新形勢(shì)下物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)計(jì)與思考

劉永梅++張晉芬等

摘 要：新形勢(shì)下對(duì)本科物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的培養(yǎng)目標(biāo)要求越來越高。復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系針對(duì)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容做出了相應(yīng)的調(diào)整，以促進(jìn)學(xué)生探索能力和科研創(chuàng)新能力的提高。

關(guān)鍵詞：物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)；人才培養(yǎng)；教學(xué)改革；研究性實(shí)驗(yàn)

一、目前物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)面臨的問題

一直以來，復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系有著重視化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的優(yōu)良傳統(tǒng)。20世紀(jì)70年代末，由復(fù)旦大學(xué)等14所學(xué)校合作編寫的《物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)》教材在國(guó)內(nèi)廣受好評(píng)，影響深遠(yuǎn)。20世紀(jì)90年代，復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系對(duì)大學(xué)本科的化學(xué)課程體系進(jìn)行了改革，逐步形成以創(chuàng)新能力培養(yǎng)為核心、以技術(shù)要素為主線的新實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系及相應(yīng)管理機(jī)制[1，2]。2000年前后，復(fù)旦化學(xué)系根據(jù)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)，本著“統(tǒng)籌管理、優(yōu)化資源、避免重復(fù)和遺漏”的原則，將涉及儀器操作類的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程“儀器分析實(shí)驗(yàn)”和“物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)”融合為“儀器分析和物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)”，那時(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心在世行貸款和學(xué)校配套資金支持下，購(gòu)置了一批在當(dāng)時(shí)屬于先進(jìn)的儀器用于教學(xué)，使得化學(xué)實(shí)驗(yàn)條件得到大幅度改善，教學(xué)質(zhì)量和水平因此得到保障和提高。

隨著時(shí)代和學(xué)科的發(fā)展，我系的物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)逐漸暴露出一些不足。一方面大部分實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備相對(duì)落后，如電化學(xué)分析工作站、氣相色譜儀、原子發(fā)射光譜儀等設(shè)備都已使用了10～15年。這些儀器性能不夠穩(wěn)定，測(cè)量出的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差大，得不到理想的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，這樣直接削弱了學(xué)生學(xué)習(xí)新知識(shí)的積極性。另一方面是實(shí)驗(yàn)內(nèi)容更新速度慢，滯后于科學(xué)研究發(fā)展的步伐。物理化學(xué)學(xué)科的發(fā)展也使得一些原本屬于專門化或綜合實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的高級(jí)技術(shù)和儀器成為基礎(chǔ)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)的常規(guī)技術(shù)和設(shè)備，在當(dāng)前科研中發(fā)揮重要作用的常規(guī)表征手段至今沒有相應(yīng)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)開設(shè)，而且復(fù)旦大學(xué)物理化學(xué)教學(xué)團(tuán)隊(duì)早在1999年就開設(shè)了以結(jié)構(gòu)分析和表征為主線，集原理、儀器使用和解譜為一體的“譜學(xué)導(dǎo)論”理論課，導(dǎo)致理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)有較大的脫節(jié)。同時(shí)本系科研實(shí)力的快速提高、學(xué)科建設(shè)、師資優(yōu)化和研究生生源的增長(zhǎng)需求對(duì)本科學(xué)生的科研素質(zhì)提出了新要求，一些操作簡(jiǎn)單、內(nèi)容單薄的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)顯然不能滿足這些要求。在這樣的形勢(shì)下，物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容如何設(shè)置，成為我們面臨的又一重要課題。經(jīng)過多次調(diào)研和討論，我們對(duì)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容設(shè)置有了一些初步實(shí)踐與設(shè)想，希望能與國(guó)內(nèi)同行共同探討。

二、物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的總體設(shè)計(jì)

本課程內(nèi)容的設(shè)置將充分依托本系學(xué)科優(yōu)勢(shì)，在“銜接前沿、兼顧基礎(chǔ)”的原則下，更新、升級(jí)、完善和補(bǔ)充大型儀器類實(shí)驗(yàn)。同時(shí)在完成經(jīng)典傳承的基礎(chǔ)上，加大綜合性、設(shè)計(jì)性、研究性實(shí)驗(yàn)的比例，以求拓寬學(xué)生專業(yè)面、增強(qiáng)適應(yīng)性。更希望通過本課程教學(xué)內(nèi)容的實(shí)施和開展，讓學(xué)生了解和掌握一定的前沿技術(shù)、技能以及思考、解決問題的方法，促進(jìn)學(xué)生探索能力、科研創(chuàng)新能力的發(fā)展，提高學(xué)生的綜合能力。

在上述思想的指導(dǎo)下，我們經(jīng)過對(duì)國(guó)內(nèi)部分高校的物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行調(diào)研和對(duì)比，并結(jié)合本系的實(shí)際情況，進(jìn)行如下改革。

1.更新儀器設(shè)備，推動(dòng)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的更新優(yōu)化

對(duì)目前開設(shè)的多個(gè)實(shí)驗(yàn)的老舊設(shè)備進(jìn)行更新，取得了明顯的效果。

比如，差熱分析實(shí)驗(yàn)是一個(gè)經(jīng)典的研究物質(zhì)在受熱或冷卻時(shí)產(chǎn)生的物理和化學(xué)的變遷速率和溫度以及所涉及的能量和質(zhì)量變化的熱分析實(shí)驗(yàn)。本系原有的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，是20世紀(jì)70年代老師們自己動(dòng)手搭建的，從冰水浴、自制熱偶、加熱爐到記錄筆、溫控儀的連接，都需要學(xué)生動(dòng)手完成，由于各配件年代久遠(yuǎn)，數(shù)據(jù)的重現(xiàn)性、分辨率都不理想，而且經(jīng)常出現(xiàn)某一部件“罷工”的尷尬局面，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)無法順利進(jìn)行。近年來，熱分析技術(shù)的不斷創(chuàng)新與完善，使得熱分析的應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展，研究對(duì)象不斷增加，在無機(jī)、有機(jī)、化工、冶金、醫(yī)藥、食品、塑料、橡膠、能源、建筑、生物及空間技術(shù)等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用[3]。開展熱分析類的教學(xué)實(shí)驗(yàn)，不僅具有課堂理論意義，也具有非常強(qiáng)的應(yīng)用背景，國(guó)內(nèi)許多高校開設(shè)熱分析教學(xué)實(shí)驗(yàn)，但具體實(shí)施的方案各不相同。經(jīng)過考察，我們購(gòu)置了性能較好的熱重天平，此儀器采用較先進(jìn)自動(dòng)化技術(shù)和精密的機(jī)械制造工藝，將機(jī)械結(jié)構(gòu)、機(jī)電控制和氣氛控制集于一體，一定程度上改善了傳統(tǒng)熱分析儀器笨重外形。性能優(yōu)良的溫度控制軟件和界面，全面的熱動(dòng)力參數(shù)分析功能，將熱重分析TG、微商熱重法DTG與差熱分析DTA結(jié)合為一體，在同一次測(cè)量中利用同一樣品可同步得到熱重、微商熱重與差熱數(shù)據(jù)。這樣一來，實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)便快捷，而且數(shù)據(jù)可靠直觀。為克服實(shí)驗(yàn)內(nèi)容相對(duì)單薄的問題，我們重新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，學(xué)生除了驗(yàn)證已知樣品受熱過程中的吸放熱情況，還可以觀測(cè)不同升溫速率下吸放熱情況的變化，進(jìn)而研究樣品受熱過程中相應(yīng)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)，例如根據(jù)不同升溫速率下五水硫酸銅失水峰的峰頂溫度與升溫速率進(jìn)行數(shù)學(xué)處理，便可以計(jì)算熱分解的活化能。在問題與思考環(huán)節(jié)中，啟發(fā)學(xué)生通過文獻(xiàn)查閱，對(duì)熱分析方法進(jìn)行更全面的了解，有了這樣的技術(shù)和知識(shí)儲(chǔ)備，將來需要分析其他樣品受熱過程中物相變化、吸放熱等問題時(shí)，很容易找到解決方案。

此外，對(duì)氣液色譜法測(cè)定非電解質(zhì)溶液熱力學(xué)函數(shù)的實(shí)驗(yàn)也更換了最新型號(hào)的氣相色譜儀。所有的溫度、壓力、流量以及其他參數(shù)的設(shè)定和顯示均可以在電腦軟件界面上進(jìn)行，大大方便了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作，而且對(duì)了解目前的主流色譜有了感官認(rèn)識(shí)。最為關(guān)鍵的是，數(shù)據(jù)重復(fù)性得到了極大的提高，以前需要重復(fù)進(jìn)樣近10次才能得到3次相對(duì)誤差較小的數(shù)據(jù)，現(xiàn)在只需進(jìn)樣3次就可滿足要求，對(duì)操作難度的要求大大降低，數(shù)據(jù)也與文獻(xiàn)值吻合較好，得到了同學(xué)們的認(rèn)可。

涉及電化學(xué)測(cè)量的實(shí)驗(yàn)，目前全部采用電化學(xué)工作站進(jìn)行。由于是軟件界面控制，重現(xiàn)性較好，出現(xiàn)故障也很容易判斷。這些改進(jìn)與以前的電壓、電流表顯示相比，優(yōu)勢(shì)明顯，而且對(duì)本科生繼續(xù)從事電化學(xué)相關(guān)研究起到了較好的鋪墊作用。

2.增開研究性實(shí)驗(yàn)，加強(qiáng)對(duì)學(xué)生技術(shù)技能的培養(yǎng)

調(diào)研發(fā)現(xiàn)，物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容最欠缺的是科學(xué)研究領(lǐng)域中的前沿成果在教學(xué)中的體現(xiàn)，而學(xué)生能力培養(yǎng)上較欠缺的是現(xiàn)代表征儀器的操作技術(shù)。因此，與前沿研究相關(guān)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)置，是我們此次實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容更新的重點(diǎn)。

我們引入負(fù)載型催化劑的多相催化實(shí)驗(yàn)。隨著催化技術(shù)的發(fā)展，由于多相催化劑具有易回收利用、產(chǎn)物易分離等特點(diǎn)，在石油化工等領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。因此，讓學(xué)生了解和掌握一定的多相催化技術(shù)和知識(shí)顯得尤為重要，國(guó)內(nèi)浙江大學(xué)和南京大學(xué)化學(xué)系的本科生物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)中都涉及相關(guān)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。我們開設(shè)了負(fù)載貴金屬催化劑液相催化苯甲醇氧化的實(shí)驗(yàn)，通過本實(shí)驗(yàn)，希望學(xué)生理解多相催化操作中的基本要求、評(píng)價(jià)活性優(yōu)劣的基本方法、影響催化活性的外界因素、完成活性測(cè)試的定量分析手段等內(nèi)容，再通過數(shù)據(jù)處理與分析，了解更多的與催化相關(guān)的動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)知識(shí)與技術(shù)。

3.引入物質(zhì)結(jié)構(gòu)性質(zhì)表征方面的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

現(xiàn)在科學(xué)研究中，物質(zhì)結(jié)構(gòu)及其性質(zhì)的揭示，離不開大型儀器。自19世紀(jì)倫琴發(fā)現(xiàn)了X射線以來，X射線衍射被迅速地應(yīng)用于物質(zhì)結(jié)構(gòu)表征，它可以用在研究體積很大的對(duì)象，譬如人體骨骼，還可以表征很小的物質(zhì)結(jié)構(gòu)，譬如蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)[4]。由于波長(zhǎng)短，X射線有很強(qiáng)的穿透性，在分子及原子級(jí)的材料結(jié)構(gòu)研究當(dāng)中應(yīng)用尤為廣泛?，F(xiàn)代X射線技術(shù)在研究未知結(jié)構(gòu)和新材料中已經(jīng)成為一個(gè)有力的工具，比如本系多個(gè)課題組制備的各種單晶新材料，其結(jié)構(gòu)解析就離不開X射線單晶衍射儀。作為重要的物質(zhì)結(jié)構(gòu)表征手段，理論課堂上也做了深入的介紹，但由于硬件條件的限制，本系本科生一直沒有機(jī)會(huì)動(dòng)手操作X射線衍射儀。

多孔固體材料最早發(fā)現(xiàn)于19世紀(jì)90年代，因其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特性而在催化、吸附、分離和儲(chǔ)能等領(lǐng)域受到廣泛的關(guān)注，表面狀態(tài)和孔結(jié)構(gòu)直接影響其性能，所以多孔固體材料的比表面積和孔徑分布是研究固體材料的必要數(shù)據(jù)。本系多個(gè)課題組在介孔、微孔材料的制備研究中，一直離不開比表面積測(cè)試儀對(duì)樣品基本性質(zhì)的測(cè)定，也正因如此，本系多套比表面積測(cè)試儀均難以勻出機(jī)時(shí)用于本科教學(xué)。

通過努力，現(xiàn)在我們購(gòu)置了4臺(tái)比表面積測(cè)試儀，并借用本系X射線粉末衍射儀科研機(jī)時(shí)，用于本科生的教學(xué)實(shí)驗(yàn)。先讓學(xué)生通過不同方法制備銅鋯復(fù)合氧化物材料，并對(duì)這些樣品進(jìn)行X射線粉末衍射和比表面積測(cè)定，最后通過數(shù)據(jù)處理，分析了解不同的制備因素對(duì)材料基本性質(zhì)的影響，了解BET多分子層吸附理論的基本假設(shè)和BET法測(cè)量固體比表面的基本原理，掌握X射線粉末衍射方法的基本原理、技術(shù)和物理吸附儀的工作原理、使用方法，并借此掌握一定的材料常規(guī)表征實(shí)驗(yàn)技能技巧。

三、未來設(shè)想

近年來，隨著世界環(huán)境問題的日益嚴(yán)重，光催化在環(huán)境污染物降解中已成為研究熱點(diǎn)[5]。最近我們還將開設(shè)TiO2光催化廢水降解實(shí)驗(yàn)，這個(gè)實(shí)驗(yàn)是有效治理環(huán)境污染技術(shù)的典型代表。納米TiO2由于其化學(xué)性能穩(wěn)定、抗菌性能好以及在有機(jī)物降解過程中無二次污染等優(yōu)良性質(zhì)，成為環(huán)境污染治理領(lǐng)域中的重要光催化劑，在光催化領(lǐng)域得到了廣泛研究。TiO2的結(jié)構(gòu)形貌對(duì)其光催化活性有很大的影響，通過本實(shí)驗(yàn)，希望學(xué)生了解環(huán)境污染與防治的相關(guān)知識(shí)，并能從結(jié)構(gòu)形貌與光量子效率間的關(guān)系理解影響光催化活性的因素，同時(shí)理解光催化降解效率的衡量指標(biāo)等知識(shí)和技能。

從培養(yǎng)學(xué)生技術(shù)技能的角度看，現(xiàn)代物質(zhì)基本結(jié)構(gòu)表征方面涉及的內(nèi)容還遠(yuǎn)不夠，將來還計(jì)劃開設(shè)銅鋯復(fù)合氧化物或者負(fù)載貴金屬樣品表面的CO吸附紅外光譜測(cè)定、核磁共振測(cè)定液相反應(yīng)速率常數(shù)等相關(guān)內(nèi)容。希望通過系列動(dòng)力學(xué)活性測(cè)試以及相應(yīng)物質(zhì)結(jié)構(gòu)表征方面實(shí)驗(yàn)的開展，讓學(xué)生對(duì)功能材料樣品制備技術(shù)、物質(zhì)基本性質(zhì)表征以及樣品性質(zhì)與性能之間的本質(zhì)關(guān)聯(lián)有所了解。更希望學(xué)生通過這一系列的訓(xùn)練，對(duì)科學(xué)研究過程有所了解，為他們開展系列校內(nèi)科技創(chuàng)新項(xiàng)目打下基礎(chǔ)，有利于他們今后的繼續(xù)深造或工作。

本課程還將引入量子化學(xué)計(jì)算實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。20世紀(jì)20年代，物理學(xué)家海森堡（W. K. Heisenberg）和薛定諤（E. Schrodinger）各自發(fā)表了物理學(xué)史上著名的測(cè)不準(zhǔn)原理和薛定諤方程，標(biāo)志著量子力學(xué)的誕生。1927年物理學(xué)家海特勒（W. Heitler）和倫敦（F. London）將量子力學(xué)處理原子結(jié)構(gòu)的方法應(yīng)用于氧分子[6]，成功地解釋了兩個(gè)氧原子能夠結(jié)合成一個(gè)穩(wěn)定的氧分子的原因，標(biāo)志著量子力學(xué)與化學(xué)的交叉學(xué)科——量子化學(xué)計(jì)算的誕生。隨著計(jì)算機(jī)水平的不斷提高以及計(jì)算模型與方法的不斷改進(jìn)，研究對(duì)象從小分子向較大分子發(fā)展，甚至到固體表面吸附、表面化學(xué)反應(yīng)以及生物大分子等。目前量子化學(xué)理論計(jì)算方法逐漸被廣泛應(yīng)用于催化反應(yīng)、納米材料和藥物制備等諸多領(lǐng)域。本系物理化學(xué)方向的研究中，量子化學(xué)計(jì)算的研究實(shí)力雄厚，不管是為拓展大學(xué)生的現(xiàn)有知識(shí)體系還是便于其進(jìn)一步深造，都有必要讓學(xué)生了解量子化學(xué)計(jì)算相關(guān)方面的知識(shí)。我們擬開展葡萄糖水解過程以及過渡反應(yīng)中間體或過渡態(tài)的預(yù)測(cè)和金屬鋁表面氫氣解離吸附等過程的模擬，希望通過這兩個(gè)理論模擬實(shí)驗(yàn)的開展，讓學(xué)生能了解基元反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的主要內(nèi)容和基本研究方法，并了解宏觀反應(yīng)和微觀基元反應(yīng)之間的統(tǒng)計(jì)聯(lián)系等知識(shí)和技術(shù)。

總之，我們認(rèn)為物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)不應(yīng)該僅僅要求學(xué)生掌握某一個(gè)或幾個(gè)物理量的測(cè)量原理和技術(shù)，而更應(yīng)該注重培養(yǎng)他們掌握前沿知識(shí)和從事科學(xué)研究的能力。這就要求教學(xué)內(nèi)容要不斷創(chuàng)新和與時(shí)俱進(jìn)，減少驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，增加綜合性、設(shè)計(jì)性及研究性實(shí)驗(yàn)。通過這類實(shí)驗(yàn)的開展，讓學(xué)生熟悉認(rèn)識(shí)問題、分析問題、解決問題的途徑、方法和手段，注重?cái)?shù)據(jù)處理的方法和實(shí)驗(yàn)報(bào)告的規(guī)范書寫，注意培養(yǎng)學(xué)生查閱資料、綜合解決實(shí)際問題的能力，并提高學(xué)生做實(shí)驗(yàn)的積極性和主動(dòng)性，進(jìn)而培養(yǎng)他們的進(jìn)取心和創(chuàng)造力。

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[項(xiàng)目支持：國(guó)家基金委化學(xué)實(shí)驗(yàn)基地項(xiàng)目（J1103304）]

[責(zé)任編輯：余大品]