基礎(chǔ)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)的課堂延伸教學(xué)

朱莉娜，馮 霞，陳 麗，田宜靈

(天津大學(xué) 理學(xué)院，天津 南開區(qū) 300072)

物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)作為高等學(xué)?；瘜W(xué)、化工、材料、環(huán)境、醫(yī)藥、生物等專業(yè)的必修實(shí)驗(yàn)課程，近年來與之相關(guān)的教學(xué)改革與探索一直倍受關(guān)注。無論在課程內(nèi)容上，如開設(shè)綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，增加研究型實(shí)驗(yàn)等；還是在教學(xué)方法與體系上，如采用多媒體教學(xué)、實(shí)驗(yàn)室與網(wǎng)絡(luò)結(jié)合教學(xué)、多層次實(shí)驗(yàn)教學(xué)等及儀器設(shè)備等硬件設(shè)施方面，如更新實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器、采用微機(jī)采集數(shù)據(jù)等，國(guó)內(nèi)高校在物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)探索與改革取得了諸多成果[1-7]，對(duì)提升物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)水平和培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐、創(chuàng)新能力起到了積極的作用。但現(xiàn)有的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)還存在一些問題[8-11]，其主要表現(xiàn)為：目前教學(xué)中大多采用傳承的一些經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，內(nèi)容較老，對(duì)學(xué)生缺乏吸引力，學(xué)生興趣不足，學(xué)習(xí)主動(dòng)性差，影響教學(xué)效果；教學(xué)內(nèi)容往往局限在單個(gè)實(shí)驗(yàn)本身，學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛘莆障鄳?yīng)的原理和方法，但他們對(duì)做過的實(shí)驗(yàn)往往只停留在孤立的認(rèn)識(shí)上，不能學(xué)以致用，活學(xué)活用，從學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)上考慮，其實(shí)際教學(xué)效果并不理想；實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)一定，而教學(xué)學(xué)期處于學(xué)生學(xué)業(yè)最忙的大二，在必修課業(yè)繁重的這個(gè)時(shí)期，少有學(xué)生能利用課外時(shí)間主動(dòng)選修設(shè)計(jì)型和研究型實(shí)驗(yàn)以獲得新知識(shí)的拓展和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)等。

如何在教學(xué)中采取科學(xué)而有效的措施，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)讓學(xué)生吸納更多的知識(shí)與方法，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和拓展探究的能力，向課堂要效益，我們認(rèn)為這應(yīng)該是基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的關(guān)鍵措施[12]。據(jù)此，我們?cè)诨A(chǔ)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)中，發(fā)揮教師的創(chuàng)造力與能動(dòng)性，在保持學(xué)時(shí)不變的基礎(chǔ)上，對(duì)教學(xué)方式與內(nèi)容進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)、拓展，將實(shí)驗(yàn)與生活、實(shí)驗(yàn)與科研、實(shí)驗(yàn)與工業(yè)生產(chǎn)相聯(lián)系，給課堂教學(xué)注入“活水”，不僅提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，豐富了學(xué)生的知識(shí)信息，更重要的是培養(yǎng)了學(xué)生知識(shí)整合、活學(xué)活用、探究創(chuàng)新的能力，以及嚴(yán)謹(jǐn)、質(zhì)疑、創(chuàng)新、協(xié)作的科學(xué)態(tài)度，從而顯著地提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，提升了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效益。

1 與生活相聯(lián)系的物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)課堂延伸教學(xué)

心理學(xué)研究表明，學(xué)習(xí)內(nèi)容和學(xué)生熟悉的生活情境越貼近，學(xué)生自覺接納知識(shí)的程度就越高。因此，在課堂教學(xué)中盡量把教材里的知識(shí)與生活中的現(xiàn)象和問題聯(lián)系，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，以提高其學(xué)習(xí)效果。

在恒溫槽的調(diào)節(jié)及黏度測(cè)定實(shí)驗(yàn)中，為使學(xué)生加深理解溫度對(duì)物理量的影響，恒溫技術(shù)在科學(xué)研究中的重要性，我們將生活中的實(shí)例引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)，達(dá)到很好的效果。在講到恒溫槽的應(yīng)用——用烏氏黏度計(jì)測(cè)定乙醇黏度時(shí)，首先從水、食用油、蜂蜜這些生活中常見的物質(zhì)入手，讓學(xué)生形象理解黏度的概念。通過介紹水、食用油、蜂蜜在常溫下的黏度大小(水的黏度約為1cP，食用油依種類不同約為50～100cP，品質(zhì)好的蜂蜜約為4000cP)，讓學(xué)生建立黏度量度的感性認(rèn)識(shí)。引導(dǎo)學(xué)生思考熱稀飯的流動(dòng)性很好，變涼后稀飯流動(dòng)性明顯變差，甚至凝固的現(xiàn)象，則可以讓學(xué)生真切感知溫度對(duì)物質(zhì)黏度的巨大影響。

在本實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)上，讓不同的學(xué)生測(cè)定不同溫度下乙醇的黏度，通過相互之間共享實(shí)驗(yàn)結(jié)果，探究溫度對(duì)乙醇黏度影響的函數(shù)關(guān)系，可進(jìn)一步強(qiáng)化學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的掌握和提升他們分析問題的能力。在凝固點(diǎn)降低法測(cè)定物質(zhì)摩爾質(zhì)量實(shí)驗(yàn)中，引導(dǎo)學(xué)生思考雪天撒鹽化雪的現(xiàn)象，同時(shí)啟發(fā)學(xué)生挖掘生活中的這類現(xiàn)象，如汽車用的防凍玻璃水、臟河水不易結(jié)冰等。在本實(shí)驗(yàn)操作中，要求學(xué)生盡量減少因失誤導(dǎo)致重復(fù)實(shí)驗(yàn)的次數(shù)，引導(dǎo)學(xué)生從亞穩(wěn)態(tài)和新相產(chǎn)生的影響因素、使用環(huán)己烷代替苯作為溶劑的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的優(yōu)缺點(diǎn)來思考這一要求的意義，進(jìn)一步強(qiáng)化學(xué)生對(duì)亞穩(wěn)態(tài)和平衡態(tài)的理解，強(qiáng)化掌握稀溶液依數(shù)性的特點(diǎn)，從而使學(xué)生從思考生活和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象中進(jìn)一步理解物理化學(xué)原理。

在講解用最大泡壓法測(cè)定液體的表面張力的實(shí)驗(yàn)時(shí)，把實(shí)驗(yàn)涉及的理論內(nèi)容與生活中的一些現(xiàn)象聯(lián)系，如昆蟲在水面上行走、硬幣可以浮在水面上等，使學(xué)生對(duì)抽象的科學(xué)概念有更形象的認(rèn)識(shí)。在實(shí)驗(yàn)過程中，隨著正丁醇溶液濃度的增加，學(xué)生遇到很難控制氣泡一個(gè)個(gè)鼓出的問題時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生把這一現(xiàn)象與洗衣粉溶液濃度增加、溶液表面張力減小時(shí)的特點(diǎn)聯(lián)系，可進(jìn)一步加深學(xué)生對(duì)理論內(nèi)容的理解和引導(dǎo)學(xué)生利用理論知識(shí)思考生活中的現(xiàn)象的意識(shí)。

通過與生活相聯(lián)系的課堂延伸教學(xué)設(shè)計(jì)，為學(xué)生打開一扇了解物理化學(xué)知識(shí)應(yīng)用于生活實(shí)踐的窗口；更重要的是，引導(dǎo)學(xué)生在生活中發(fā)現(xiàn)與學(xué)習(xí)，不斷探索揭示生活中的現(xiàn)象和規(guī)律，并將這些原理、方法與技術(shù)運(yùn)用于實(shí)際生活，以此培養(yǎng)學(xué)生終身探索、學(xué)以致用的科學(xué)生活觀。

2 與科研相聯(lián)系的物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)課堂延伸教學(xué)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)與科研結(jié)合，將會(huì)使高?；A(chǔ)教學(xué)緊隨科學(xué)發(fā)展的步伐，洋溢嶄新的生命力與活力。我們認(rèn)為，用新的設(shè)計(jì)型或研究型實(shí)驗(yàn)替代經(jīng)典實(shí)驗(yàn)固然是一種很好的方法，但以基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為主體，將相關(guān)科研內(nèi)容或方法適當(dāng)融入其中，將是教學(xué)中更可行、有效的方式。

氫氧化鐵溶膠的制備與性質(zhì)測(cè)定是一個(gè)經(jīng)典的物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)中，利用界面移動(dòng)法測(cè)定電勢(shì)時(shí)，界面在電泳過程中不斷模糊，給學(xué)生以“粗糙”“低端”的印象。在教學(xué)中，首先介紹法拉第1857年用還原法從氯金酸水溶液中制備金溶膠，即膠體金，正是當(dāng)前最熱的科學(xué)研究前沿領(lǐng)域，吸引學(xué)生對(duì)膠體實(shí)驗(yàn)的重視，把實(shí)驗(yàn)向“高端”提升；從法拉第金溶膠數(shù)十年才聚沉，引出膠體的穩(wěn)定性和電勢(shì)的重要性。在實(shí)驗(yàn)過程中，當(dāng)學(xué)生觀察到界面隨電泳時(shí)間的推移逐漸模糊，引導(dǎo)學(xué)生分析原因，同時(shí)向?qū)W生介紹目前科研中利用動(dòng)態(tài)光散射實(shí)驗(yàn)可以測(cè)定膠體的粒徑分布范圍，用zeta電位儀測(cè)量相應(yīng)的膠體電勢(shì)。利用科研與基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)結(jié)合，既解決了基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中學(xué)生碰到的問題，又突出科研的前沿和嚴(yán)謹(jǐn)，激發(fā)學(xué)生對(duì)科研的興趣。

在過氧化氫催化分解實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，引入對(duì)各種過氧化氫分解反應(yīng)的催化劑的介紹，同時(shí)還向?qū)W生介紹生物體和環(huán)境中過氧化氫檢測(cè)的重要性及利用酶催化過氧化氫的快速反應(yīng)檢測(cè)痕量過氧化氫的科學(xué)研究與應(yīng)用技術(shù)，將“科研”與“應(yīng)用”同時(shí)引入課堂。而在實(shí)驗(yàn)過程中，通過讓學(xué)生細(xì)致觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，思考反應(yīng)過程中溶液顏色變棕黃色的原因，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)已有理論的思考和質(zhì)疑。在乙酸乙酯皂化反應(yīng)速率常數(shù)的測(cè)定實(shí)驗(yàn)中，我們將實(shí)驗(yàn)溫度由25℃、30℃、35℃三個(gè)溫度擴(kuò)展到25℃、30℃、35℃、40℃、45℃，讓學(xué)生分組測(cè)定并合作使用數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)處理中，要求學(xué)生分別采取作[(G0-Gt)/(Gt-G)]-t圖和[1/(G0-Gt)]-t圖并進(jìn)行線性擬合的方法及利用計(jì)算機(jī)作Gt-t圖進(jìn)行非線性擬合的方法，比較數(shù)據(jù)處理方法的改進(jìn)(避免G0、G測(cè)定導(dǎo)致的誤差)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性的影響。這種方式不僅提高了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣和團(tuán)隊(duì)合作能力，提升了學(xué)生分析問題、解決問題的能力；更重要的是，把科研的態(tài)度與精神植入基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)。如何使實(shí)驗(yàn)更加嚴(yán)謹(jǐn)？要達(dá)到同一實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖欠裼衅渌緩郊案鞣N途徑的可靠性及優(yōu)缺點(diǎn)。如何處理獨(dú)立實(shí)驗(yàn)與合作共享的關(guān)系？由此將基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)拓展延伸為準(zhǔn)科研實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生在基礎(chǔ)教學(xué)中得到與科研實(shí)踐相近的鍛煉。

通過教學(xué)設(shè)計(jì)，把科學(xué)前沿領(lǐng)域內(nèi)容或信息引入基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，把科研的思維和方法引入基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生在基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中了解國(guó)內(nèi)外最前沿的研究領(lǐng)域，學(xué)習(xí)科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)方法，得到創(chuàng)新、質(zhì)疑、嚴(yán)謹(jǐn)、協(xié)作等科研素質(zhì)的鍛煉，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)教學(xué)與科研的無縫鏈接。

3 與工業(yè)生產(chǎn)的物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)課堂延伸教學(xué)

產(chǎn)學(xué)結(jié)合是社會(huì)經(jīng)濟(jì)，特別是科技發(fā)展對(duì)教育提出的必然要求。在基礎(chǔ)教學(xué)中我們有意加強(qiáng)教學(xué)和工業(yè)生產(chǎn)的聯(lián)系，以利于創(chuàng)新型、應(yīng)用型人才的培養(yǎng)。

在二組分液相完全互溶系統(tǒng)的沸點(diǎn)-組成圖實(shí)驗(yàn)的教學(xué)中，我們特別引入具有先進(jìn)應(yīng)用水平的波紋填料精餾塔作為課堂教學(xué)延伸，該塔的填料高效、節(jié)能，獲得過國(guó)家科技發(fā)明一等獎(jiǎng)。在教學(xué)中的原理環(huán)節(jié)向?qū)W生引入該精餾塔的介紹，并在基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)完成時(shí)，僅多花5～10min，抽取塔中不同位置的樣品，測(cè)量其精餾分離效果。這樣的教學(xué)設(shè)計(jì)，使學(xué)生不僅了解到蒸餾曲線在工業(yè)分離中的應(yīng)用，切身體會(huì)理論知識(shí)對(duì)實(shí)踐應(yīng)用的指導(dǎo)作用，增加對(duì)理論學(xué)習(xí)的興趣和動(dòng)力；同時(shí)還使學(xué)生了解到產(chǎn)生巨大經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益的高新技術(shù)，深刻理解社會(huì)和工業(yè)需求永遠(yuǎn)是科技發(fā)展和創(chuàng)新的推動(dòng)力。在Sn-Pb二組分凝聚系統(tǒng)相圖的教學(xué)中，將合金凝聚態(tài)相圖是高鐵中的關(guān)鍵技術(shù)——無縫焊接理論基礎(chǔ)的重要組成與教學(xué)內(nèi)容相聯(lián)系，既有利于提高學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)理論學(xué)習(xí)的重視程度，又增強(qiáng)了學(xué)生的民族自豪感，激發(fā)學(xué)生科技創(chuàng)新的動(dòng)力及科技興國(guó)的理想與情懷。

通過基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)與工業(yè)產(chǎn)業(yè)相結(jié)合的課堂延伸教學(xué)，不僅開闊了學(xué)生的視野，使他們看到科學(xué)技術(shù)對(duì)工業(yè)生產(chǎn)的影響，真切地體會(huì)“學(xué)以致用”，極大地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情與科技創(chuàng)新動(dòng)力。

4 結(jié)束語

“師者，所以傳道、授業(yè)、解惑也”，高等學(xué)?；A(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)不僅是讓學(xué)生驗(yàn)證一些理論、學(xué)習(xí)一些技術(shù)，更要注重培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、實(shí)際能力和科學(xué)態(tài)度與創(chuàng)新精神。幾年來，我們本著基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革“可行、科學(xué)、創(chuàng)新”的原則[12]，通過發(fā)揮教師的能動(dòng)性，在基礎(chǔ)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中采取課堂延伸教學(xué)，收到了良好的教學(xué)效果，學(xué)生普遍反映實(shí)驗(yàn)不再是干巴無趣，而變得生動(dòng)有趣且滿載信息，學(xué)生的綜合素質(zhì)得到明顯提高，課堂教學(xué)效益也得到顯著提升。