(北京工業(yè)大學(xué) 環(huán)境與能源工程學(xué)院 化學(xué)化工系 綠色催化與分離北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100124)

工程教育專業(yè)認(rèn)證是國際通行的工程教育質(zhì)量保證制度，是實(shí)現(xiàn)工程教育國際互認(rèn)和工程師資格國際互認(rèn)的重要基礎(chǔ)[1-3]。2015年年初，我校環(huán)境工程專業(yè)順利通過工程教育專業(yè)認(rèn)證。工程教育專業(yè)認(rèn)證更注重學(xué)生工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)，強(qiáng)調(diào)對(duì)教育體系的持續(xù)改進(jìn)[4]。

物理化學(xué)是環(huán)境科學(xué)專業(yè)的一門重要基礎(chǔ)課，在人才培養(yǎng)方案中先修的課程包括無機(jī)及分析化學(xué)、大學(xué)物理、高等數(shù)學(xué)等[5]，并為后續(xù)的環(huán)境工程原理、水質(zhì)工程學(xué)、大氣污染控制工程等課程提供支持。而實(shí)驗(yàn)教學(xué)是物理化學(xué)學(xué)科體系中重要的教學(xué)環(huán)節(jié)，因其綜合性更強(qiáng)，使其對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維、實(shí)踐動(dòng)手能力和應(yīng)用能力起著至關(guān)重要的作用。合理設(shè)置實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，運(yùn)用好實(shí)驗(yàn)這個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)不僅能加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解，更能使學(xué)生掌握一定的實(shí)驗(yàn)技能，培養(yǎng)解決問題的思路，并能初步解決實(shí)際工程問題[6]。高校學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰筛爬榛灸芰透呒?jí)能力。前者主要包括實(shí)驗(yàn)操作能力、觀察能力、思維能力、數(shù)據(jù)處理能力和儀器設(shè)備的應(yīng)用能力；后者主要包括分析和解決問題的能力、研究能力、綜合能力和創(chuàng)新能力[7]。但目前高校物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)在培養(yǎng)學(xué)生能力方面仍存在諸多問題，在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容方面主要體現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)題目簡單，驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)偏多，綜合性、研究型性實(shí)驗(yàn)偏少，限制了學(xué)生獨(dú)立思考的空間[8]。在工程認(rèn)證背景下，更加注重以學(xué)生為中心，強(qiáng)調(diào)學(xué)生對(duì)知識(shí)的主動(dòng)探索、主動(dòng)發(fā)現(xiàn)和對(duì)所學(xué)知識(shí)意義的主動(dòng)建構(gòu)[9]，提高解決實(shí)際問題的能力。因此，物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程持續(xù)改進(jìn)的重要性不言而喻。筆者將從豐富及更新實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，構(gòu)建具有基礎(chǔ)性、綜合性和研究應(yīng)用性等多層次實(shí)驗(yàn)體系方面提出建議。主要包括豐富驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、開設(shè)大型儀器虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)以及研究性實(shí)驗(yàn)。

1 驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的改革

在物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)中， 驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)一般是若干個(gè)具有代表性的必修實(shí)驗(yàn)，目的是培養(yǎng)學(xué)生數(shù)據(jù)處理及分析能力，并通過實(shí)驗(yàn)加深對(duì)理論知識(shí)的理解，主要目的為鍛煉學(xué)生的基本能力。目前來看，我們所開設(shè)的必修實(shí)驗(yàn)內(nèi)容較單一，數(shù)據(jù)處理過程及分析過程也略顯單薄，尚需精心設(shè)計(jì)和豐富內(nèi)容才能達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹＠?，?duì)于飽和蒸氣壓的測定，往往單一選用靜態(tài)法或者動(dòng)態(tài)法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)對(duì)氣-液平衡和克勞修斯-克拉貝龍方程等概念的理解不夠深入，在數(shù)據(jù)處理及分析方面得到的鍛煉不足。因此，我們建議將兩種方法都提供給學(xué)生進(jìn)行嘗試和比較，通過對(duì)一個(gè)問題的多方面考證與分析，鍛煉學(xué)生的思維及動(dòng)手能力。

首先通過兩種方法的實(shí)驗(yàn)操作鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力，通過實(shí)際體驗(yàn)分析兩種方法在操作難易方面的優(yōu)缺點(diǎn)，并能體會(huì)出實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的思路，比如如何控制汽液平衡，如何操作能夠靈敏地調(diào)整控制條件。其次，用數(shù)據(jù)處理軟件如origin處理由兩種方法得到的兩套數(shù)據(jù)，擬合直線方程，給出方程表達(dá)式，根據(jù)克勞修斯-克拉貝龍方程確定在實(shí)驗(yàn)溫度(或壓力)范圍內(nèi)乙醇的平均摩爾蒸發(fā)熱。并與理論值相對(duì)比，分析兩種方法在準(zhǔn)確度方面的不同。這樣的數(shù)據(jù)處理與分析過程就比較豐富，能夠使學(xué)生得到充分鍛煉。最后，綜合分析兩種方法的特點(diǎn)，鼓勵(lì)學(xué)生給出對(duì)測量裝置的改進(jìn)建議，提高學(xué)生解決實(shí)際問題的能力。如此下來，我們通過對(duì)一個(gè)問題的多角度分析，采用控制不同因素來達(dá)到同一個(gè)目的，并采用對(duì)比手段進(jìn)行分析，雖然在課時(shí)上增加了一些，但卻能大大提高學(xué)生的應(yīng)用能力。

2 開設(shè)大型儀器虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)借助于圖形圖像、Flash動(dòng)畫等現(xiàn)代技術(shù)構(gòu)建高度仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對(duì)象， 在計(jì)算機(jī)環(huán)境中建立逼真可視化的實(shí)驗(yàn)操作環(huán)境。突破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式限制，將抽象的內(nèi)容具體化、形象化，學(xué)生可以運(yùn)用各種虛擬實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備高效、安全、經(jīng)濟(jì)的完成各種預(yù)定的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目[10]。近年來，物化實(shí)驗(yàn)的儀器發(fā)展迅速，越來越先進(jìn)，掌握一些常用大型儀器的操作與結(jié)果解析，對(duì)學(xué)生將來從事實(shí)踐、科研都大有裨益。而大型儀器臺(tái)由于套數(shù)和實(shí)際教學(xué)學(xué)時(shí)限制，學(xué)生在每一個(gè)短短的教學(xué)單元內(nèi)很難做到熟練操作儀器、并深刻理解儀器工作原理。因此開設(shè)大型儀器虛擬仿真實(shí)驗(yàn)十分必要。我們擬開設(shè)X-射線衍射儀(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)、比表面測試儀(BET)以及熱重-差熱熱分析儀(TG-)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。

例如，對(duì)于XRD虛擬仿真實(shí)驗(yàn)來說，模擬X-射線衍射儀(XRD)基本工作原理，模擬儀器的基本結(jié)構(gòu)及工作過程，以幫助學(xué)生對(duì)儀器工作原理有個(gè)基本理解，設(shè)計(jì)人機(jī)交互式樣品預(yù)處理環(huán)節(jié)，使學(xué)生對(duì)樣品預(yù)處理過程有大致了解，設(shè)計(jì)并模擬每一步的操作過程，使學(xué)生在計(jì)算機(jī)上完成每一步操作。最后根據(jù)模擬的譜圖，對(duì)學(xué)生進(jìn)行簡單的圖譜解析訓(xùn)練，使其能夠利用數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)解析出樣品的構(gòu)成，并要求學(xué)生完成并提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

在虛擬的儀器分析環(huán)節(jié)，學(xué)生可以對(duì)每個(gè)步驟進(jìn)行仿真操作，最后，學(xué)生通過整理相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，完成并提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告。這些是對(duì)真實(shí)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的重要擴(kuò)展。

3 開設(shè)綜合性實(shí)驗(yàn)實(shí)際接觸先進(jìn)測試手段

在上面我們提到的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以面向全部學(xué)生開放，學(xué)生在電腦上可以熟悉大型儀器的使用。由于北京工業(yè)大學(xué)具有大型儀器共享平臺(tái)，具有較為充足的資源，可以滿足部分對(duì)科研懷有興趣的同學(xué)。具體方式可以采用選修綜合性實(shí)驗(yàn)的方式，教師設(shè)計(jì)一些小課題，指導(dǎo)學(xué)生實(shí)際使用這些先進(jìn)的測試手段。比如，Ti4O7是一種活性很強(qiáng)的新能源功能材料，晶體結(jié)構(gòu)為氯化鈉型立方晶型和金紅石型正方晶型的混合粉末，在電池領(lǐng)域、環(huán)保行業(yè)及水處理領(lǐng)域等具有重要的應(yīng)用。設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)如下，采用不同質(zhì)量比的碳的前驅(qū)體聚乙烯醇(PVA)與TiO2混合，在氮?dú)庵屑訜岬?100℃得到各種不同Ti-O化合物(Ti4O7，Ti5O9、Ti6O11)。利用X-射線衍射儀鑒定物質(zhì)的結(jié)構(gòu)，并得出結(jié)論在二者質(zhì)量比為1∶1時(shí)獲得Ti4O7[11]。采用SEM觀測燒結(jié)前后的TiO2和Ti-O化合物粒徑與粒子團(tuán)聚狀況。進(jìn)一步采用BET手段測得Ti-O化合物的比表面積，以判斷其是否適合作為電催化劑的載體。教師可以根據(jù)自己的研究方向，結(jié)合具體實(shí)驗(yàn)條件，設(shè)計(jì)各種小課題來進(jìn)行綜合性實(shí)驗(yàn)，課時(shí)數(shù)控制在16學(xué)時(shí)之內(nèi)。使學(xué)生們用較少的時(shí)間接觸到本科階段很少涉獵的前沿科學(xué)研究方法，激發(fā)其科研興趣。

4 開設(shè)研究性實(shí)驗(yàn)激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性

上面談到的綜合性實(shí)驗(yàn)還是以教師作為主體，主要目的是讓學(xué)生熟悉大型儀器的使用方法及功能。還可以進(jìn)一步設(shè)計(jì)研究性實(shí)驗(yàn)，以一年為研究周期，選擇具有一定深度和前沿性的小課題或者直接參與老師的科研項(xiàng)目，面向有強(qiáng)烈科研意愿的同學(xué)。這些實(shí)驗(yàn)可與學(xué)校的大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃相結(jié)合，以學(xué)生為主體，學(xué)生通過自己查閱文獻(xiàn)、自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，教師組織具有豐富科研經(jīng)歷的老師和研究生參加方案合理性論證會(huì)，方案通過后學(xué)生自己動(dòng)手做實(shí)驗(yàn)工作，在實(shí)驗(yàn)過程中充分發(fā)揮學(xué)生的積極主動(dòng)性和創(chuàng)造性。若方案未通過，在教師指導(dǎo)下進(jìn)行修正。這樣的“研究性實(shí)驗(yàn)”以學(xué)生為主體，通過學(xué)生的獨(dú)立思考，自主學(xué)習(xí)，鼓勵(lì)其自由發(fā)揮，激發(fā)學(xué)生的探索精神和創(chuàng)造性思維，培養(yǎng)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)分析問題并且解決問題的能力[12]。開設(shè)研究性實(shí)驗(yàn)，可以充分利用各課題組的實(shí)驗(yàn)室與實(shí)驗(yàn)設(shè)備，進(jìn)一步對(duì)在之前驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)及綜合性實(shí)驗(yàn)中所學(xué)到的各種儀器操作鞏固提高；學(xué)生通過研究性實(shí)驗(yàn)的訓(xùn)練，熟悉前沿科學(xué)研究方法，提高高級(jí)能力，為學(xué)生將來做畢業(yè)設(shè)計(jì)或者進(jìn)一步深造奠定基礎(chǔ)，并為我校研究生后備人才進(jìn)行儲(chǔ)備。物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改進(jìn)提高是一項(xiàng)長期的任務(wù)。在工程認(rèn)證的背景下，筆者提出了一些粗淺的建議，希望能給同行們以參考，為共同提高物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)質(zhì)量而努力。