中美物理化學實驗教材內(nèi)容的比較研究

許新華　王曉崗　王國平

摘要：中關(guān)兩國的物理化學實驗教材具有不同的風格。美國教材除了關(guān)注傳授實驗技術(shù)和驗證理論原理之外，更為關(guān)鍵的是要培養(yǎng)學生的科學研究能力，因此其實驗設計更為綜合和先進，所討論實驗課題的深度甚至超過一般的物理化學理論教科書。美國物理化學實驗教材的期望目標是幫助學生成為專業(yè)科學家和工程師，這個思路為國內(nèi)物理化學實驗教材改革提供了一種全新的方向。

關(guān)鍵詞：物理化學實驗；教材；比較研究

國內(nèi)高校對物理化學實驗課程的改革一直在持續(xù)進行，尤其是進入21世紀以來，物理化學實驗課程的教學理念、課程體系和實驗內(nèi)容的改革獲得了重點關(guān)注，呈現(xiàn)出多樣化的發(fā)展趨勢。比如更新實驗教學的儀器設備，增加綜合性、設計性實驗內(nèi)容，將科研內(nèi)容引入基礎(chǔ)實驗教學，采用多種實驗教學模式（如開放實驗教學），使用計算機輔助教學（CAI），乃至變革實驗教學的組織體系，開展多層次實驗教學活動等。這些教學研究的探索和實踐對培養(yǎng)大學生的創(chuàng)新能力起到了積極的促進作用。與此同時，國內(nèi)物理化學實驗課程的教材編著工作也蓬勃發(fā)展，經(jīng)典教材不斷再版，新編教材也如雨后春筍般大量涌現(xiàn)。

物理化學實驗課程改革的關(guān)鍵在于實驗內(nèi)容的創(chuàng)新發(fā)展，使之符合國際化學教育的總體趨勢。目前，這方面的研究還比較粗淺，本文試圖通過比較中、美兩國公開出版的物理化學實驗教材，分析研究在實驗設計理念上的差異，及其對具體實驗教學內(nèi)容的影響，意在他山之石，可以攻玉。

一、物理化學實驗課程的功能與作用問題

國內(nèi)高校對物理化學實驗課程的定位體現(xiàn)在教材前言或緒論中，典型表述可概括如下：使學生初步了解物理化學的實驗研究思路，掌握物理化學的基本實驗技術(shù)和技能，學會一些重要物理化學性能的測定方法，體驗物理化學實驗的完整過程一現(xiàn)象的觀察和記錄、條件的判斷和選擇、數(shù)據(jù)的測量和處理、結(jié)果的分析和歸納等，加深對物理化學基本理論的理解，增強應用物理化學實驗技能解決實際問題的能力。

由此可見，國內(nèi)對物理化學實驗課程的定位是從屬于物理化學課程的，設置實驗課程的目的是幫助學生通過實驗教學的方式理解深奧難懂的物理化學原理，在此過程中，自然也要學習一些實驗方法和技術(shù)，以及數(shù)據(jù)分析和處理方法等。這種理念本身并沒有任何錯誤，且自20世紀70年代末一直貫徹至今，這些表述與美國威斯康星大學的Daniels教授在1970年編寫的Experimental Physical Chemistry（第七版）前言中的表達幾乎完全一樣：To illustrate the principles of physical chemistry，to train in careful experimentation.to develop familiarity with apparatus，to encourage ability in research-these are the purposes of this book.as stated in the first edition 40 years ago.

由于改革開放后最早一批國內(nèi)物理化學實驗教材的編寫基本就是參照Daniels及其同時代作者的經(jīng)典教材內(nèi)容進行的，照搬理念無可厚非，至少當時是與國際化學教育界的理念基本同步的。問題是按照Daniels的說法，這些理念可是從20世紀20-30年代沿用下來的，到今天已經(jīng)差不多一個世紀了。難道近百年來國際物理化學實驗教學的理念就沒有發(fā)生改變嗎？

情況顯然不是這樣的。事實上，美國化學會在1993年出版的物理化學教學研究論文集中就提出了物理化學實驗課程改革的新理念，并在2008年出版的論文集中再次革新了物理化學實驗教學的理念。這些理念在美國近年出版的物理化學實驗教材中有清晰的表述，比如：

The physical chemistry laboratory course has a crucial function：to place the abs～act concepts encountered in lecture into an experimental.experiential，context.The laboratory should not only introduce students to rigorous experimental methods，record keeping，and report writing；it should also emphasize the experimental origins of scientific knowledge and development of new approaches and ideas.

Such experimental work should not just demonstrate established principles but should also develop research aptitudes by providing experience with the kind of measurements that can yield important new results.……In short.the aim is to help you become a productive research scientist.

作為當今國際化學教育界的主流，美國的教學理念認為物理化學實驗課程不僅僅是讓學生通過實驗來驗證已有的理論、學習實驗方法和技術(shù)，更為重要的是向?qū)W生展示科學知識的實驗起源，發(fā)展新的研究途徑，激發(fā)學生的研究天賦，最終培養(yǎng)學生成為有成就的研究型科學家。

從國內(nèi)和美國對物理化學實驗的定位看，前者的主要意圖是培養(yǎng)學生的實驗能力，而后者則試圖使學生通過實驗獲得科學思想和思維方式。換句話說，國內(nèi)物理化學實驗主要是“授術(shù)”，而美國則更注重“傳道”?？梢?，美國的物理化學實驗教學理念的層次高于目前國內(nèi)教材的認識水平。

課程定位的差異導致實驗設計理念的差異，這尤其表現(xiàn)在二者對實驗原理的闡述方式上。Shoemaker在教材前言中指出，他們編寫的物理化學實驗并不僅僅著重于物理化學的“實驗技術(shù)”或“分析應用”、刻畫或檢驗理論原理，更要發(fā)展學生的研究取向，因此在實驗原理的闡述上非常詳盡，以使學生清晰理解所用的實驗方法、數(shù)據(jù)計算過程和最終結(jié)果有效性，實驗教材內(nèi)容的廣度和深度都會超過基礎(chǔ)物理化學理論課程教材。這種理念背后的蘊意就是物理化學的學習既可以通過理論課程的講授，也可以通過實驗課程的實踐，兩種途徑是并重的，甚至實驗教學比理論教學層次更高，因為理論教學只是學習已有的知識，而實驗教學則是要掌握產(chǎn)生新知識的途徑和方法。這與國內(nèi)的教學理念有較大差別，我們往往認為理論課程是學習的主要途徑，實驗是對理論課程的補充，既然完成實驗所需的物理化學原理已經(jīng)在理論課本中敘述過了，則實驗教材對實驗原理的描述就相對簡潔了。

二、實例對比分析

下面我們將對中美物理化學實驗教材中的一些經(jīng)典實驗項目進行對比分析，說明教學理念的差異引起的實驗設計內(nèi)容的差別。由于中美國情不同，這里所選的實例不涉及使用高水平精密儀器的實驗項目。

1.燃燒熱測定實驗

中美兩國教材均采用氧彈量熱計進行實驗測定，實驗方法和實驗步驟基本相同。國內(nèi)教材要求學生根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，直接計算出固體有機物實驗條件下的燃燒熱△cU和焓變△cH。在Halpem的教材中，學生被要求計算出固體有機物的生成熱，而且是標準生成熱，這就涉及由實驗條件換算到標準態(tài)下熱力學函數(shù)的修正過程。標準態(tài)及標準態(tài)下的熱力學函數(shù)是物理化學中令學生感到神秘和困惑的內(nèi)容，即使理論教材也很少涉及如何由實驗測定得到標準態(tài)熱力學函數(shù)的方法。國內(nèi)教材僅就事論事地要求學生完成“實驗測定一直接結(jié)果”的過程；而美國教材則要完成“實驗測定一直接結(jié)果一條件修正一標準數(shù)據(jù)”這樣一個過程，得到的實驗結(jié)論接近公認的化學熱力學文獻，這完全就是在實驗教學中模擬科研工作，以培養(yǎng)學生的研究能力為目標了。

此外，就實驗技術(shù)而言，這個實驗中涉及溫度測量的雷諾校正問題，Shoemaker的教材中專門花了很大的篇幅推導了相關(guān)理論。國內(nèi)教材對此問題主要做了定性解釋。

2.二組分氣液平衡相圖測定實驗

中美兩國教材均采用折光率測量法進行溶液組成的測定，實驗方法和實驗步驟基本相同。國內(nèi)教材要求學生根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，最終繪出實驗條件下二組分體系的溫度一組成圖（T-x圖），與燃燒熱測定實驗一樣，這仍然是一個“實驗測定一直接結(jié)果”的過程。Halpem在教材中首先從化學勢的表達開始推導，先獲得理想溶液的公式表達，再利用vail Laar公式獲得活度系數(shù)表達式，最后利用計算得到的參數(shù)，要求學生模擬計算實驗體系的理論相圖，最終獲得實測T-x圖、理論p-x圖和非常壓T-x圖三種結(jié)果。二者對比，國內(nèi)教材對該實驗的設計顯然是就事論事，測量什么就畫什么；而美國教材則由實驗數(shù)據(jù)畫出相圖后，分析計算相關(guān)參數(shù)，再用這些參數(shù)反過來進行理論計算，學生在完成實驗時經(jīng)歷了“實驗測定-直接結(jié)果-參數(shù)計算-理論模擬-相互對比”的過程，實驗設計的水平和對學生科研能力訓練的程度都相當高。

3.溶液表面吸附測定實驗

這個實驗的設計中美教材有很大區(qū)別。美國教材一般是用多種實驗方法（如毛細管上升法、吊環(huán)法、滴重法等）測定多種類型溶液（如有機物、鹽類、表面活性劑等）的表面張力，然后根據(jù)吉布斯吸附公式進行一些計算。而國內(nèi)教材普遍通過測定有機醇溶液的表面張力，利用吉布斯吸附公式和朗格繆吸附方程結(jié)合，通過線性擬合獲得表面滿單層吸附量數(shù)據(jù)，進而推算溶質(zhì)分子的橫截面積。看起來國內(nèi)教材的實驗水平要高一些，實際上卻是不盡合理，因為實驗常用的乙醇或正丁醇水溶液體系并不符合朗格繆吸附方程（參見熱力學大師Guggenheim的經(jīng)典論文），也就是說國內(nèi)教材基本上都是采用了錯誤的實驗體系指導學生實驗，拋棄了熱力學意義上更加嚴格的吉布斯吸附公式。反觀美國教材則比較嚴謹，在不確定實驗體系性質(zhì)的情況下，不貿(mào)然采用朗格繆吸附方程，而是扎扎實實地用好根據(jù)熱力學原理推導得出的吉布斯吸附公式。

4.電導法測定乙酸乙酯皂化反應速率常數(shù)

這是國內(nèi)教材普遍采用的一個化學動力學實驗，用電導法進行測定，實驗條件固定為反應物乙酸乙酯和氫氧化鈉的初始濃度相等，以簡化理論方程和計算過程。這個實驗在近年出版的美國教材中己經(jīng)取消了，但是在早期的Daniels實驗教材中仍然是有的，即便如此，Daniels教材中關(guān)于這個實驗內(nèi)容的豐富復雜程度也遠遠超過目前國內(nèi)教材。因為雖然這是一個典型的二級反應，但是二級反應可以分為A+A型和A+B型，取決于反應物初始濃度的相對大小，二者適用完全不同的理論方程，其中A+B型（即兩個反應物初始濃度不相等）的速率方程非常復雜，Daniels教材中對這兩種類型都進行了仔細討論，并要求學生設計不同的情況進行實驗和數(shù)據(jù)處理。事實上，維持兩個反應物初始濃度相等幾乎是不可能完成的任務，因為乙酸乙酯具有揮發(fā)性，而氫氧化鈉溶液也會不斷吸收空氣中的CO2而改變濃度，只要實驗試劑放置一段時間后就會偏離這個要求，因此國內(nèi)教材的簡單化的實驗設計往往導致實驗結(jié)果偏離所用的理論方程，造成學生的困惑。

5.臨界膠束濃度測定實驗

國內(nèi)大部分教材中已經(jīng)取消了這個表面化學實驗，僅少部分教材保留，因為就實驗設計來說該實驗完全可有可無：實驗采用電導法測定電導率與表面活性劑濃度關(guān)系，由濃度一電導率曲線的轉(zhuǎn)折點判讀臨界膠束濃度（CMC），教材中幾乎沒有任何關(guān)于膠束性質(zhì)的實驗理論探討和定量分析過程。然而這個實驗在美國教材中卻普遍采用，實驗測定方法類似，但是測算出cMc的目的是進一步探討膠束離子團的結(jié)構(gòu)，因此通過熱力學推導過程，并結(jié)合斯托克斯一愛因斯坦方程，得出臨界膠束濃度與膠束聚集度和電離程度的關(guān)系，最終得到表面活性劑膠束的微觀結(jié)構(gòu)信息，實驗設計的理論水平和數(shù)據(jù)分析技巧非常高，實驗理論的深度遠遠超過一般物理化學理論教科書。

上面案例中，既有中美兩國都采用、且實驗方法基本相同的（案例1和2），也有中美兩國都采用、但是實驗方法有異的（案例3），還有中美兩國分別采用的（案例4和5）。無論哪種情況，國內(nèi)實驗設計的基本模式都是“實驗測定-直接結(jié)果”，而美國的實驗設計往往在“直接結(jié)果”之后還有進一步研究拓展的內(nèi)容，這種差異正是對物理化學實驗課程定位差異的體現(xiàn)，我們是要學生學習實驗技術(shù)、驗證理論原理，而美國的實驗設計還要培養(yǎng)學生成為科學研究的人才，課程培養(yǎng)目標顯然是有高低之分的。

三、美國物理化學實驗教材的其他可借鑒之處

除了實驗設計理念以外，美國物理化學實驗教材還有以下幾個方面值得借鑒。

1.重視融合生物化學和立體化學實驗內(nèi)容

傳統(tǒng)的化學動力學實驗主要涉及無機物之間或者無機物與簡單有機物之間的反應；近年來美國物理化學教材中將生化反應引入實驗體系中，替代了部分傳統(tǒng)的實驗項目，使得反應的動力學過程變得更加復雜。比如涉及連續(xù)-可逆基元反應步驟組合的化學反應動力學過程，以及不符合經(jīng)典米開利-蒙頓酶催化模型的酶反應動力學過程等。除此以外，手性分子的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變過程研究也被引入基礎(chǔ)實驗教學中。這些項目大大拓展了傳統(tǒng)物理化學實驗的范圍，而且大部分并不涉及復雜昂貴的儀器，非常有創(chuàng)新性。國內(nèi)教材在這方面需要加強。

2.重視計算機數(shù)據(jù)處理能力的培養(yǎng)

美國物理化學實驗教材中的實驗設計程度較深，計算過程繁雜，已經(jīng)不是簡單的手工計算能夠完成，因此非常強調(diào)采用商業(yè)化的科學計算程序完成相關(guān)的實驗數(shù)據(jù)處理和圖譜繪制工作，比如線性回歸擬合、非線性回歸擬合、數(shù)據(jù)剝離等，而這方面也是現(xiàn)代研究工作的常規(guī)做法，學生通過這樣的實踐，能夠獲得很好的科研素質(zhì)訓練。國內(nèi)教材在這方面很少專門強調(diào)，仍然以手工數(shù)據(jù)處理為主，這也反映出國內(nèi)物理化學實驗項目總體的設計水平仍有待提高。

3.重視化學實驗過程的安全性

美國物理化學實驗教材中，每個實驗項目都列有單獨的章節(jié)，用于說明本實驗可能涉及的安全問題，包括試劑的毒性與人體防護、儀器的安全操作和廢棄物品回收等，以保證參加實驗學生的人身安全。國內(nèi)教材在這方面也較為欠缺，一般就是在緒論中泛泛談一下實驗室安全注意事項等，并沒有針對每個具體實驗項目的安全指南。同時，出于安全需要，近年來國內(nèi)的物理化學實驗教材中大量減少了有毒有害化學試劑的使用，代之以毒性程度較低的試劑，或者干脆取消了一部分實驗項目。這當然有利于學生的健康和環(huán)境保護，但是化學自從誕生的那天起，就與毒性、燃燒、爆炸等危險字眼聯(lián)系在一起，解決這些問題以保證實驗順利進行，應該在實驗室建設和安全防護上加大投入，而不是采用目前這種辦法。如果教材里都不涉及這些包含化學特質(zhì)的東西，學生也沒有嘗試這方面的規(guī)范操作，是否也不利于化學專門人才的培養(yǎng)呢？

4.重視實驗報告的撰寫

美國物理化學實驗教材非常重視指導學生如何撰寫實驗報告，并將其當做學生科研能力培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)。實驗報告的內(nèi)容、章節(jié)安排、圖表繪制標準、結(jié)果討論和文獻引用等環(huán)節(jié)均以美國化學會（ACS）和美國物理學會（AIP）論文寫作指南為依據(jù)，并且在教材中專門列出章節(jié)詳細說明。Shoemaker在其教材中甚至舉例說明某句話應該怎樣寫、某個物理量應該如何表示才算符合科學論文的寫作規(guī)范，并用一篇實驗報告實例進行逐頁評論。按照Halpem的說法，物理化學實驗課程要教會學生像科學家或者工程師那樣進行寫作，而不是像學生那樣去寫作。這種寫作的要求當然是與其教材中的實驗設計理念相符合的。反觀國內(nèi)的同類教材，由于涉及理論深度不夠，實驗結(jié)果分析的廣度和深度都很小，即使學生想把實驗報告寫成科學論文形式，也是“巧婦難為無米之炊”。

對比中美兩國的物理化學實驗教材可以看出，美國教材更加注重實驗本身包含的科研模式，將物理化學實驗課程與物理化學理論課程同等看待，并且將物理化學實驗課程看做是學習物理化學原理的重要途徑之一；而國內(nèi)教材仍然將物理化學實驗當做理論課的附屬，做實驗是為了鞏固理論課堂學習的知識。這種教學理念上的差異導致國內(nèi)物理化學實驗教材的理論部分非常簡略，實驗設計的層次不高，僅能達成有限的完成學習的教學目的；而美國教材則力求將每一個實驗項目都當做學生進行科研訓練的一個過程，所希望達成的教學目標是培養(yǎng)出專業(yè)科學家和工程師。由此可見，國內(nèi)物理化學實驗教材的編寫水平與國際化學界的主流尚有差距，必須加強教學改革和研究，迎頭趕上。

[本文系同濟大學第十一期實驗教學改革專項基金項目1380104087、浙江省2015年高等教育改革項目kg2015028的研究成果]

[責任編輯：余大品]