完成實驗的過程中親身感受科學研究的思想和方法。畢竟基礎化學實驗有時間、場地及條件的限制，且參與者的基礎知識和技能有限，其目的更側重于訓練學生，因此不能完全照搬科學研究的模式，應該將研究內容適當簡化，理論深度應適度，而且要注重可操作性和直觀性。為了達到綜合訓練的目的，教師對選題和內容設定要有較強的把控能力。課題可以從教師承擔的科研課題中分化出來，也可以根據教師的研究興趣或者所在單位的研究特色設定。確定課題后，教師事先設分解研究任務，將班上學生分組，每組承擔不同的研究內容，并由學生制定實驗方案并交任課教師審定。然后每組學生獨立完成實驗，并形成實驗報告。最終將全班實驗報告綜合形成一份較完整的研究報告，教師全程參與學生的實驗和研究過程，并給予實時的指導。例如，設計一個超級電容器制備及電化學性能測試的實驗內容，根據所采用的電極材料和制備方法將學生分組，完成實驗后綜合各組實驗結果，分析電極材料和制備方法對其電化學性能的影響，形成研究報告。這種方式雖然時間、精力和物力消耗都比較大，但可以克服教師的思維惰性，激發教師的教學積極性和創造性。同時學生的參與度高，所需運用的知識靈活度較大，不會給人枯燥乏味的感覺，學生在實驗過程中能力的鍛煉比較全面，且有利于培養其創新意識。

三結語

物理化學實驗具有訓練學生綜合能力，培養思維能力和創新意識，并在基礎課程與專業課程間承上啟下等作用，因此物理化學實驗在化學化工類專業本科教學體系中具有不可替代的地位和作用。由于某些主觀和客觀的原因，當前的物理化學實驗教學還面臨著諸多問題。本文主要從教學改革的角度，提出了筆者針對當前問題的解決思路。但教學改革不是一項簡單、孤立的工作，它還涉及到教學理論和實踐的多個層面。且當今科學技術進步迅速，物理化學實驗教學工作也應該保持與時俱進。教學有法，但無定法，各位同行對相關問題也有許多獨到的思考和富有成效的嘗試。本文希望能拋磚引玉，愿與同行共同探討促進物理化學實驗教學改進的新思路、新方法。與同行一道因勢利導，結合教學內容和學生實際情況因材施教，培養應用型、創新型人才。

參考文獻

[1]天津大學物理化學教研室.物理化學.下冊.4版[M].高等教育出版社,2001.

[2]武麗艷,尚貞鋒.大學物理化學實驗立足于創新人才培養的教學改革[J].實驗室科學,2006,(2):32-34.

[3]王祥洪，胡武洪，秦宗會.大學物理化學實驗救學改革探討[J].科技創新導報,2009,6(2):38

[4]鄧立志,侯安新,席美云.關于物理化學實驗教學改革的幾點思考[J].大學化學,2006,21(4):25-27.

[5]劉永梅,張晉芬,戴維林,等.新形勢下物理化學實驗內容的設計與思考[J].中國大學教學,2014,(10).

作者:張盼良 孫碧珠 熊碧權 劉宇 唐課文 單位:湖南理工學院