物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中科研能力的培養(yǎng)

曲玉寧 王麗麗 余建國 嚴(yán) 峰 / 天津工業(yè)大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院

物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中科研能力的培養(yǎng)

曲玉寧 王麗麗 余建國 嚴(yán) 峰 / 天津工業(yè)大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院

教育部新世紀(jì)人才的培養(yǎng)宗旨，即注重學(xué)生綜合素質(zhì)的提高，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)驗(yàn)?zāi)芰ΑＴ谖锢砘瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，注重了學(xué)生科研能力的培養(yǎng)，對(duì)學(xué)生科研基本功、科研毅力、查閱文獻(xiàn)、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理等方面的培養(yǎng)進(jìn)行了探索。結(jié)合自身的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)針對(duì)在物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程中如何培養(yǎng)學(xué)生的科研能力提出了相應(yīng)的措施。

科研能力；物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)

隨著我國研究生招生規(guī)模的逐年增加，越來越多的化學(xué)專業(yè)本科畢業(yè)生選擇了各類綜合大學(xué)和研究所攻讀碩士學(xué)位，而大部分的化學(xué)類專業(yè)學(xué)生在攻讀碩士學(xué)位期間要從事一定的科研工作。近些年在與許多碩士新生的接觸過程中我們發(fā)現(xiàn)，此類學(xué)生往往存在實(shí)驗(yàn)基本功差、缺乏數(shù)據(jù)分析處理能力等缺點(diǎn)。那么如何利用大學(xué)本科階段加強(qiáng)學(xué)生科研能力的鍛煉，作者在近幾年的本科教學(xué)實(shí)驗(yàn)工作中，也積累了一定的經(jīng)驗(yàn)。我校的物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)是面向環(huán)境、材料等學(xué)院化學(xué)工程、應(yīng)用化學(xué)、環(huán)境工程、制藥工程、材料工程等多專業(yè)開設(shè)的物理化學(xué)理論課程內(nèi)容相配套的實(shí)驗(yàn)課程。物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)是化學(xué)類專業(yè)大學(xué)生在本科階段必修實(shí)驗(yàn)課，主要培養(yǎng)學(xué)生在一些先行實(shí)驗(yàn)課(例如無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)、有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)和分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)課)基礎(chǔ)上的對(duì)實(shí)驗(yàn)技能的綜合運(yùn)用，也是培養(yǎng)學(xué)生科研素養(yǎng)的一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)。物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)主要利用物理的方法和手段對(duì)化學(xué)現(xiàn)象進(jìn)行觀察與測(cè)量，從而揭示化學(xué)反應(yīng)的規(guī)律，有利于提高學(xué)生動(dòng)手能力、獨(dú)立分析和解決問題的能力，培養(yǎng)創(chuàng)新精神。物理化學(xué)具有突出的綜合性、交叉滲透性，給學(xué)生發(fā)揮想象、展示能力的余地很大。課程性質(zhì)決定物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)采用物理學(xué)手段研究化學(xué)問題，實(shí)驗(yàn)設(shè)備成套性強(qiáng)、儀器多、操作復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)時(shí)間較長(zhǎng)，且實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)多，結(jié)果直觀性不強(qiáng)。因此，學(xué)生還不能深刻體會(huì)該實(shí)驗(yàn)課程的重要性，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)“超前”完成的實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)報(bào)告，“例行公事”的講義機(jī)械操作，同學(xué)間“借鑒式”的結(jié)果處理，導(dǎo)致在物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)與操作過程中，學(xué)生缺乏主動(dòng)思考和解決問題的意識(shí)，主體作用難以發(fā)揮，教學(xué)效果不理想。因此，如何切實(shí)達(dá)到教學(xué)效果是值得探討的問題。針對(duì)目前我校物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件和學(xué)生學(xué)習(xí)現(xiàn)狀，我們根據(jù)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的特點(diǎn)，結(jié)合自身的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，探討了如何在物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程中培養(yǎng)學(xué)生的科研能力，以期為物理化學(xué)工作者提供參考。

（一）注重學(xué)生科研基本功的培養(yǎng)

任何一個(gè)優(yōu)秀的科研工作者都需要有扎實(shí)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)主要包括實(shí)驗(yàn)操作和儀器使用技能。目前隨著實(shí)驗(yàn)室科研水平的不斷發(fā)展，教學(xué)儀器也越來越現(xiàn)代化和智能化。例如溫度、壓力和電導(dǎo)率等參數(shù)的測(cè)定均是由儀器自動(dòng)完成的，先進(jìn)的教學(xué)儀器雖然可以簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)操作，縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)間，這就要求教師在培養(yǎng)學(xué)生基本功的時(shí)候盡可能保留一部分原始設(shè)備，一方面可以讓學(xué)生了解教學(xué)儀器的發(fā)展歷史，另一方面鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力。例如恒溫是以后科研實(shí)驗(yàn)中樣品的合成、制備和性能測(cè)試都是不可獲缺條件，因此我們?cè)谖锢砘瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)課中安排學(xué)生動(dòng)手組裝超級(jí)恒溫槽和性能測(cè)試，讓學(xué)生了解恒溫槽是由哪幾部分組成的，怎樣衡量一個(gè)恒溫槽的恒溫效果的優(yōu)劣，起到了較好的效果。還可以給學(xué)生講授在以后的科研實(shí)驗(yàn)里通常用到的恒溫裝置，例如水浴鍋、油浴鍋、反應(yīng)釜等恒溫裝置。

（二）注重培養(yǎng)學(xué)生的科研毅力的培養(yǎng)

物理化學(xué)是利用物理的原理和方法來研究化學(xué)中最基本的規(guī)律和理論。通常在做物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)中，所采取的實(shí)驗(yàn)方法都是物理方法，這些實(shí)驗(yàn)看似比較枯燥。例如恒溫水浴調(diào)節(jié)及黏度的測(cè)定，整個(gè)實(shí)驗(yàn)就是測(cè)定乙醇的流出時(shí)間，利用泊松公式計(jì)算乙醇的黏度，在這個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，要想得到乙醇在不同溫度下的黏度，實(shí)驗(yàn)過程不光要測(cè)定不同溫度下的乙醇的流經(jīng)時(shí)間，還要測(cè)定不同溫度下的水的流經(jīng)時(shí)間，然后利用泊松公式，水在不同溫度下的黏度是已知的，利用這個(gè)已知的黏度就可以計(jì)算出來不同溫度下乙醇的黏度，對(duì)比不同溫度下乙醇的黏度，考察溫度對(duì)于黏度的影響。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中每個(gè)樣品平行測(cè)定三次，而每一個(gè)樣品準(zhǔn)備的時(shí)間就需要約三十分鐘，在這種情況下，一部分學(xué)生就容易出現(xiàn)負(fù)面情緒，這時(shí)就需要指導(dǎo)教師鼓勵(lì)學(xué)生再接再厲，引導(dǎo)學(xué)生科研工作往往是非?？菰锏模枰凶銐虻囊懔Σ拍艿玫揭粋€(gè)較好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

（三）注重培養(yǎng)查閱文獻(xiàn)和撰寫論文的能力

物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)與以往的學(xué)生接觸到的實(shí)驗(yàn)課不同，實(shí)驗(yàn)完成以后，學(xué)生們獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果僅僅是一系列的測(cè)量數(shù)據(jù)，而并非一些真實(shí)的樣品。在這些實(shí)驗(yàn)操作基礎(chǔ)上得出來的結(jié)果大部分學(xué)生往往撰寫的實(shí)驗(yàn)報(bào)告中，只是簡(jiǎn)單的列出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，例如本次實(shí)驗(yàn)測(cè)量的月桂酸鈉的臨界膠束濃度為多少，在這個(gè)時(shí)候授課教師就應(yīng)該指導(dǎo)學(xué)生做完實(shí)驗(yàn)得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果，去查閱相關(guān)文獻(xiàn)中報(bào)道的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，文獻(xiàn)中用哪種方法測(cè)量的，你得出來的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與文獻(xiàn)報(bào)到相比較有無偏差，引導(dǎo)學(xué)生分析出現(xiàn)偏差的原因，這樣學(xué)生撰寫出來實(shí)驗(yàn)報(bào)告才具有實(shí)用意義，也培養(yǎng)了學(xué)生通過查閱文獻(xiàn)獲取信息的能力。

（四）注重培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力

創(chuàng)新能力是技術(shù)和各種實(shí)踐活動(dòng)領(lǐng)域中不斷提供具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值、社會(huì)價(jià)值、生態(tài)價(jià)值的新思想、新理論、新方法和新發(fā)明的能力。創(chuàng)新能力是科研工作者最重要的一個(gè)特質(zhì)，如何在物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力呢。例如在物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)-經(jīng)典實(shí)驗(yàn)燃燒熱測(cè)定實(shí)驗(yàn)中，一般測(cè)定的樣品為粉末狀苯甲酸和萘，并且在測(cè)試前樣品要經(jīng)過研磨和壓片處理。實(shí)驗(yàn)過程中可以啟發(fā)學(xué)生:如果我們要測(cè)定可燃性的氣體和液體的燃燒熱，我們所用的彈式量熱機(jī)還能不能滿足實(shí)驗(yàn)的要求? 如果可以，樣品應(yīng)該做怎樣的預(yù)處理? 再例如用最大氣泡壓力法測(cè)定表面活性劑臨界膠束濃度的實(shí)驗(yàn)，如何測(cè)定樣品改為十二烷基磺酸鈉，該方法還可不可以用， 如果不可以，在我們實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的條件下能不能完成預(yù)期的目標(biāo)。如果改成電導(dǎo)率法測(cè)定表面活性劑的臨界膠束濃度，兩種方法得出來的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

（五）注重培養(yǎng)學(xué)生利用科學(xué)計(jì)算程序處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的能力

物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果的特點(diǎn)是一系列的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在以前的教學(xué)工作中我們鼓勵(lì)學(xué)生利用坐標(biāo)紙作圖。但這種方法只是適用于數(shù)據(jù)量較少的實(shí)驗(yàn)，而對(duì)于數(shù)據(jù)量較多的實(shí)驗(yàn)例如動(dòng)力學(xué)反應(yīng)，利用坐標(biāo)紙作圖就會(huì)給學(xué)生帶來很大的負(fù)擔(dān)，容易使學(xué)生產(chǎn)生煩躁情緒，達(dá)不到鍛煉學(xué)生的目的。因此非常強(qiáng)調(diào)采用商業(yè)化的科學(xué)計(jì)算程序完成相關(guān)的實(shí)驗(yàn)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(xué)生通過這樣的實(shí)踐，能夠獲得很好的科研素質(zhì)訓(xùn)練，這樣不僅節(jié)省了時(shí)間，增加了學(xué)生學(xué)習(xí)的趣味性，也達(dá)到了鍛煉學(xué)生的目的。

教育部在“新世紀(jì)教改工程”中強(qiáng)調(diào)了新世紀(jì)人才的培養(yǎng)宗旨，即注重學(xué)生綜合素質(zhì)的提高，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?。通過在物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程中逐步開展學(xué)生基本科研素養(yǎng)的訓(xùn)練，一方面提高了學(xué)生學(xué)習(xí)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)課的積極性和主動(dòng)性，另一方面培養(yǎng)了學(xué)生開展基本科研業(yè)務(wù)的基本能力，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革更加成熟，為其今后從事專業(yè)研究打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，最終學(xué)有所用，學(xué)有所成。