以創(chuàng)新、環(huán)保為導(dǎo)向的物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)改革與問題剖析

徐彩霞，馬存花，肖芙蓉，陳宏偉,楊紅兵

(石河子大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，新疆 石河子 832003)

0 引 言

基于現(xiàn)代社會(huì)對(duì)人才的需求[1-2]，我?；瘜W(xué)化工學(xué)院制訂了立足新疆，面向西部，服務(wù)于區(qū)域經(jīng)濟(jì)建設(shè)和大化工行業(yè)發(fā)展，培養(yǎng)具有良好的安全、健康、環(huán)境意識(shí)，良好的職業(yè)道德和社會(huì)責(zé)任感，掌握化工生產(chǎn)工藝過程和設(shè)備的基本規(guī)律和原理的人才培養(yǎng)目標(biāo)。作為一門專業(yè)基礎(chǔ)課，物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維、創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力，通過實(shí)驗(yàn)積累、培養(yǎng)科學(xué)研究的綜合能力方面具有重要作用[3-5]。為了將學(xué)院人才培養(yǎng)目標(biāo)落到實(shí)處，結(jié)合學(xué)院實(shí)際情況，物理化學(xué)課程組從實(shí)驗(yàn)設(shè)備更新、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的優(yōu)化與整合、物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)與大學(xué)生研究訓(xùn)練計(jì)劃相結(jié)合、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理手段的現(xiàn)代化4個(gè)方面入手，對(duì)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了一系列以創(chuàng)新、環(huán)保為導(dǎo)向的改革實(shí)踐，提升了物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)質(zhì)量，進(jìn)一步促進(jìn)課程在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維、創(chuàng)新能力、環(huán)保理念等綜合素質(zhì)方面所發(fā)揮的作用[6-9]。并根據(jù)目前課程的現(xiàn)狀，剖析了課程中存在的問題，通過對(duì)問題的剖析找出產(chǎn)生問題的根源，并提出了可行的解決方案。

1 物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)的改革實(shí)踐

1.1 更新實(shí)驗(yàn)設(shè)備

物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)是化學(xué)化工學(xué)院和藥學(xué)院各專業(yè)包括應(yīng)用化學(xué)、材料科學(xué)與工程、化學(xué)工程與技術(shù)、環(huán)境科學(xué)與工程、化學(xué)、藥學(xué)和制藥工程等的專業(yè)基礎(chǔ)課程，因此每年實(shí)驗(yàn)課程工作量大，實(shí)驗(yàn)設(shè)備利用率高，導(dǎo)致設(shè)備維持性能完好的時(shí)間短。為了能更好地呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)效果，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性,學(xué)校2016年更新了大部分實(shí)驗(yàn)設(shè)備，包括燃燒熱的測(cè)定、凝固點(diǎn)降低法測(cè)定分子量、液體飽和蒸氣壓的測(cè)定、低共熔相圖的繪制、雙液系相圖的繪制、電導(dǎo)的測(cè)定及應(yīng)用、蔗糖轉(zhuǎn)化、電動(dòng)勢(shì)的測(cè)定及應(yīng)用和液體表面張力的測(cè)定等實(shí)驗(yàn)設(shè)備。設(shè)備更新后，不僅提高了實(shí)驗(yàn)效率，還節(jié)省了化學(xué)試劑，減小了對(duì)環(huán)境的危害。比如燃燒熱測(cè)定中的壓片，以前的實(shí)驗(yàn)裝置要求將燃燒絲壓入藥片中，可是學(xué)生在壓片的過程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)金屬磨具將燃燒絲割斷而需要重新壓片的情況，而現(xiàn)在的新設(shè)備無需將燃燒絲壓入，極大減少了壓片失敗的情況；液體表面張力測(cè)定實(shí)驗(yàn)中，以前的儀器測(cè)試時(shí)需要溶液至少10 mL，而現(xiàn)在的新設(shè)備僅需要2 mL左右。再比如凝固點(diǎn)降低法測(cè)分子量的實(shí)驗(yàn)，以往實(shí)驗(yàn)需要至少3人才能完成，而且基本都是重復(fù)機(jī)械地?cái)嚢璨僮鳎潞笮枰僮鞯娜松倭?，學(xué)生也不用重復(fù)一些機(jī)械的攪拌操作，而是把精力更多地放在了對(duì)實(shí)驗(yàn)操作、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)原理的理解與思考上，很好地提高了教學(xué)質(zhì)量。教師通過對(duì)新舊設(shè)備的對(duì)比講解，開拓了學(xué)生的創(chuàng)新思維，同時(shí)教師借此鼓勵(lì)學(xué)生要大膽創(chuàng)新。

1.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容優(yōu)化與整合

以前，難溶鹽溶解度的測(cè)定和醋酸解離度與解離常數(shù)的測(cè)定兩個(gè)實(shí)驗(yàn)是獨(dú)立的，但它們所涉及的理論知識(shí)類似，所用儀器相同，實(shí)驗(yàn)操作相對(duì)簡單，因此將兩個(gè)實(shí)驗(yàn)整合在一起，縮短了時(shí)間，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。液體飽和蒸氣壓的測(cè)定，液體表面張力的測(cè)定，低共熔相圖的繪制都屬于物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)。原來液體飽和蒸氣壓的測(cè)定所用的試劑是苯，表面張力實(shí)驗(yàn)所用的液體是正丁醇的溶液，低共熔相圖繪制實(shí)驗(yàn)采用的體系是萘和苯酚。但是苯的毒性很大，萘和苯酚在實(shí)驗(yàn)過程中揮發(fā)量大，造成整個(gè)實(shí)驗(yàn)室味道難聞，而且長時(shí)間無法散去，正丁醇的味道會(huì)讓人反胃，這種試劑的毒性和味道不僅會(huì)影響學(xué)生的身體健康，而且極大地影響了學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的興趣和積極性，同時(shí)也給環(huán)境造成了不良的影響。因此現(xiàn)在將苯和正丁醇都改為乙醇，而將萘和苯酚改為金屬鉍和錫，改為金屬鉍和錫后，即解決了實(shí)驗(yàn)味道難聞的問題，同時(shí)金屬可重復(fù)多次使用，減少了試劑的用量，對(duì)于實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)的節(jié)約和環(huán)境保護(hù)都很有利，并通過這種方式逐步樹立學(xué)生牢固的綠色環(huán)保理念和培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維與能力。

在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的開設(shè)過程中，采用提前1周給學(xué)生安排實(shí)驗(yàn)題目、實(shí)驗(yàn)的目的以及實(shí)驗(yàn)提供的儀器和試劑，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)的難易程度，給學(xué)生提供一些設(shè)計(jì)思路,然后由學(xué)生進(jìn)行設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)中先由每個(gè)組選出代表講解自己的實(shí)驗(yàn)方案，然后同組同學(xué)可對(duì)方案進(jìn)行補(bǔ)充。老師根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案做出點(diǎn)評(píng)，指出實(shí)驗(yàn)方案中存在的問題。然后由學(xué)生補(bǔ)充完善實(shí)驗(yàn)方案，最后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)從資料的查閱、方案的設(shè)計(jì)與完善到實(shí)驗(yàn)的開展過程中給學(xué)生充分的空間去發(fā)揮與培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維、創(chuàng)新能力以及對(duì)知識(shí)綜合運(yùn)用的能力。

1.3 物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)與大學(xué)生研究訓(xùn)練計(jì)劃相結(jié)合

物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)課時(shí)有限，為了進(jìn)一步提高學(xué)生綜合應(yīng)用知識(shí)能力和培養(yǎng)創(chuàng)新思維、創(chuàng)新能力,引導(dǎo)學(xué)有余力的學(xué)生申請(qǐng)大學(xué)生研究訓(xùn)練計(jì)劃(SRP)。在完成SRP項(xiàng)目期間，老師的主要作用是引導(dǎo)學(xué)生，學(xué)生要自己查閱文獻(xiàn)，制定實(shí)驗(yàn)方案，購買試劑，配制溶液，完成實(shí)驗(yàn)和撰寫結(jié)題報(bào)告等，在實(shí)驗(yàn)中肯定會(huì)遇到一些困難和難題，甚至失敗，學(xué)生要自己想方設(shè)法克服困難和難題。經(jīng)過多年實(shí)踐，參與過SRP項(xiàng)目的學(xué)生在查閱資料、動(dòng)手能力、論文撰寫、創(chuàng)新思維、創(chuàng)新能力方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于沒有參與過SRP項(xiàng)目的學(xué)生。比如我院2012級(jí)一同學(xué)在開展負(fù)載型MnO2催化氧化脫硫研究項(xiàng)目期間，較熟練地掌握了催化劑的制備、脫硫?qū)嶒?yàn)、催化劑性能評(píng)價(jià)、催化劑的表征等方面的工作，該同學(xué)經(jīng)過這一系統(tǒng)的訓(xùn)練，對(duì)科研工作產(chǎn)生了濃厚的興趣，因此利用寒暑假和周末時(shí)間很早就投入到畢業(yè)論文實(shí)驗(yàn)工作當(dāng)中，實(shí)驗(yàn)取得了很好的結(jié)果，論文被評(píng)為大學(xué)優(yōu)秀畢業(yè)論文，他被保送為985高校的研究生。

1.4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理手段的現(xiàn)代化

以前在數(shù)據(jù)處理方面，通常要求學(xué)生采用手工作圖，其主要目的是為了防止學(xué)生偷懶、抄襲。但是手工作圖也有很多缺陷，比如費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、結(jié)果準(zhǔn)確性差等問題。為了便于今后學(xué)生進(jìn)行本科畢業(yè)論文的撰寫，工作后能熟練應(yīng)用Origin和Excel等辦公軟件[10-11]，快速融入工作環(huán)境，提升學(xué)生職場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，現(xiàn)在提倡學(xué)生采用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，但是要求每個(gè)學(xué)生必須獨(dú)立完成整個(gè)數(shù)據(jù)處理過程，規(guī)定一旦發(fā)現(xiàn)學(xué)生直接套用別人的處理過程或者打印別人的處理結(jié)果，將會(huì)按照本次實(shí)驗(yàn)不及格處理。軟件的使用要求學(xué)生自學(xué)，學(xué)生在自學(xué)軟件使用和利用計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)的過程，對(duì)學(xué)生自學(xué)能力的培養(yǎng)、創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)都具有積極的促進(jìn)作用。

2 存在問題的剖析與解決方案

盡管物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)開設(shè)了很多年，期間也在不斷改進(jìn)[12-14],但是實(shí)驗(yàn)教學(xué)中仍然發(fā)現(xiàn)存在諸多問題[15-16]。

(1)不重視實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)。物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)原理難懂，操作復(fù)雜。如果課前沒有很好地預(yù)習(xí)，即使課前老師進(jìn)行詳細(xì)地講解原理和實(shí)驗(yàn)操作，很多同學(xué)聽完還是一頭霧水，不知道實(shí)驗(yàn)到底要干什么？怎么做？實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如何處理等？實(shí)驗(yàn)結(jié)束后還是有很多問題沒弄清楚。因此課前預(yù)習(xí)是所有老師都要求的，但是在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)即使強(qiáng)調(diào)預(yù)習(xí)何等重要，課前必須寫好預(yù)習(xí)報(bào)告，老師要進(jìn)行提問等，學(xué)生仍然不夠重視，預(yù)習(xí)報(bào)告就是抄實(shí)驗(yàn)書，提問時(shí)簡單問題也回答不上的情況頻頻出現(xiàn)，很多學(xué)生認(rèn)為回答不上問題，老師也不能把他們?cè)鯓樱詿o論老師如何強(qiáng)調(diào)預(yù)習(xí)，學(xué)生還是不重視。有鑒于此，可以加大提問在課程總評(píng)成績中的比例，對(duì)于回答不上問題的同學(xué)要勇于給零分，讓他們存在掛科的可能，只有讓同學(xué)們意識(shí)到回答不上問題就可能存在掛科風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，他們一定會(huì)重視課前預(yù)習(xí)，這樣才能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性。除此之外，應(yīng)該加強(qiáng)計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)在實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)中的作用。比如利用仿真軟件，讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)前就能通過電腦直觀地看到實(shí)驗(yàn)的整個(gè)操作過程、實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)和實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象等，這對(duì)于學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)原理，提高對(duì)實(shí)驗(yàn)的興趣和學(xué)習(xí)積極性都具有很大的促進(jìn)作用，這也一改以往教師一味抽象講解的局面。這種教學(xué)模式的轉(zhuǎn)變，對(duì)學(xué)生創(chuàng)新思維與能力的培養(yǎng)具有重要作用。

(2)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)受到諸多限制。雖然課程有開設(shè)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，但是離期望的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)差距還很大。比如實(shí)驗(yàn)室只有物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)中用到的常規(guī)儀器和試劑，而采購常用試劑至少需要1周時(shí)間，采購非常用試劑和儀器時(shí)間更長、成本更高，導(dǎo)致學(xué)生的實(shí)驗(yàn)方案范圍會(huì)極大地受到實(shí)驗(yàn)儀器和試劑的限制，學(xué)生沒有充分發(fā)揮的余地，所以設(shè)計(jì)的方法基本一樣，很難調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性，從而失去了設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)本身的意義。因此為了開好設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，學(xué)院應(yīng)該做好實(shí)驗(yàn)室儀器和試劑共享平臺(tái)。學(xué)生在設(shè)計(jì)方案時(shí)，只要共享平臺(tái)中有的儀器和試劑，均可通過履行正常的借用手續(xù)后使用，而不再僅僅局限于物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)室，這樣就可極大的拓寬學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案時(shí)的范圍，真正起到充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性，發(fā)揮主觀能動(dòng)性，培養(yǎng)創(chuàng)新思維與創(chuàng)新能力的目的。

(3)考核方式不完善。以前實(shí)驗(yàn)課程結(jié)束后會(huì)進(jìn)行考試，考試題目采用抽題卡的方式進(jìn)行。題卡中有問答題和實(shí)驗(yàn)操作兩部分。但是考試時(shí)發(fā)現(xiàn)好多學(xué)生平時(shí)表現(xiàn)很好，可是一到抽題卡考試，緊張得什么都不知道了，而且物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)中很多儀器只用一次，學(xué)期結(jié)束時(shí)考核學(xué)生操作，很多學(xué)生都是靠死記，這種考核意義不是很大，后來將期末考核改為設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行考核的辦法，雖然設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)有很多好處，但是發(fā)現(xiàn)沒有期末考核后，學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)課程的重視程度明顯下降，而且很多同學(xué)都抱著只要實(shí)驗(yàn)做完就可以的心態(tài)，至于怎么做，為什么這么做等毫不在意。所以在以后的實(shí)驗(yàn)中，在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)考核的基礎(chǔ)上，還應(yīng)該增加期末考核。具體的成績構(gòu)成比例為：提問20%，操作技能20%，數(shù)據(jù)及處理20%，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)20%，期末考核10%，實(shí)驗(yàn)態(tài)度和考勤10%。并且設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)也要一改”以數(shù)據(jù)”論英雄的做法，應(yīng)該允許學(xué)生犯錯(cuò)誤。如果學(xué)生用心設(shè)計(jì)、用心實(shí)驗(yàn)，但是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)問題很大，對(duì)于這樣的同學(xué)，如果他們能對(duì)錯(cuò)誤進(jìn)行認(rèn)真分析、討論，教師要根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的用心程度和對(duì)錯(cuò)誤分析討論情況給予合理的分?jǐn)?shù)。只有這樣學(xué)生才愿意大膽創(chuàng)新，而不用擔(dān)心萬一設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)失敗成績會(huì)受很大影響的問題。

3 結(jié) 語

在物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)過程中，針對(duì)存在的問題一直在進(jìn)行各種嘗試，然后將成功的嘗試逐漸推廣。通過實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，改革受到了同學(xué)們的歡迎和支持，也取得了一定成效。這也激勵(lì)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)的教師不斷進(jìn)行新的嘗試，以期能夠探索出與快速發(fā)展的社會(huì)相適宜的教學(xué)模式與方法，從而培養(yǎng)出具有過硬綜合素質(zhì)的高水平人才。物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革實(shí)踐，永遠(yuǎn)在路上。