當(dāng)前大學(xué)物理化學(xué)實驗教學(xué)中的問題與探討*

易松健，扶雄輝

(暨南大學(xué)化學(xué)與材料學(xué)院化學(xué)系，廣東 廣州 510632)

“物理化學(xué)實驗”是一門理論性、實踐性、綜合性、研究性很強的課程，是需要綜合運用物理和化學(xué)原理與技術(shù)，方法與儀器及數(shù)學(xué)運算工具等多方面的知識課程[1-2]。物理化學(xué)實驗與其他化學(xué)實驗(如無機化學(xué)，有機化學(xué))相比更側(cè)重于對化學(xué)規(guī)律的解釋，是理工類院校面向化學(xué)，環(huán)境，藥學(xué)和材料等專業(yè)人才的一門重要課程，是理論性很強的物理化學(xué)的重要組成部分[3]。隨著國家提出建設(shè)創(chuàng)新型國家的目標(biāo)的要求，培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新能力，提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)成為每所高校的重要任務(wù)。如何有效地為國家輸送創(chuàng)新型人才成為高校教學(xué)的熱點[4-7]。理論與實踐相結(jié)合，實驗教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力，工程實踐能力的重要途徑，是創(chuàng)新人才培養(yǎng)中不可或缺的環(huán)節(jié)。如何提高教學(xué)的成效，充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，成為高校教學(xué)改革的重點[8-10]。

去年2018年秋季，是第一批千禧學(xué)生進(jìn)入到大學(xué)校園，他們在成長的過程中所接收到教育以及所處的環(huán)境已經(jīng)不同于90后學(xué)生，他們具有更開闊的視野，對新鮮事物的接受能力更強，對于學(xué)習(xí)更有自己的主見等新特點,為了提升本校的物化實驗教學(xué)效果，我們面向化學(xué)與材料學(xué)院，藥學(xué)院，環(huán)境學(xué)院，國際學(xué)院的2018級和2017級學(xué)生開展了相關(guān)的問卷調(diào)查，發(fā)放問卷100份，回收87份。

1 學(xué)生對實驗課程的重視程度

調(diào)查結(jié)果見圖1。問卷調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，認(rèn)為物化實驗“十分重要”和“重要”的學(xué)生共有73人，分別占有47.13%和37.93%，而認(rèn)為“一般”和“沒必要”共有14人，分別占13.79%和1.15%。從數(shù)據(jù)中，我們可以看出，新生代學(xué)生對于物化實驗課程的重視程度還是很高的，能夠很好地認(rèn)識到實驗課程的學(xué)習(xí)對于理論學(xué)習(xí)有重要指引作用，只有少數(shù)的同學(xué)認(rèn)為實驗課程開設(shè)不是很重要，這值得我們?nèi)リP(guān)注，去考慮是課程設(shè)置，還是課程內(nèi)容難度導(dǎo)致這少部分學(xué)生不重視實驗的學(xué)習(xí)。

以上結(jié)果，對于實驗教學(xué)的老師也提出更高的要求，在實際的教學(xué)過程中，要更加注重引導(dǎo)學(xué)生，激發(fā)學(xué)生的興趣與思考，讓其深刻體會實驗過程中所蘊含的科學(xué)規(guī)律。譬如在基礎(chǔ)實驗課“表面活性劑臨界膠束濃度的測定”中，我們可以提問學(xué)生思考為什么表面活性劑濃度升高，到達(dá)某個特定值后，會發(fā)生物理性質(zhì)的突變，我們這里是使用電導(dǎo)率來表征，那是否能利用透光率或者折射率來進(jìn)行表征呢，做到以點帶面，能夠讓學(xué)生學(xué)會舉一反三。物化實驗作為理工類的實驗課程，原理以及操作會相對枯燥，因此可能會造成部分學(xué)生對于學(xué)習(xí)缺乏興趣，所以我認(rèn)為教師在上課的過程中可以適當(dāng)加入一些人文類的知識，譬如講述表面活性劑在日常生活中的應(yīng)用，如最常見的洗衣液，護(hù)膚品等化工產(chǎn)品就會加入表面活性劑的以起到潤濕的作用。通過增強學(xué)科知識與生活的聯(lián)系，理論聯(lián)系實際，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。

圖1 實驗課程的重視程度

2 通過實驗學(xué)習(xí)，學(xué)生希望得到哪些方面的提升？

在了解完學(xué)生關(guān)于實驗課程重視程度后，我們繼續(xù)關(guān)注學(xué)生進(jìn)行實驗的核心驅(qū)動力。數(shù)據(jù)顯示，選擇“加深對物化基本原理的理解”、“學(xué)習(xí)儀器操作方法”和“實驗技能的培養(yǎng)”學(xué)生數(shù)最多，基本都達(dá)到70人左右，約占總?cè)藬?shù)的78%，而選擇“鍛煉實驗思維”和“數(shù)據(jù)記錄及分析方法”的學(xué)生人數(shù)居中，分別為53人和56人，然最后選擇“實驗手段”的學(xué)生人數(shù)最少，僅有42人，不到總?cè)藬?shù)的50%。結(jié)果表明，大部分學(xué)生進(jìn)行實驗的目的是希望通過實驗的學(xué)習(xí)，增強對知識的理解以及運用，并從中掌握儀器的操作的方法，為未來自己所從事的專業(yè)工作儲備相關(guān)的技能。但是，我們的學(xué)生卻忽略了實驗的學(xué)習(xí)對于思維鍛煉的重要性，因為在真正的科研當(dāng)中，實驗的思路以及手段的選擇都是內(nèi)生的，它是無法通過導(dǎo)師的指引產(chǎn)生的，它需要自我反思，自我歸納，總結(jié)經(jīng)驗從而產(chǎn)生屬于自己的方法學(xué)，還有實驗數(shù)據(jù)的記錄也是非常重要的，數(shù)據(jù)記錄的規(guī)范性，精度選擇，單位以及溫度壓力條件等等，對于將來要選擇繼續(xù)深造的學(xué)生來說，這些都是獲得科研成功的基本保證。

針對這一調(diào)查結(jié)果，我們計劃在實驗的教學(xué)過程中新增兩方面內(nèi)容：第一，在講授實驗原理的時候加入實驗手段選擇的內(nèi)容，譬如在“乙酸乙酯皂化反應(yīng)速率的測定”這個常規(guī)實驗中增加新的測定方式，將使用電導(dǎo)率測定改為折光率測定來監(jiān)控反應(yīng)速率，以及引導(dǎo)思考是否還存在別的測定方法，將實驗方法的選擇進(jìn)行對比總結(jié)，歸納不同方法的優(yōu)異，實現(xiàn)對學(xué)生思維的鍛煉訓(xùn)練。第二，加強數(shù)據(jù)記錄的規(guī)范性，如實驗“恒溫水浴的性能測試”中著重強調(diào)實驗記錄需要精確到小數(shù)點后4位，若記錄不準(zhǔn)確，將帶入誤差，導(dǎo)致結(jié)果無法正確反映恒溫水浴裝置的性能。所以教師在學(xué)生進(jìn)行實驗的過程中，需時刻觀察學(xué)生是否出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)，及時指出問題數(shù)據(jù)。

圖2 實驗教學(xué)中幾個重要的方面

3 學(xué)生對哪些實驗比較感興趣

目前，我校物化實驗課程主要面向理工類學(xué)生開設(shè)，所涉及的課程內(nèi)容大多為驗證性的實驗，直到前年才增設(shè)了物化綜合性實驗。在本次調(diào)查當(dāng)中，超過71%的學(xué)生選擇了對“驗證性實驗”感興趣，緊隨其后的是“綜合性實驗”大約為60%。另外我們還增加了四個可選項“設(shè)計性實驗”，“開放性實驗”,“課題研究性實驗”,“自擬課題型實驗”，選擇人數(shù)分別為36人，33人，38人，13人。分析數(shù)據(jù)可知，大部分學(xué)生對于已開始的驗證性和綜合性實驗感興趣程度高，而未來我們希望新增的課程，如設(shè)計性實驗則對于學(xué)生的吸引性不突出，分析原因，可能是由于對內(nèi)容的陌生及接觸少，所以比較少的學(xué)生選擇，而“自擬型實驗”選擇人數(shù)最低，這恰恰說明了學(xué)生此類無指引的開放型實驗的不適應(yīng)，這需要我們做好更多的鋪墊才能引進(jìn)此類課程。

圖3 實驗類型的選擇

美國著名的科學(xué)家芝加哥大學(xué)施瓦布認(rèn)為：學(xué)生學(xué)習(xí)的過程與科學(xué)家研究過程本質(zhì)上是一致的，其實，關(guān)于大學(xué)物理化學(xué)實驗課程引入研究型課題在許多高校已經(jīng)開展了。結(jié)合本次調(diào)查結(jié)果，我們計劃將在已開展的綜合性實驗的基礎(chǔ)上，每個學(xué)期增設(shè)研究型課題，即在成熟的探究體系下，由導(dǎo)師提出研究的課題，并提供相關(guān)文獻(xiàn)，由學(xué)生自主設(shè)計實驗方案，導(dǎo)師初步審核其可行性后開展研究性實驗，譬如綜合性實驗“鋰離子三元電池組裝和電池性能測試實驗”中涉及到碳材料的制備，基本的方案是通過木屑的燃燒收集炭黑得到，我們可以將課題更新為“不同碳材料鋰電的性能測試”，其探究材料可以拓展至活性炭，花生殼，樹葉等一切含碳物質(zhì)，讓學(xué)生從文獻(xiàn)出發(fā)選擇最佳的實驗材料，從而達(dá)到提升學(xué)生自主研究的能力。另一方面，實驗教師在準(zhǔn)備基礎(chǔ)課程內(nèi)容的同時，也要緊跟進(jìn)自己學(xué)科的前沿信息，如鋰電制備及性能，電化學(xué)產(chǎn)氫產(chǎn)氧等，在今后的綜合實驗中都可適當(dāng)引進(jìn)，不斷更新實驗內(nèi)容。

4 學(xué)生是如何進(jìn)行實驗前的預(yù)習(xí)？

實驗課前預(yù)習(xí)是實驗?zāi)軌虬踩行ч_展的重要前提。那么本校的學(xué)生是如何進(jìn)行課前的預(yù)習(xí)的呢，這次的調(diào)查給了我們答案，占有半數(shù)的學(xué)生(49.4%)的學(xué)生“根據(jù)講義內(nèi)容，抄寫完成預(yù)習(xí)報告”，僅有三成(34.8%)的同學(xué)會選擇“結(jié)合課本內(nèi)容，理解性地完成預(yù)習(xí)報告”，剩下少部分的同學(xué)會選擇“在課上結(jié)合教師的講解完成預(yù)習(xí)報告”，甚至“根據(jù)自己理解直接開展實驗，預(yù)習(xí)報告后續(xù)補上”。由統(tǒng)計結(jié)果我們看到，大部分學(xué)生的預(yù)習(xí)步驟都僅是停留在機械地抄寫講義，并沒有完全理解實驗的目的以及操作步驟要求，這也能解釋為何在下一相關(guān)問題“你會關(guān)注教師在課堂上的哪些內(nèi)容”中選擇“操作步驟的要求”的學(xué)生人數(shù)最多，這是由于學(xué)生學(xué)習(xí)積極性的缺乏而導(dǎo)致的結(jié)果。

基于這一結(jié)果，我們計劃在預(yù)習(xí)實驗階段進(jìn)行內(nèi)容的改變，首先是實驗講義的重新編撰，相比于以前的將實驗原理完整地寫入講義中，我們將重要的公式，以及理論推理改由填空的方式來完成，如實驗“最大泡壓法測定溶液的表面張力”的實驗中涉及到吉布斯(Gibbs)吸附等溫式和附加壓力與氣泡曲率半徑間的數(shù)量關(guān)系兩條重要的公式，以前是直接給出套用，現(xiàn)改為學(xué)生填寫。其次，對實驗步驟進(jìn)行簡化，只剩下核心操作流程，具體的儀器操作，數(shù)據(jù)記錄需要學(xué)生自主完成，如實驗“二組份合金體系相圖的繪制”中實驗操作只保留簡單的加熱以及達(dá)到加熱溫度后的冷卻步驟，具體儀器操作將改為自主閱讀儀器說明書，以及課堂上教師的演示，要求學(xué)生學(xué)會閱讀并動手操作。

圖4 學(xué)生預(yù)習(xí)的方式

5 任課教師課堂上講授內(nèi)容的重點是什么？

為了提供教學(xué)質(zhì)量，保證學(xué)生能夠更好地掌握實驗原理及操作，我們有必要考察一下學(xué)生在實驗課堂上所關(guān)注的內(nèi)容，這樣任課老師就能夠有的放矢，將更多的精力集中在學(xué)生在實驗中出現(xiàn)的問題上。在圖5中，我們可以看到大部分學(xué)生比較關(guān)注的是“實驗的方法與步驟”和“實驗原理以及內(nèi)容”，分別有71人和64人，由此說明學(xué)生對于實驗內(nèi)容理解存在難度，并且課前預(yù)習(xí)并不是很充分，這里需要任課教師進(jìn)行更詳細(xì)的操作演示，譬如相圖繪制實驗中用的數(shù)字控溫儀和可控升降溫電爐屬于不常用儀器，所以在閱讀說明書的前提下補充教師演示操作。同時，超過半數(shù)的同學(xué)還會關(guān)注“實驗過程中的注意事項”和“數(shù)據(jù)處理的方法”，這調(diào)查結(jié)果也與調(diào)查成績評定時參考標(biāo)準(zhǔn)是一致的，注意實驗過程的細(xì)節(jié)，確保實驗順利進(jìn)行并且記錄數(shù)據(jù)正確有效，是獲得較優(yōu)成績的重要前提。最后，“數(shù)據(jù)記錄的要求”和“相關(guān)知識的延伸拓展”并沒有受到學(xué)生的重視，僅有接近半數(shù)的同學(xué)選擇了這兩個選項，從側(cè)面證明學(xué)生還是比較關(guān)注實驗的結(jié)果，容易忽視了數(shù)據(jù)獲取的要求以及思維延伸，所以這里強調(diào)教師在講授的過程中要適當(dāng)?shù)难由?，引發(fā)學(xué)生的思考，增強學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性，幫助學(xué)生做到學(xué)以致用，觸類旁通，而數(shù)據(jù)記錄則需要繼續(xù)強化，因為這是培養(yǎng)學(xué)生形成科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度和素養(yǎng)的重要保證。

圖5 實驗課堂講授內(nèi)容

6 實驗成績評定的依據(jù)是什么

目前，大部分實驗的成績是以實驗操作規(guī)范以及數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性為參考，我們認(rèn)為這標(biāo)準(zhǔn)比較片面并且容易導(dǎo)致學(xué)生只關(guān)注實驗的結(jié)果以及操作，無法體現(xiàn)其對知識的掌握程度?；诖?，我們在問卷中調(diào)查學(xué)生認(rèn)為成績評定應(yīng)該以什么內(nèi)容來考量，以求完善當(dāng)前的實驗成績評價體系。從圖6中我們可以看到，分列前二的是“實驗操作的規(guī)范性”和“數(shù)據(jù)的真實性及有效性”，人數(shù)高達(dá)69人和64人，由此可見學(xué)生對以往的成績評定要求非常清晰，但令人值得反思是，這樣的評價方式是否已經(jīng)讓學(xué)生造成了思維的定勢。另外，認(rèn)為“實驗后的思考與反思”和“實驗報告的撰寫”是成績評定的重要組成部分同學(xué)，也分別有57人和45人，說明學(xué)生還是會關(guān)注實驗結(jié)果外的知識內(nèi)容，對實驗報告的撰寫逐漸重視起來。但是，僅有20人選擇了“預(yù)習(xí)過程”，說明大部分同學(xué)沒能認(rèn)識到預(yù)習(xí)的重要性，預(yù)習(xí)是初步了解實驗?zāi)康暮筒僮鞯倪^程，是開展實驗的重要環(huán)節(jié)。

圖6 實驗成績的評價標(biāo)準(zhǔn)

綜合考慮之下，我們計劃制定新的成績評定方法，單項實驗成績=(預(yù)習(xí)報告+實驗操作+數(shù)據(jù)記錄)×70%+(實驗項目拓展+思考+實驗報告完成質(zhì)量)×30%，期末的總成績就是每次實驗成績的平均值。新的評價方法既延續(xù)了之前所強調(diào)的實驗操作以及數(shù)據(jù)結(jié)果，但同時也體現(xiàn)了預(yù)習(xí)的重要性，希望通過納入成績評定，能夠引起同學(xué)們的重視。此新辦法能夠更多維更客觀地反映學(xué)生的真實實驗綜合能力。

7 結(jié) 語

最后，我們還做了關(guān)于本校物化實驗課程開設(shè)的滿意度調(diào)查，整體而言，接近82%的同學(xué)都認(rèn)為是“滿意”或者“非常滿意”，這是對于我們工作的支持與肯定，但同時我們也必須正視還有少數(shù)的同學(xué)對我們的課程還是有更高的期望，所以我們還需要通過此次的問卷調(diào)查找到教學(xué)優(yōu)化的方向。

目前國家正在強調(diào)加強本科教育，構(gòu)建一支科學(xué)專業(yè)和素質(zhì)優(yōu)良的實驗教學(xué)師資隊伍，符合國家以人才培養(yǎng)為中心，提高國民素質(zhì)的教育宗旨，重點在于任課教師對自身實驗的重視和自我提高，落實教學(xué)改革，敢于創(chuàng)新！“十年樹木，百年樹人”，教育教學(xué)從來不是一蹴而就的事情，需要我們不斷的探索和努力！