材料科學(xué)與工程專業(yè)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的構(gòu)建與實(shí)踐

歐利輝 靳俊玲 沈廣宇 陳遠(yuǎn)道 肖安國(guó) 張春香

摘 要 本文結(jié)合湖南文理學(xué)院培養(yǎng)應(yīng)用技術(shù)型及創(chuàng)新型人才的要求，及配合學(xué)校進(jìn)行的工科專業(yè)教學(xué)改革工作的需要，探索了材料科學(xué)與工程專業(yè)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的構(gòu)建與實(shí)踐。新構(gòu)建的物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，能夠能充分發(fā)揮學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的積極性和主動(dòng)性，增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)及應(yīng)用能力，同時(shí)也能夠促進(jìn)教師不斷提升自身的教學(xué)水平，提高物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞 材料科學(xué)與工程 物理化學(xué)實(shí)驗(yàn) 開放設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)

中圖分類號(hào)：G424 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2019.03.063

Abstract Based on the requirements of Hunan University of Arts and Sciences for training applied and innovative talents and the needs of teaching reform of Engineering specialty， this paper explores the construction and practice of physical chemistry experimental teaching system for materials science and engineering specialty. The newly constructed experimental teaching system of physical chemistry can give full play to the enthusiasm and initiative of students to carry out experiments， enhance students' innovative consciousness and application ability， and also promote teachers to constantly improve their teaching level and improve the quality of physical chemistry experimental teaching.

Keywords material science and engineering； physical chemistry experiment； open design experiments

物理化學(xué)是材料科學(xué)與工程專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)是物理化學(xué)教學(xué)的重要組成部分。物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)多為驗(yàn)證性和綜合性實(shí)驗(yàn)。這些實(shí)驗(yàn)內(nèi)容可以培養(yǎng)學(xué)生的基本實(shí)驗(yàn)操作技能和提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作能力，使學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)更容易理解和掌握物理化學(xué)理論知識(shí)。隨著轉(zhuǎn)型背景下我校工科專業(yè)課程體系的改革，材料科學(xué)與工程專業(yè)增加了物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)數(shù)，由原來(lái)的40學(xué)時(shí)增加到如今的48學(xué)時(shí)，這樣我們可以初步探索在驗(yàn)證性和綜合性實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，在我們的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系中增設(shè)8學(xué)時(shí)的開放設(shè)計(jì)性物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)。通過近一年來(lái)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣明顯改善，學(xué)生的科學(xué)研究能力和創(chuàng)新能力能夠得到系統(tǒng)培訓(xùn)和顯著提升，這為進(jìn)一步構(gòu)建材料科學(xué)與工程專業(yè)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1 物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)目前存在的問題

近些年來(lái)，物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)研究方法和儀器設(shè)備不斷更新和改進(jìn)。然而，目前使用的物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教材仍然僅僅包括驗(yàn)證性和綜合性實(shí)驗(yàn)，部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容已經(jīng)不能滿足當(dāng)前培養(yǎng)應(yīng)用型和創(chuàng)新型人才的需求。開放設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的偏少使得學(xué)生的創(chuàng)新能力得不到發(fā)展，阻礙了學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的主動(dòng)性和積極性。另外，現(xiàn)行的物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)與其他先行實(shí)驗(yàn)課程關(guān)聯(lián)較少，有些驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容甚至出現(xiàn)重復(fù)，且學(xué)生在實(shí)驗(yàn)前就已經(jīng)知道絕大多數(shù)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)結(jié)論，不利于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。[1， 2]所有這些問題都導(dǎo)致了材料科學(xué)與工程專業(yè)學(xué)生對(duì)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的重視程度不夠、實(shí)驗(yàn)主動(dòng)性和積極性不高。

2 物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的構(gòu)建與實(shí)踐

在物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，可以利用我院擁有大型儀器設(shè)備的優(yōu)勢(shì)，開展與物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)相關(guān)的大型儀器設(shè)備教學(xué)活動(dòng)。例如，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中學(xué)生會(huì)接觸到差熱分析儀、電化學(xué)工作站以及傅立葉變換紅外光譜儀等方面的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。為了加深學(xué)生對(duì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的理解，可以利用我院這部分大型儀器設(shè)備開展相關(guān)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作，使學(xué)生能夠充分接觸到先進(jìn)的大型儀器設(shè)備，使得物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚋咏咏把乜萍?，提升學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣。

在物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，提高綜合性實(shí)驗(yàn)的比例和難度，并增設(shè)了一定比例的開放設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。經(jīng)過改進(jìn)的綜合性物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)涵蓋了多種實(shí)驗(yàn)方法和手段的應(yīng)用，可以將材料科學(xué)與工程專業(yè)的物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)與有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)融合在一起。[3-6]例如，對(duì)于乙酸乙酯皂化反應(yīng)速率常數(shù)的測(cè)定實(shí)驗(yàn)，可以先讓學(xué)生合成乙酸乙酯，然后再做其皂化反應(yīng)速率常數(shù)的測(cè)定。同時(shí)，我們鼓勵(lì)學(xué)生大膽操作，前提是不損害儀器，不違背儀器工作原理，即使學(xué)生出現(xiàn)了操作失誤，只要教師通過對(duì)因操作失誤導(dǎo)致的錯(cuò)誤結(jié)果進(jìn)行分析，同樣可以達(dá)到物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)目的。例如，在“燃燒熱的測(cè)定”實(shí)驗(yàn)中，可能會(huì)出現(xiàn)點(diǎn)火后燃燒不充分，溫差偏小的情況。教師發(fā)現(xiàn)問題后，并沒有立即指出問題所在，也沒有讓學(xué)生停止實(shí)驗(yàn)，而是等帶學(xué)生實(shí)驗(yàn)完畢，學(xué)生打開氧彈時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)坩堝內(nèi)的物質(zhì)并沒有完全燃燒，殘留著很多黑色物質(zhì)。學(xué)生此時(shí)就會(huì)提出疑問，什么原因會(huì)導(dǎo)致燃燒不完全呢？黑色的物質(zhì)是什么呢？我們的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師沒有立即告知原因，而是讓當(dāng)時(shí)做實(shí)驗(yàn)的學(xué)生一起從源頭分析這種實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。在實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師的引導(dǎo)下，學(xué)生會(huì)逐步分析出燃燒不完全可能是氧彈漏氣所致，隨后教師指導(dǎo)學(xué)生將氧彈重新充氧后用皂液檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)氧彈確實(shí)存在漏氣。通過有問題的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)數(shù)值，學(xué)生能夠很直觀地明白了什么是完全燃燒和不充分燃燒，也知道了在物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)中裝置氣密性檢測(cè)的一種常用實(shí)驗(yàn)方法。所有這些能夠有效提升學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的積極性和主動(dòng)性。此外，我們?cè)鲈O(shè)了開放設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。為材料科學(xué)與工程專業(yè)的學(xué)生提供了一個(gè)進(jìn)一步提高實(shí)驗(yàn)技能，培養(yǎng)創(chuàng)新能力，掌握科學(xué)研究方法的機(jī)會(huì)。此部分實(shí)驗(yàn)由學(xué)生自主提出具有研究性、創(chuàng)新性、以及設(shè)計(jì)性的實(shí)驗(yàn)方案，由實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師對(duì)其可行性進(jìn)行論證，對(duì)論證可行的實(shí)驗(yàn)課題或?qū)嶒?yàn)方案，物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)室提供實(shí)驗(yàn)所需要的基本條件，最終由學(xué)生在實(shí)驗(yàn)教師的指導(dǎo)下獨(dú)立完成開放設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。通過學(xué)生自主查找實(shí)驗(yàn)資料，這種開放設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)?zāi)軌虺浞终{(diào)動(dòng)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的興趣，以及學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性，充分發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)造力與想象力，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、提升學(xué)生的創(chuàng)新及應(yīng)用能力具有重要的作用，同時(shí)可大大提高實(shí)驗(yàn)設(shè)備的利用率。

為了調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性，在物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)基本理論教學(xué)階段，我們改變了往年單一的教學(xué)模式，采取了多種不同的教學(xué)形式。與理論教學(xué)類似的是，在物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中我們也要去指導(dǎo)教師多媒體技術(shù)進(jìn)行理論部分的講授。往年我們采取的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法較為單一，由指導(dǎo)教師課前將實(shí)驗(yàn)原理與步驟部分寫好板書，課堂對(duì)照儀器進(jìn)行講解。由于指導(dǎo)教師在講授過程中不可能會(huì)從頭到尾將實(shí)驗(yàn)演示一遍，所以學(xué)生在聽的過程中會(huì)感到很抽象，到開始進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，可能很難回憶起實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師講述的實(shí)驗(yàn)要點(diǎn)。我們目前采用了較為生動(dòng)的多媒體教學(xué)手段，對(duì)于實(shí)驗(yàn)內(nèi)容我們使用形象的動(dòng)畫和流程圖來(lái)進(jìn)行講解，這樣學(xué)生可以獲得更為直觀的認(rèn)識(shí)，從而可以顯著提高學(xué)生的理論學(xué)習(xí)效率，提升學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)積極性和主動(dòng)性。同時(shí)，我們針對(duì)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程注重實(shí)際操作的特點(diǎn)，我們要求實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師在講授實(shí)驗(yàn)時(shí)輕理論，重實(shí)踐，即對(duì)于實(shí)驗(yàn)理論部分盡量做到簡(jiǎn)明扼要，重點(diǎn)講授儀器設(shè)備操作步驟及工作原理。此外，物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理也是非常重要的部分，我們往年都是要求學(xué)生使用坐標(biāo)紙繪圖，如今我們鼓勵(lì)學(xué)生用計(jì)算機(jī)完成，使學(xué)生能夠在本科階段學(xué)會(huì)使用Origin和Chemdraw等常用作圖軟件，這不僅可以降低坐標(biāo)紙繪圖引起的誤差，而且對(duì)學(xué)生今后進(jìn)一步深造進(jìn)行科研工作也是很有益處的。

3 新構(gòu)建的物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的教學(xué)效果

在我們往年的物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式下，實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師作為主體傳授知識(shí)給學(xué)生，學(xué)生被動(dòng)地接受知識(shí)和實(shí)驗(yàn)技能，這樣會(huì)造成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容單一，學(xué)生在完成實(shí)驗(yàn)后在腦海中不會(huì)產(chǎn)生較為深刻的印象，從而不能充分發(fā)揮學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的積極性和主動(dòng)性。我們提高綜合性實(shí)驗(yàn)的難度及增設(shè)開放設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)后，學(xué)生普遍反映比較好，學(xué)生可以根據(jù)自己的興趣選擇實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，查閱文獻(xiàn)，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案并認(rèn)真完成，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)及創(chuàng)新能力能夠得到較大提高，對(duì)將來(lái)完成畢業(yè)論文及從事科學(xué)研究都有很大的幫助。同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)方案論證過程中也可以增加學(xué)生與實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師交流的機(jī)會(huì)，能夠更好地表達(dá)對(duì)實(shí)驗(yàn)的一些設(shè)想，通過與指導(dǎo)教師交流及查閱資料，逐步完善實(shí)驗(yàn)方案，這也能培養(yǎng)學(xué)生的協(xié)作精神和探索精神。在材料科學(xué)與工程專業(yè)中增設(shè)開放設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，能夠很好地幫助學(xué)生理解材料的合成、表征及應(yīng)用等與物理化學(xué)密切相關(guān)。物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)綜合了化學(xué)及材料領(lǐng)域中各分支學(xué)科所需要的基本理論和研究方法，在材料科學(xué)與工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程中具有非常重要地位。材料科學(xué)與工程專業(yè)增設(shè)開放設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目是基于學(xué)生的專業(yè)特點(diǎn)出發(fā)，增設(shè)突出物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)基本原理又緊密結(jié)合材料專業(yè)需求的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，這增強(qiáng)了學(xué)生對(duì)專業(yè)的興趣，開闊了學(xué)生的專業(yè)視野，增強(qiáng)了學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。

材料科學(xué)與工程專業(yè)增設(shè)物理化學(xué)開放設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師也是全新的嘗試。在物理化學(xué)開放設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的實(shí)施過程中，指導(dǎo)教師要指導(dǎo)學(xué)生查閱資料、修改學(xué)生設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案并與學(xué)生共同討論設(shè)計(jì)方案。在解答學(xué)生遇到的困難和疑問時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師沒有接觸到的新問題，這就要求指導(dǎo)教師也要不斷學(xué)習(xí)和完善知識(shí)儲(chǔ)備。新構(gòu)建的物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，也能夠促進(jìn)教師不斷提高自身的教學(xué)水平和科研能力，提高物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。

4 結(jié)論

在材料科學(xué)與工程物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，提高綜合性實(shí)驗(yàn)的比例和難度，并增設(shè)一定比例的開放設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，能夠充分發(fā)揮學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的積極性和主動(dòng)性，提升學(xué)生對(duì)專業(yè)的學(xué)習(xí)興趣，開闊學(xué)生的專業(yè)視野，增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、協(xié)作精神和探索精神。新構(gòu)建的物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，也能夠促進(jìn)教師不斷提升自身的教學(xué)水平和科研能力，提高物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。

*通訊作者：歐利輝

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