基礎(chǔ)物理化學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的探索與實(shí)踐

屈宜春　侯飛　李里

摘 要：文章結(jié)合多年來黑龍江大學(xué)在基礎(chǔ)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)中開展設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)實(shí)踐，闡述了設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目內(nèi)容的選擇與設(shè)置的思路方法，并總結(jié)了在教學(xué)實(shí)踐中積累的經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：物理化學(xué)；設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

中圖分類號：G642.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1002-4107（2015）04-0015-02

為了激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)興趣，提高學(xué)生的創(chuàng)新意識，我校于2005年開始在基礎(chǔ)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程中增設(shè)了設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，充分地發(fā)揮了學(xué)生的主觀能動性，把所學(xué)的理論知識加以運(yùn)用解決實(shí)際中的問題，提高了學(xué)生的實(shí)踐能力，使學(xué)生從實(shí)驗(yàn)中領(lǐng)會科研探索的思路和研究方法，培養(yǎng)了學(xué)生由“印證理論型”向“創(chuàng)新能力和素質(zhì)提高型”的轉(zhuǎn)變。多年來，我們通過積極地與其他院校的同行交流，虛心借鑒他們的經(jīng)驗(yàn)，廣泛地查閱有關(guān)的文獻(xiàn)和書籍，在教學(xué)實(shí)踐中認(rèn)真研究與探索，使實(shí)驗(yàn)的項(xiàng)目與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容得以不斷地改進(jìn)與豐富。在本論文中，結(jié)合我們開設(shè)的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的具體項(xiàng)目，介紹一下這些實(shí)驗(yàn)在選擇和設(shè)置時的思路及在教學(xué)實(shí)踐過程中積累的一些經(jīng)驗(yàn)。

一、從經(jīng)典的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)新的研究內(nèi)容

如何將經(jīng)典的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)延伸為設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)是我們從事物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)驗(yàn)教師一直認(rèn)真探索的問題。例如電導(dǎo)法測定乙酸乙酯皂化反應(yīng)的速率常數(shù)是國內(nèi)外高?；瘜W(xué)專業(yè)必開設(shè)的經(jīng)典動力學(xué)實(shí)驗(yàn)[1-2]，很多高校在該實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上開設(shè)了具有研究性特點(diǎn)的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，張虎成等人設(shè)想并實(shí)現(xiàn)了在未知反應(yīng)級數(shù)的前提下[3]，讓學(xué)生靈活地利用動力學(xué)原理設(shè)計(jì)測定反應(yīng)級數(shù)的測定方法，陳曉娟等開設(shè)了開放式研究性實(shí)驗(yàn)“酯類皂化反應(yīng)溶劑效應(yīng)”[4]，對酯類化合物皂化反應(yīng)的動力學(xué)溶劑效應(yīng)進(jìn)行了初步分析，獲得了有意義的結(jié)果。我校一共開設(shè)了20個基礎(chǔ)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，經(jīng)過多年的教學(xué)研究與實(shí)踐，我們在這些實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上開展了很多設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

“濃差電池的設(shè)計(jì)和電動勢的測定”是在經(jīng)典的電化學(xué)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)“化學(xué)電池溫度系數(shù)的測定”基礎(chǔ)上開展的，要求學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)室提供的電極材料設(shè)計(jì)4個濃差電池然后利用電位差計(jì)測定電池的電動勢，學(xué)生普遍認(rèn)為這個實(shí)驗(yàn)比較簡單，可是在具體操作的時候卻出現(xiàn)了很多問題，問題主要表現(xiàn)在學(xué)生在設(shè)計(jì)方案的時候缺少周密的考慮，比如設(shè)計(jì)的電池所用的電解質(zhì)溶液是硝酸銀，可鹽橋的溶液卻用的是氯化鉀飽和溶液，結(jié)果連接上電池后二者相遇發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成氯化銀沉淀導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失??；有的同學(xué)將商品銀絲不經(jīng)活化處理就直接作為銀電極使用，結(jié)果發(fā)現(xiàn)所得的電池電動勢數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)上報道的理論值相差很大，遇到這些問題，作為教師，要讓學(xué)生認(rèn)真獨(dú)立的思考問題出現(xiàn)的原因，然后重新修改方案，再通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證自己的想法的是否正確，切忌過多的干涉學(xué)生的想法，過多的提示與指導(dǎo)，否則不能更好地鍛煉和培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立分析和解決問題的能力。驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的主要目的是使學(xué)生掌握物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)的基本方法與技能，加深對有關(guān)的物理化學(xué)原理的理解，而設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)更加側(cè)重于提高學(xué)生靈活運(yùn)用這些實(shí)驗(yàn)技術(shù)和原理的能力。

化學(xué)反應(yīng)熱的測定是要測定的反應(yīng)熱，可采取量熱法及蒸發(fā)壓法相結(jié)合來實(shí)現(xiàn)。它是在“燃燒熱的測定”和“純液體飽和蒸汽壓的測定”兩個基礎(chǔ)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)上開展的項(xiàng)目，在驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生測定的是固體奈的燃燒熱，而乙醇是可燃液體樣品，既無固定形狀又很容易揮發(fā)，所以首先要求學(xué)生思考如何將乙醇固定在燃燒池中，測出其燃燒反應(yīng)的等容燃燒熱，再利用公式計(jì)算出該反應(yīng)體系的等壓燃燒熱，然后根據(jù)水的飽和蒸氣壓的測定方法，測出不同溫度下水的飽和蒸氣壓，求得水的平均摩爾汽化熱。這個實(shí)驗(yàn)將兩個熱力學(xué)實(shí)驗(yàn)巧妙的結(jié)合起來，不但提高了學(xué)生的物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)技能，而且加深了他們對熱力學(xué)基本理論的理解。

“酸催化蔗糖轉(zhuǎn)化動力學(xué)”是由驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)“旋光法測定蔗糖轉(zhuǎn)化反應(yīng)速率常數(shù)”而延伸的實(shí)驗(yàn)，曾是第四屆全國大學(xué)生化學(xué)競賽的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目之一，競賽時首先給出了實(shí)驗(yàn)的基本原理，然后提出設(shè)計(jì)要求，要求在40分鐘內(nèi)設(shè)計(jì)一個合理的實(shí)驗(yàn)步驟，在某一溫度下，通過改變酸的濃度，求出對應(yīng)于酸的反應(yīng)級數(shù)及酸催化的反應(yīng)速率系數(shù)。我們在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中對此進(jìn)行了一些改動，因?yàn)楹蛥⒓痈傎惖膶W(xué)生相比，無論在實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和操作方面，學(xué)生都有充分的時間思考和完成，所以我們沒有給出實(shí)驗(yàn)的基本原理，這樣在一定程度上就增加了設(shè)計(jì)的難度。對于這個實(shí)驗(yàn)，很多學(xué)生出現(xiàn)的問題在于不知道實(shí)驗(yàn)的目的與他們所作的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的區(qū)別，不清楚反應(yīng)的速率常數(shù)與酸的速率系數(shù)及酸的級數(shù)的關(guān)系，這反映了我們很多學(xué)生還沒有深入和靈活地理解動力學(xué)的理論知識，在本實(shí)驗(yàn)中至少要測定兩個酸度下反應(yīng)體系的旋光度隨時間的變化，然后利用對作圖，分別求出兩條直線的斜率，學(xué)生在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案與實(shí)驗(yàn)步驟時普遍出現(xiàn)了考慮問題不深入、不細(xì)致的現(xiàn)象，比如酸是催化劑，只能改變反應(yīng)速率，不能改變反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率，因此只要蔗糖的初始濃度不變，是常數(shù)，由于有些學(xué)生沒有考慮到這個關(guān)系，因此分別測定了兩個酸度下的，導(dǎo)致沒有在規(guī)定的時間內(nèi)完成實(shí)驗(yàn)。

綜上所述，學(xué)生從設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案到獨(dú)立自主地完成實(shí)驗(yàn)，能夠真正地提高他們獨(dú)立思考分析問題和解決問題的能力。

二、鼓勵學(xué)生自主選題設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

以上列舉的是教師結(jié)合多年的教學(xué)實(shí)踐并借鑒其他院校的教學(xué)內(nèi)容與經(jīng)驗(yàn)而開設(shè)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。除此之外，我們還鼓勵學(xué)生自主開發(fā)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，比如學(xué)生在做純液體飽和蒸汽壓實(shí)驗(yàn)過程中提出疑問，測試數(shù)據(jù)的初始溫度為什么是40 ℃而不能低些，為此他們自己設(shè)計(jì)方案來研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)過程中真空的程度對實(shí)驗(yàn)的結(jié)果有很大的影響，當(dāng)真空度為-700 mmHg時，測試的溫度應(yīng)在40 ℃以上，才能保證得到的水的平均摩爾汽化熱和正常沸點(diǎn)的誤差在5 %以內(nèi)，若要降低測試的初始溫度，必須提高真空度。學(xué)生還通過上網(wǎng)查閱文獻(xiàn)開發(fā)了“明膠的等電點(diǎn)測定方法與研究、表面活性劑在固體表面吸附量的測定”等等實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，在研究測定明膠的等電點(diǎn)方法時，他們大膽嘗試了利用最大泡壓法測定明膠等電點(diǎn)的方法，并且與常用的電導(dǎo)法進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)在等電點(diǎn)時，明膠溶液的表面張力最小，在表面張力的曲線上出現(xiàn)了拐點(diǎn)，而利用該方法測定明膠的等電點(diǎn)的文獻(xiàn)鮮見報道。研究的成果增強(qiáng)了學(xué)生大膽創(chuàng)新的信心。在研究表面活性劑在固體表面上的吸附量時，他們考察了陰離子表面活性劑十二烷基硫酸鈉（SDS）在不同固體吸附劑上的吸附行為；在選擇SDS濃度的測定方法時，由于國標(biāo)法是亞甲基藍(lán)分光光度法，測試的過程中要進(jìn)行萃取等煩瑣操作，為此學(xué)生大膽地設(shè)計(jì)了分別利用電導(dǎo)法和最大泡壓法測定其濃度。雖然方法的精密度不如國標(biāo)法，但是這兩種方法操作非常簡單、快速，且基本能夠滿足學(xué)生實(shí)驗(yàn)的要求。在研究表面活性劑在納米二氧化鈦上的吸附行為時，考慮到二氧化鈦納米粒子所帶電荷的性質(zhì)可能會影響其對表面活性劑的吸附性能，為此他們設(shè)計(jì)利用改變pH值來改變納米粒子表面的帶電情況，進(jìn)而研究考察它們在不同的pH體系下對活性劑的吸附性能，為了驗(yàn)證他們的結(jié)論還選用了陽離子表面活性劑CTAB來進(jìn)行對比研究。在這些實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生隨時會遇到問題，會有新的想法和思路，然后要深入和廣泛地查閱文獻(xiàn)來改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的方案。多年的教學(xué)實(shí)踐表明學(xué)生對這類實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)出極大的興趣，因?yàn)樗麄冊谄渲畜w會到科研探索的樂趣。

三、將教師的科研項(xiàng)目與教學(xué)內(nèi)容相結(jié)合

目前，很多高校都將教師多年從事科研工作的內(nèi)容與成果編寫成了實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，我們也在基礎(chǔ)的物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)中針對化學(xué)教育改革實(shí)驗(yàn)班的學(xué)生開設(shè)了這一類具有綜合性特點(diǎn)的研究項(xiàng)目，因?yàn)檫@些學(xué)生學(xué)習(xí)基礎(chǔ)非常好，畢業(yè)時大多數(shù)被報送讀研究生。為了豐富和擴(kuò)展他們的理論和實(shí)踐知識，培養(yǎng)他們科學(xué)研究的興趣，為將來更好地從事科研工作打下基礎(chǔ)，我們結(jié)合教師的科研課題開設(shè)了一些設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。這些實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生首先自己查閱文獻(xiàn)，了解相關(guān)領(lǐng)域的知識與研究現(xiàn)狀，然后獨(dú)立設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的思路和方案，經(jīng)過和老師一起探討后確定樣品的制備方法、表征手段及性能測試的方法，由于這些實(shí)驗(yàn)工作量相對較大，因此實(shí)驗(yàn)的形式采取開放性，學(xué)生在課余時間可以隨時到實(shí)驗(yàn)室開展實(shí)驗(yàn)，通過這些實(shí)驗(yàn)研究，不但鍛煉和提高了他們的實(shí)驗(yàn)技能，更重要的是使他們初步了解了科學(xué)研究的思路，體會了科研工作的艱辛，培養(yǎng)了他們認(rèn)真進(jìn)行科學(xué)研究工作的素養(yǎng)，并且由于這些研究內(nèi)容涉及的領(lǐng)域廣泛，是表面化學(xué)、半導(dǎo)體光物理與光化學(xué)、光催化化學(xué)多學(xué)科知識交叉的研究項(xiàng)目，極大地豐富了他們的理論知識，開闊了他們的思路，提高了他們科學(xué)研究的興趣，為將來從事科學(xué)研究工作奠定初步的基礎(chǔ)。

四、結(jié)語

通過多年來在教學(xué)實(shí)踐中的摸索與探討，我們在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的選擇和設(shè)置方面逐步地積累了一些經(jīng)驗(yàn)，也取得了較好的教學(xué)效果，使學(xué)生在學(xué)習(xí)興趣、動手能力、獨(dú)立思考問題及科學(xué)研究能力等方面都得到培養(yǎng)和提高。開設(shè)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)后，先后有15名化學(xué)實(shí)驗(yàn)班的學(xué)生參加了全國大學(xué)生化學(xué)競賽，其中有4人取得了二等獎，3人獲得了三等獎，明顯好于沒有開設(shè)這類實(shí)驗(yàn)前時學(xué)生的競賽成績。

近年來發(fā)現(xiàn)，一些設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)經(jīng)過幾年的教學(xué)實(shí)踐，其內(nèi)容的創(chuàng)新性就會有所降低，這就要求我們要在實(shí)踐中不斷地研究探索新的研究項(xiàng)目，要大量地查閱相關(guān)的文獻(xiàn)與書籍，多與其他院校的教師交流與探討，借鑒其他高校同行的教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，使設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的項(xiàng)目與內(nèi)容不斷地得以更新和豐富。

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