物理化學(xué)實驗教學(xué)的創(chuàng)新研究*

陳永寶 訾學(xué)紅 劉淑珍

(北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院 北京100124)

物理化學(xué)是重要的化學(xué)化工專業(yè)基礎(chǔ)課，其基本原理和相關(guān)知識可在諸多領(lǐng)域得到應(yīng)用，如化工(熱力學(xué)和動力學(xué))、材料(表面和膠體化學(xué))、藥物(熱力學(xué))、冶金、電池(熱力學(xué)、電化學(xué))、電鍍(電化學(xué))等［1］。物理化學(xué)實驗是物理化學(xué)課程教學(xué)的重要組成部分，是培養(yǎng)學(xué)生物理化學(xué)基本素質(zhì)、動手能力和科研能力的重要教學(xué)環(huán)節(jié)［2-4］。但現(xiàn)有的實驗教學(xué)模式未能充分體現(xiàn)對學(xué)生自主實驗?zāi)芰Φ呐囵B(yǎng)，導(dǎo)致學(xué)生實驗的積極性不高、依賴心強(qiáng)，教學(xué)效果不理想［5］。學(xué)生預(yù)習(xí)流于形式，過分依賴于指導(dǎo)書和指導(dǎo)教師的課堂講解、實驗指導(dǎo)，對做過的實驗沒有深入認(rèn)識，不能主動地用學(xué)過的物化知識解決現(xiàn)實問題。據(jù)此，我們在教學(xué)中著眼于對學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，堅持以學(xué)生興趣為出發(fā)點，讓學(xué)生將學(xué)到的理論知識用于解決生活中遇到的問題，選擇一些傳統(tǒng)的熱力學(xué)實驗(燃燒熱的測定)、電化學(xué)實驗(醋酸電離常數(shù)的測定)和表面化學(xué)實驗(表面張力的測定)，進(jìn)行教學(xué)改革和創(chuàng)新，收到了良好的教學(xué)效果。介紹如下。

(1)實驗內(nèi)容與生活相結(jié)合，激發(fā)學(xué)生的實驗興趣。

興趣是個體行動的巨大動力。實驗興趣是指學(xué)生對實驗所產(chǎn)生的積極的、帶有選擇性和傾向性的態(tài)度和情緒，它影響著實驗教學(xué)的效果，決定著實驗教學(xué)的成敗。只有學(xué)生對實驗感興趣，才能主動去了解實驗、探索實驗，積極思考和實踐，并在此過程中產(chǎn)生愉快的情緒和體驗，這樣才能產(chǎn)生良好的教學(xué)效果。相反，如果學(xué)生沒有實驗興趣，就會尋找各種理由來應(yīng)付實驗。

在燃燒熱測定實驗教學(xué)中，我們從“人為什么要吃飯?”這一基本問題入手，引導(dǎo)學(xué)生意識到人體同樣遵循熱力學(xué)第一定律，認(rèn)識到能量過?；蛉狈淼挠绊懞徒Y(jié)果，以引起學(xué)生的關(guān)注和興趣，從而去測量日常所吃食物的熱量，進(jìn)而解決“怎樣吃才健康?”的問題。在醋酸電離常數(shù)測定實驗教學(xué)中，我們從食用醋“勾兌門”這一社會熱點問題入手，引導(dǎo)學(xué)生比較釀造醋、配制醋和假醋的區(qū)別，了解醋的食用價值和營養(yǎng)成分;然后通過讓學(xué)生測量日常食用醋的導(dǎo)電能力，進(jìn)而解決“怎樣鑒別食用醋?”的問題。對于表面張力測定實驗，我們從荷葉上的露水、美麗的肥皂泡等生活現(xiàn)象入手，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注表面現(xiàn)象，了解表面張力和表面活性劑;然后通過讓學(xué)生測量日常洗滌用品的表面張力，進(jìn)而解決“怎樣洗東西才干凈?”的問題。

將測量對象與日常生活相結(jié)合的教學(xué)改革和創(chuàng)新，實現(xiàn)了實驗內(nèi)容的自主選擇，激起了學(xué)生的實驗興趣，學(xué)生主動要求測量米飯、饅頭、白菜、水果、干果等食品的熱量，檢測白醋、陳醋、香醋、米醋、餃子醋、蘋果醋、保健醋、食用醋精等食用醋的導(dǎo)電性能，測定市售雕牌速溶快潔、奧妙凈藍(lán)全效無磷、汰漬凈白去漬無磷等洗衣粉和雕牌超能、奧妙超效、汰漬三重功效等洗衣皂的表面張力。

(2)制作實驗教學(xué)片，培養(yǎng)學(xué)生的操作技能。

燃燒熱、電離常數(shù)和表面張力的測定實驗?zāi)軒椭鷮W(xué)生掌握和理解熱力學(xué)第一定律、系統(tǒng)與環(huán)境、狀態(tài)函數(shù)、恒容熱效應(yīng)、反應(yīng)進(jìn)度，電導(dǎo)率、摩爾電導(dǎo)率、電離度、電離平衡常數(shù)和表面吸附、表面張力、表面自由能、吉布斯吸附量、表面張力與吸附的關(guān)系等熱力學(xué)、電化學(xué)和表面化學(xué)的基本概念和知識，訓(xùn)練學(xué)生操作使用量熱計、數(shù)字溫差儀(替代貝克曼溫度計)、微壓差測量儀、恒溫水浴、信號發(fā)生器、分析天平、萬用表、壓片機(jī)、臺秤、充氧儀、氧氣鋼瓶、減壓閥、簡易電橋、電極、容量瓶、移液管、表面張力儀等儀器設(shè)備，具有內(nèi)容抽象、儀器種類多、操作較復(fù)雜的特點。

如果學(xué)生僅靠實驗指導(dǎo)書進(jìn)行預(yù)習(xí)，往往理解不透，抄預(yù)習(xí)報告應(yīng)付檢查的現(xiàn)象很普遍，基本達(dá)不到教學(xué)要求的預(yù)習(xí)效果;僅靠實驗課上教師的示范講解，則很難在短時間內(nèi)完全掌握所用儀器的使用方法和實驗的關(guān)鍵操作，實驗中難免會出現(xiàn)種種問題，甚至導(dǎo)致實驗失敗。為此，我們讓具有豐富實驗教學(xué)經(jīng)驗的一線教師親自設(shè)計、操作演示實驗;由專業(yè)人員拍攝并制作實驗教學(xué)片;采用特寫鏡頭對實際操作過程和儀器狀態(tài)進(jìn)行了細(xì)微的記錄，使關(guān)鍵步驟得以強(qiáng)調(diào)，過程生動而直觀。將制成的實驗教學(xué)片放在校園網(wǎng)上供學(xué)生自主學(xué)習(xí)使用。

有了教學(xué)片的幫助，學(xué)生在預(yù)習(xí)時就不會感到“摸不著頭腦”;加上實驗時教師的講解和演示，就能使學(xué)生很快掌握實驗要領(lǐng)和儀器操作，大大減少實驗問題，實驗成功率也大幅提高，燃燒熱測定實驗的點火成功率接近100%，很受學(xué)生歡迎。更為重要的是，借助于教學(xué)片，能夠?qū)⒔處煆膶嶒灪筒僮鞯氖痉吨v解中解脫出來，有更多時間去發(fā)現(xiàn)學(xué)生實驗中的問題，并啟發(fā)學(xué)生分析問題、解決問題，培養(yǎng)學(xué)生勤于思考、善于思考、創(chuàng)新思維的能力［6］。

(3)采用案例分析教學(xué)法，培養(yǎng)學(xué)生的科研素養(yǎng)。

案例分析教學(xué)法就是把實際實驗中出現(xiàn)的情況和問題作為案例，交給學(xué)生研究分析，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力。在案例分析教學(xué)時，教師扮演設(shè)計者和激勵者的角色，鼓勵學(xué)生獨立思考、積極參與討論;引導(dǎo)學(xué)生不僅要注重知識的積累，更要重視知識的運用;在學(xué)生主動思考、提出問題、想出解決方案后，進(jìn)行引導(dǎo)和總結(jié)。這樣做不僅能夠調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性，培養(yǎng)學(xué)生的基本科研素養(yǎng)，增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和能力，而且能夠發(fā)現(xiàn)教師自身的弱點和不足。

為了有效培養(yǎng)學(xué)生的科研素養(yǎng)，我們首先以過去的燃燒熱、電離常數(shù)和表面張力等實驗的學(xué)生報告作為實例，讓學(xué)生進(jìn)行討論，指出報告中的問題，分析原因并給出正確的解決辦法;重點解決實驗過程是否正確、原始記錄是否準(zhǔn)確、數(shù)據(jù)處理是否有誤等問題;然后以特定的日常生活用品作為研究對象，討論具體的物性測量問題，培養(yǎng)學(xué)生實驗方法和技術(shù)的綜合運用能力。以蘋果燃燒熱的測定為例，學(xué)生要考慮含水量、形態(tài)對測定的影響，選擇測定方法(傳統(tǒng)的量熱法或成分分析法或差熱分析法)，明確每種方法所測得的結(jié)果是低熱值、高熱值、總熱值中的哪一個，并為食用提供能量參考。又如山西老陳醋電離常數(shù)的測定，學(xué)生要考慮醋中各種成分的影響，選擇簡易電橋法或電導(dǎo)率儀來測量溶液的導(dǎo)電能力，同時要測定醋的濃度，明確總酸、揮發(fā)性酸、不揮發(fā)性酸的概念，并為不同種類食用醋的鑒別提供實驗依據(jù)。再如，雕牌速溶快潔洗衣粉表面張力的測定，學(xué)生要考慮洗衣粉溶液濃度對表面張力的影響，明確臨界膠束濃度(CMC)的概念，測量CMC時要選擇是使用最大氣泡法，還是電導(dǎo)法或者熒光光度法，并驗證溶液濃度達(dá)到CMC時去污能力是否也達(dá)到最強(qiáng)。

(4)開放實驗室，培養(yǎng)學(xué)生的實驗自主性。

在強(qiáng)調(diào)素質(zhì)教育和創(chuàng)新教育的今天，實驗室的開放已成為普遍認(rèn)可的實驗教學(xué)創(chuàng)新模式。為了培養(yǎng)高素質(zhì)應(yīng)用型創(chuàng)新人才，配合物理化學(xué)實驗的創(chuàng)新教學(xué)，滿足學(xué)生的實驗需求，我們?nèi)骈_放了物理化學(xué)實驗室，給學(xué)生充分自我展示、自我發(fā)展的機(jī)會和空間，以達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生自主實驗、科學(xué)實驗和創(chuàng)新實驗的目的。

學(xué)生在掌握了基本的實驗技能和儀器操作，完成了教學(xué)實驗案例分析并經(jīng)過實驗室安全培訓(xùn)之后，就可以自主使用物理化學(xué)實驗室。在時間上，學(xué)生只要通過預(yù)約，就能隨時進(jìn)入實驗室做實驗。在內(nèi)容上，只要與物理化學(xué)實驗相關(guān)，學(xué)生就可以自主確定測定對象;在保證安全的前提下，測量哪種食物的熱量、研究哪種食用醋、評價哪種洗衣粉或肥皂，都由學(xué)生自己做主。在資源供給上，優(yōu)先使用實驗室的現(xiàn)有資源，不足部分從其他實驗室進(jìn)行調(diào)劑;對于無法調(diào)劑的資源則外購，若購置經(jīng)費不足，則建議學(xué)生更改實驗思路。

(5)實驗報告論文化，訓(xùn)練學(xué)生的科學(xué)思維。

傳統(tǒng)的教學(xué)實驗完成后，通常要求學(xué)生交一份規(guī)定格式的實驗報告，主要包括實驗?zāi)康?、實驗原理、實驗儀器與藥品、實驗步驟、數(shù)據(jù)處理、思考題和總結(jié)分析。對于實驗報告的前4項內(nèi)容，學(xué)生往往習(xí)慣于照抄實驗指導(dǎo)書;對后面的幾項內(nèi)容也多是相互借鑒完成，難以達(dá)到提高學(xué)生分析總結(jié)能力、訓(xùn)練學(xué)生科學(xué)思維的目的。

我們將實驗的總結(jié)報告論文化，要求學(xué)生按科學(xué)論文的格式寫實驗報告，全面訓(xùn)練學(xué)生的科學(xué)思維。論文前面要有摘要和關(guān)鍵詞。論文主體要說清楚3個問題:一是為什么要做實驗，即實驗的意義;二是自己怎么做的實驗，包括實驗數(shù)據(jù)的分析處理;三是得出了什么結(jié)論，并指出需要努力的方向。在論文最后面要列出參考文獻(xiàn)。學(xué)生在提交實驗小論文后，還需要向其他同學(xué)和教師匯報實驗情況，完成相互交流、共同提高的教學(xué)環(huán)節(jié)。

近年來的物理化學(xué)實驗教學(xué)創(chuàng)新和改革實踐已經(jīng)展示出培養(yǎng)學(xué)生實驗?zāi)芰Α⒖蒲兴仞B(yǎng)和創(chuàng)新能力方面的魅力，參與創(chuàng)新實驗教學(xué)的學(xué)生，普遍感到很有收獲，學(xué)會了主動思考、自主實驗、科學(xué)總結(jié)，初步掌握了分析問題和解決問題的基本方法，具備了一定的創(chuàng)新意識和能力。當(dāng)然，這種教學(xué)創(chuàng)新還需要進(jìn)一步研究和實踐，解決實驗教學(xué)時間偏長等問題;在不斷完善、不斷優(yōu)化、不斷拓展中，全面提高物理化學(xué)實驗教學(xué)的水平和質(zhì)量，為培養(yǎng)高素質(zhì)應(yīng)用型創(chuàng)新人才提供一條新途徑。

［1］李學(xué)峰，趙艷茹.大學(xué)化學(xué)，2012，27(5):14

［2］鄭傳明，呂桂琴，王良玉.實驗技術(shù)與管理，2008，25(1):132

［3］高書燕.大學(xué)化學(xué)，2011，26(5):52

［4］唐業(yè)倉.廣東化工，2011，38(4):249

［5］陳永寶，徐慶輝，夏定國，等.中國現(xiàn)代教育裝備，2010(21):84

［6］白廣梅，王小逸，陳永寶，等.中國現(xiàn)代教育裝備，2011(15):141