物理化學實驗教學中培養(yǎng)學生的自主思考和創(chuàng)新實踐能力

利明 杜甫佑

摘 要：學生的自主思考和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)對加強他們的社會競爭能力非常關鍵，實驗課程是這一培養(yǎng)過程非常重要的環(huán)節(jié)。針對《物理化學實驗》課程在經(jīng)歷改革之后出現(xiàn)的設備改進與實驗過程環(huán)節(jié)缺失矛盾、實驗教學時間分配不合理、學生將實驗原理與理論基礎知識聯(lián)系的能力缺乏、學生過于被動的問題，文章提出了一些解決問題的方法，旨在更有效的利用實驗課堂時間，提高學生的自主性、在實驗設計中的參與性，培養(yǎng)他們的實踐創(chuàng)新能力。

關鍵詞：實驗教學；創(chuàng)新實踐能力；自主性

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2018）07-0023-03

Abstract： The cultivation of independent-thinking and innovative-practice abilities of students is very important for enhancing their social competitive strength. The experiment classes are the key parts in this cultivation process. In view of the problems of contradiction between improved equipment and experimental procedure missing， passivity of students and unreasonable time distribution in classes， we proposed some methods solving these problems to make best use of class time， improve students' autonomy and participation in experiments， and enhance students' innovative-practice abilities.

Keywords： experiment class teaching； innovative-practice ability； autonomy

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，社會各企業(yè)、單位對本科畢業(yè)學生的實踐和創(chuàng)新能力的要求越來越高。為了滿足這一需要，提高學生在社會上的競爭能力，我?；瘜W相關的專業(yè)，如應化、化工、環(huán)境工程等，將很多原來處于隸屬地位的專業(yè)實驗與理論課程分開，單獨作為一門獨立課程。這一改革凸顯了實驗實踐在專業(yè)學習中的重要性，是提高學生實踐能力的一個重要舉措?！段锢砘瘜W實驗》就是從原來《物理化學》課程中獨立分出的一門實驗課程。《物理化學實驗》的目的是讓學生強化對物化理論的認識和理解，初步建立用物理手段解決化學問題的思維，了解采用物理手段解決化學問題的技巧和方法[1，2]，同時培養(yǎng)學生的動手實踐能力，促進學生的知識、技能向創(chuàng)新研究能力轉(zhuǎn)化[3，4]。在課程改革之后，物理化學實驗無論從實驗內(nèi)容、考核方式和評分標準上都做了改進，以有利于全面培養(yǎng)和考察學生的實踐能力。但在進行改革之后，經(jīng)過我們一段時間的教學，發(fā)覺《物化實驗》仍然存在一些較為突出的問題。

一、設備改進與實驗過程環(huán)節(jié)缺失的矛盾

由于我校對本科實驗教學的越來越重視，近幾年我們學院物理化學實驗增設了很多設備，并且原來實驗項目的設備進行了大規(guī)模的改進更新。設備數(shù)量的增加，更接近了國家教委規(guī)定的一人一組的要求[5]。設備的更新雖然使實驗的過程進行得更順利，操作過程更方便、快捷，采集的實驗數(shù)據(jù)也更為準確。但是，由于設備進步導致的實驗過程的過度簡化也帶來了一些問題，比如，實驗原理不突出，數(shù)據(jù)處理過程缺失，使得學生在做完實驗后只掌握了儀器設備的操作方法，但對背后的原理和數(shù)據(jù)的處理過程沒有了解。拿我們專業(yè)開設的實驗項目《微電泳儀測定溶膠電動電位》為例。在更換設備前，溶膠電動電位的測定需要學生在U型管中放置氫氧化鐵溶膠和氯化鉀溶液，在溶膠和溶液中施加電場，觀察一定時間內(nèi)氫氧化鐵溶膠與氯化鉀溶液的交界面在電場中的移動來確定溶膠顆粒遷移的速度，再根據(jù)施加電場的大小等參數(shù)來計算電動電位。在引入了微電泳儀后，學生只需要在微電泳儀中放入溶膠，在軟件操作界面上點擊“開始”鍵，并在顯微圖片界面上點擊來回移動的顆粒的前后位置，軟件就可以直接給出電動電位。實驗的過程雖然簡化了，但學生對溶膠顆粒移動的原因直觀感受不強，也不能通過實驗判斷溶膠顆粒帶的什么電荷，并且由于電位數(shù)據(jù)直接由軟件給出，不需要經(jīng)過計算，因此對于電動電位與什么因素有關也并不清楚。即使在實驗前對實驗原理進行說明，實驗過程的現(xiàn)象也缺乏視覺直觀性，對原理的理解達不到加強的效果。

二、實驗教學的時間分配不合理

在實驗教學中，為了保證在一定的課時內(nèi)實驗能順利進行并完成，教師通常花很多時間講解實驗步驟和設備的使用方法，但對于實驗原理及數(shù)據(jù)處理中為了保證采集數(shù)據(jù)的合理及排除誤差所采用的技巧講述得相對較少。比如在燃燒熱的測定實驗中，燃燒前后體系溫度的變化值采用了雷諾作圖法來確定。在這一實驗中，由于實驗裝置的使用相對比較復雜，需要花較長時間講解，因此講解數(shù)據(jù)處理的部分，我們一般只講述雷諾作圖確定溫度差的方法，但幾乎不會提到雷諾作圖法排除儀器散熱和攪拌帶來的熱量誤差的巧妙之處，以及在不同的散熱和額外熱量引入的情況下雷諾圖形會出現(xiàn)的不同變化，雖然這一原理在實驗教材中會有說明，但是在沒有講解的情況下，不會讓學生認識到這一技巧在這一實驗中的重要性。并且為了能在規(guī)定的課時內(nèi)完成實驗，降低過程中會出現(xiàn)問題的幾率，很多實驗步驟都由教師和學生助理在實驗前提前完成了。比如，還是燃燒熱測定實驗中，稱量萘的質(zhì)量并壓片是由學生助理在實驗前準備好的，甚至給氧彈充氧氣的這一步有時也是由實驗老師代勞，不讓學生動手。在很多實驗中用到的藥品溶液，比如電極制備及電池電動勢測定用到的電解液，一級反應速率常數(shù)測定用到雙氧水溶液和碘化鉀溶液，都是提前配制好的。顯然，這對全面提高學生的專業(yè)技能也十分不利。甚至有些學生到了大四做畢業(yè)實習時，實驗中配制一定摩爾濃度和一定體積的溶液需要稱量的藥品質(zhì)量都算不清。

三、學生將實驗原理與理論基礎知識聯(lián)系的能力缺乏

盡管實驗課程是連接基礎學科和應用學科、科學研究的橋梁[6]，課程的目的是讓學生強化對理論的認識和理解，但經(jīng)過我們多年的教學體會，在真正的實驗過程中，學生應用理論知識的能力還有待提高。比如，同樣是在萘燃燒熱測定實驗，因為反應是在密閉空間進行，測定得到的應為恒容熱，也即反應過程的能力學能變（ΔU），而實驗要求的是與反應的恒壓熱，在這一條件下即反應的焓變（ΔH）進行比較。很多同學在測定計算出單位質(zhì)量萘的恒容熱之后，沒有換算成摩爾恒壓熱就直接與理論的摩爾恒壓熱進行比較，或者不知道怎么計算單位摩爾的恒壓熱，但是實際上這部分內(nèi)容在理論課程上是有教授過的。再比如合金相圖實驗，根據(jù)步冷曲線繪制相圖，盡管理論課上都有講過冷卻過程中部分凝固和同時凝固的現(xiàn)象，以及對應在步冷曲線上出現(xiàn)的變化，但是在實際畫圖的時候大部分同學畫的相圖都不完全正確。

四、學生在實驗中過于被動

目前物化開設的實驗項目大多為驗證類，缺乏自主設計性，學生在實驗過程中按部就班地照實驗步驟進行，雖然在一定程度上可以加深對某部分理論內(nèi)容的了解，但對學生自主思考及創(chuàng)新能力的培養(yǎng)幾乎沒有任何幫助。更糟糕的是，某些學生甚至對實驗原理的部分也不求甚解，只是按照教材所列步驟機械地進行實驗，對過程中出現(xiàn)的問題不會分析原因，更不會解決問題。比如在電極制備及電池電動勢的測定這一實驗中，經(jīng)常遇到在將電位差計某一刻度范圍內(nèi)的值調(diào)到最大或最小后，檢流計都不能調(diào)為零的現(xiàn)象，非常多的學生都不會解決這樣的問題。再比如合金相圖實驗，樣品降溫過程中，在記錄樣品溫度隨時間的變化時，中間會出現(xiàn)樣品溫度忽然上升的情況（采用合金相圖的加熱裝置，樣品放置在裝置里，由于裝置有一定的保溫作用，所以在樣品發(fā)生凝固放出熱量的時候，有可能會出現(xiàn)升溫的現(xiàn)象），也是有很多同學就停止了記錄，覺得是實驗出了問題。證明他們在實驗的過程中基本不思考，一出現(xiàn)和教材上說明的狀況不同的現(xiàn)象，第一反應就是儀器出了問題，即使跟他們說明了出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因，仍然有部分同學不知道如何解決問題或者沒法判斷實驗是否正常。這種情況遠沒有實現(xiàn)開設實驗課程的目的，更難以滿足培養(yǎng)創(chuàng)新型專業(yè)人才的要求。

除此之外，我們批閱實驗報告的時候發(fā)現(xiàn)很多同學對正負符號和單位完全不留心，只關心數(shù)值是否正確，甚至都不關心數(shù)值是否正確。雖然這似乎是小問題，與培養(yǎng)學生的自主思考和創(chuàng)新實踐能力無關，但是作為理工科的同學，對這些地方的不注重，即使其他方面的能力很強，在實際的工作中也會帶來非常大的問題。

針對以上的問題，為鞏固、加深學生對物理化學的理解，提高對物理化學理論知識靈活運用的能力，加強學生在實驗課程中的主動性，培養(yǎng)其自主思考和創(chuàng)新能力，提高其專業(yè)技能的角度出發(fā)，我們提出了一些解決方法。進一步改進考核辦法，改變實驗報告的評分標準，鼓勵學生自行設計實驗方案；創(chuàng)造條件，開放公共實驗室，使學生有機會驗證自己的方案[7]；把微課視頻納入實驗預習階段，更有效利用實驗課堂。

為解決設備改進與實驗過程環(huán)節(jié)缺失的矛盾，提高學生在實驗中的主動性，同時培養(yǎng)學生的自主思考和創(chuàng)新能力。我們給予學生對現(xiàn)有的實驗項目重新設計裝置和方案，并進行實驗驗證的條件。仍然以溶膠電動電位的測定實驗為例，由于進行物化實驗的主要為大二的同學，他們的專業(yè)思維和技巧還不很嫻熟，我們限定一定的實驗用品，同時相當于給予了一定的設計提示。比如給出的實驗化學用品為：氫氧化鐵溶膠（棕紅色）、氯化鉀溶液（透明無色）；實驗設備及用品：恒電位儀、U型管、石墨電極；給出計算電動電位的公式。再比如比較簡單的電動勢法測定化學反應的熱力學函數(shù)，這一實驗是通過改變電池的溫度，測定不同溫度條件下電池的電動勢，確定電池電動勢隨溫度的變化率，再應用原電池熱力學公式，計算出電池反應的ΔrGm、ΔrHm、ΔrSm。有了前面電極制備及電池電動勢測定實驗的基礎，這一實驗也完全可以由學生自行設計。由學生提出實驗需要的藥品、儀器設備并擬定實驗的步驟。設計可以分組進行，每組2個同學。在學生分組提交了設計的實驗方案后，選出合理的方案，給予設計的學生課外在開放的公共實驗室對實驗方案進行驗證的機會，并將設計方案的質(zhì)量、操作過程和數(shù)據(jù)處理的情況納入課程成績。

這樣的形式，不僅可以激發(fā)學生思考的積極性，培養(yǎng)他們的創(chuàng)新能力，同時也經(jīng)歷了從設計到實踐的過程，提高他們把理論變成實踐的成就感，激勵他們的創(chuàng)新實踐積極性。

為解決教學時間分配不合理的問題，學生對實驗原理與理論基礎知識聯(lián)系的能力缺乏的問題，對于實驗步驟和設備的使用說明這一類比較機械的內(nèi)容，完全可以通過微課視頻的方式來傳授。課堂上的講授雖然可能更直觀，但是由于一般只講授一遍，并且不能直接演示整個實驗過程，有些同學在過程中稍微分心就漏掉了某個步驟和注意事項。讓學生在實驗預習的階段通過看視頻來了解，不僅可以重復觀看，比在課堂上僅僅一次的講授更容易熟悉整個實驗過程，并且也節(jié)省了課堂的講授時間，可以把更多的時間花在講解原理和數(shù)據(jù)處理的原理技巧上，并適當?shù)膹土曄嚓P的理論課程內(nèi)容，將理論知識的部分與實驗原理和數(shù)據(jù)處理的部分結(jié)合起來。也有時間讓學生自己完成所有的實驗步驟，親自動手配制溶液，熟悉所有儀器設備的使用操作。為了檢查學生的預習情況，在實驗前和實驗中對過程步驟中的某些細節(jié)、儀器設備的操作方法進行提問。同時可以多提出實驗中可能出的現(xiàn)象，給學生一定的時間思考出現(xiàn)這些現(xiàn)象的原因，并回答出相應的解決方法。把學生回答的情況也作為考核成績的一部分。這樣不僅更有效的利用了實驗課堂的時間，并且對學生提出了更高的要求，需要他們在課前就牢記實驗過程和儀器的操作，從而在真正進行實驗的時候更熟練，更容易自己在過程中發(fā)現(xiàn)問題、分析問題并且解決問題，更緊密的將理論知識和實驗過程聯(lián)系起來，在保證實驗過程更順暢的同時也培養(yǎng)了他們的專業(yè)思維和實踐動手能力。

此外，對于學生對于正負符號和單位不夠注意的問題，導致這一現(xiàn)象出現(xiàn)的原因之一是我們在批改學生報告的時候在這方面不是很嚴格，往往是學生的實驗數(shù)據(jù)合理，計算運用的公式正確，數(shù)據(jù)處理方法正確，即使過程數(shù)據(jù)和最終數(shù)據(jù)的正負號、單位不對，報告同樣可以拿很高分，這在一定程度上助長了學生對這些地方的忽視，對于理工科的同學來說是非常不可取的。解決這一問題的方法，是增加這方面犯錯的扣分，讓學生提高重視。

以上解決問題的措施都需要改進的考核方法作為支撐，學生自主設計的實驗方案的質(zhì)量，實驗前對實驗原理、步驟、儀器操作、數(shù)據(jù)處理提問的回答情況都需要納入學生的考核成績，這樣刺激了學生自主思考和創(chuàng)新實踐的積極性。實驗報告的評分標準，在原來的基礎上需要提高過程數(shù)據(jù)和最終結(jié)果數(shù)據(jù)正確與否的分額，糾正學生不重視符號和單位的不良習慣。

《物理化學實驗》作為學生初步接觸專業(yè)實踐的課程之一，不僅要承擔讓學生經(jīng)歷從理論認識到實踐認識的任務，強化對物化理論的認識和理解，初步了解采用物理手段解決化學問題的方法，同時也培養(yǎng)他們自主思考、發(fā)現(xiàn)問題解決問題的能力及創(chuàng)新實踐能力。在現(xiàn)有的改革取得一定成效的基礎上，探索更好的實驗教學模式、更放開實驗資源、進一步改進考核方法是培養(yǎng)符合社會需求，具有與時俱進的專業(yè)創(chuàng)新能力人才而需要不斷進行的工作。

參考文獻：

[1]馮霞，朱莉娜，朱榮嬌.物理化學實驗[M].北京：高等教育出版社，2015：1.

[2]盧樹昌，王小波.關于高校實驗教學改革探討[J].考試周刊，2009（31）：21-22.

[3]謝玉忠，孫光延，金光德，等.物理化學實驗教學中重要環(huán)節(jié)的創(chuàng)新與改革[J].高教學刊，2016（4）：69-70.

[4]方文軍，王國平，雷群芳.在物理化學實驗教學中培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識[J].實驗技術(shù)與管理，2003（6）：8-10.

[5]任宗禮，唐德平.淺析物理化學實驗教學改革初探[J].考試周刊，2007（52）：14-15.

[6]賀德華，麻英.物理化學實驗教學的發(fā)展趨勢與改革探討[J].實驗技術(shù)與管理，2006（3）：13-15.

[7]利明，劉長久.物理化學實驗教學的幾點體會及改革想法[J].高教論壇，2013（10）：61-62.