基于科研思維訓(xùn)練的物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

高娟娟

(吉林大學(xué) 化學(xué)學(xué)院，吉林 長春 130022)

物理化學(xué)是四大基礎(chǔ)化學(xué)中理論性最強(qiáng)的一門學(xué)科。它從物理學(xué)角度分析物質(zhì)體系化學(xué)行為的原理和規(guī)律，是近代化學(xué)原理的根基。作為物理化學(xué)教學(xué)的重要組成部分，物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生綜合運(yùn)用物理和化學(xué)的原理、技術(shù)、儀器和數(shù)字運(yùn)算工具，具有很強(qiáng)的理論性、實(shí)踐性和研究性[1-3]。開設(shè)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程，不僅可以幫助學(xué)生掌握物理化學(xué)的基本理論，基礎(chǔ)研究方法和基本操作技能，還可以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和分析解決問題的能力，提高他們的科學(xué)素養(yǎng)[4]。但目前大多數(shù)高校還采用傳統(tǒng)的物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，通過實(shí)驗(yàn)教師講解儀器的使用、實(shí)驗(yàn)操作步驟、注意事項(xiàng)、如何處理數(shù)據(jù)等內(nèi)容，學(xué)生按照化學(xué)實(shí)驗(yàn)教材機(jī)械地進(jìn)行操作。這樣導(dǎo)致學(xué)生不能深刻理解其中的實(shí)驗(yàn)原理和方法，不能培養(yǎng)他們學(xué)習(xí)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)的積極性和提高物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果[5]。此外，物理化學(xué)理論課教師在課堂上也常常忽視對物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)原理的講解，再加上物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)所用儀器貴重，數(shù)量少等原因，實(shí)驗(yàn)教學(xué)一般采取分組、幾個實(shí)驗(yàn)循環(huán)開展的模式進(jìn)行，使得理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)進(jìn)度脫節(jié)，學(xué)生難以消化其中的知識點(diǎn)[3]。為了更好地解決物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中出現(xiàn)的問題，探索“以學(xué)生為主體”的教學(xué)模式具有重要意義[5]。因此，實(shí)驗(yàn)教師在教學(xué)過程中不僅僅要讓學(xué)生順利完成實(shí)驗(yàn)，更應(yīng)該注重學(xué)生科研思維的培養(yǎng)。目前，部分高校將科研實(shí)例引入本科物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，使教學(xué)與科研深度融合，可以很好地培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識。但在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中嵌入科研訓(xùn)練，需要在資金、人員、場所、學(xué)生實(shí)驗(yàn)時間等方面提供充分的支持。所以大多數(shù)高校由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，不能有效地為本科生開展科研訓(xùn)練[6]。

科研思維訓(xùn)練一般包括提出課題、查閱文獻(xiàn)、配置儀器、設(shè)計實(shí)驗(yàn)方案以及分析和解決實(shí)驗(yàn)問題等步驟[6]。本文以“四氯化碳飽和蒸汽壓的測定”實(shí)驗(yàn)為例，將科研思維訓(xùn)練引入常規(guī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目中，對于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新意識具有深遠(yuǎn)意義。

1 明確細(xì)化實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)內(nèi)容，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法

上實(shí)驗(yàn)課之前，學(xué)生通常都會按照教師的要求進(jìn)行預(yù)習(xí)，但大多數(shù)同學(xué)只是將實(shí)驗(yàn)教材上的實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、原理和?shí)驗(yàn)步驟抄到預(yù)習(xí)報告上，很少會主動思考三者之間的聯(lián)系，這樣不能很好地培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力[7]。為此，教師應(yīng)該明確細(xì)化實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)的內(nèi)容，根據(jù)實(shí)驗(yàn)教材上的課題提出相關(guān)問題，讓學(xué)生查閱文獻(xiàn)、展開思考，并將答案寫在實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)報告上。

例如，根據(jù)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教材，對于“四氯化碳飽和蒸氣壓的測定”實(shí)驗(yàn)，提出預(yù)習(xí)內(nèi)容部分相關(guān)問題如表1。

表1 預(yù)習(xí)內(nèi)容部分相關(guān)問題

通過回答這些問題，學(xué)生不僅能夠深入了解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和注意事項(xiàng)，還能夠?qū)?shí)驗(yàn)內(nèi)容和理論知識有效結(jié)合起來，對于提高物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果具有重要意義。

2 改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，訓(xùn)練科研思維能力

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，加入對學(xué)生科研思維的訓(xùn)練，對于培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考問題的能力和創(chuàng)新能力具有深遠(yuǎn)意義，所以一直以來都是實(shí)驗(yàn)教師們研究的熱點(diǎn)。由于靜態(tài)法測定液體飽和蒸汽壓的準(zhǔn)確度較高，大多數(shù)高校都使用靜態(tài)法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。靜態(tài)法測定時涉及到的儀器設(shè)備比較多，如玻璃平衡管、緩沖儲氣罐、真空泵、數(shù)字壓力計等，連接也比較復(fù)雜，再加上教材中的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖與實(shí)際使用的設(shè)備不一致等原因，使得學(xué)生對整個實(shí)驗(yàn)裝置沒有直觀的印象和理解[8]。為此，在實(shí)驗(yàn)課堂上先讓學(xué)生們熟悉儀器和了解各部分裝置的作用，并讓他們對其原理進(jìn)行剖析，對于學(xué)生更好地掌握物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)知識具有重要意義。例如，玻璃平衡管的U型管內(nèi)盛有適量的液體可以起到液封作用。當(dāng)外部壓力降低到等于試液球液面上的純液體壓力時，U形管中兩個液面呈水平狀態(tài)，此時外部壓力即為該溫度下純液體的飽和蒸氣壓；數(shù)字壓力計顯示的是外部大氣系統(tǒng)與冷凝管連接的U型管液面上方氣相系統(tǒng)之間的壓力差；緩沖儲氣罐在真空泵的作用下可以逐漸將罐內(nèi)的氣體抽出，并且通過旋轉(zhuǎn)減壓閥調(diào)節(jié)減壓幅度[9]。實(shí)驗(yàn)過程包括檢查氣密性、裝試樣、恒溫啟動冷卻裝置、排出空氣、調(diào)節(jié)等高、讀數(shù)調(diào)溫度等步驟[8]。其間教師要注重培養(yǎng)學(xué)生的動手操作能力并強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)中的注意事項(xiàng)。例如，測定過程中空氣不慎倒回入試液球，只有再次抽真空后才能繼續(xù)實(shí)驗(yàn)；停止抽氣前，應(yīng)先將真空泵與大氣連通，否則會造成循環(huán)水真空泵倒吸，引發(fā)事故[10]。在整個過程中，我們讓一部分學(xué)生用靜態(tài)升溫法測定；另一部分學(xué)生用靜態(tài)降溫法測定并讓他們比較數(shù)據(jù)之間的差異。當(dāng)學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)步驟完成“四氯化碳飽和蒸氣壓的測定”后，讓他們再思考如何舉一反三。例如，當(dāng)測定乙醇、水和乙酸乙酯的飽和蒸氣壓時，應(yīng)該怎么做？當(dāng)用動態(tài)法測定液體飽和蒸氣壓時，需要用到什么儀器裝置以及如何連接？靜態(tài)法測定涉及到的實(shí)驗(yàn)裝置的優(yōu)缺點(diǎn)是什么以及如何改進(jìn)？這些問題都需要學(xué)生閱讀相關(guān)文獻(xiàn)并找出最優(yōu)方案，在此過程中能夠很好地培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考的能力和解決問題的能力。另外，學(xué)校應(yīng)該盡可能每周選一定的時間設(shè)置開放性實(shí)驗(yàn)，為學(xué)生設(shè)計的實(shí)驗(yàn)方案提供條件并給予指導(dǎo)，這對于培養(yǎng)他們的科研思維能力和創(chuàng)新意識具有重要意義。

3 培養(yǎng)學(xué)生分析處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的能力和思考能力

在靜態(tài)法測定過程中，要求學(xué)生記錄不同溫度下液體的飽和蒸氣壓。根據(jù)克勞修斯-克拉貝龍方程的積分公式lnp=-ΔvapHm/RT+B，以lnp為縱坐標(biāo)，1/T為橫坐標(biāo)作圖，通過線性擬合得到線性方程的斜率K。然后根據(jù)K=-ΔvapHm/R得到平均摩爾汽化熱ΔvapHm，這涉及到溫度T和壓力p的精確記錄以及l(fā)np和1/T的計算[8]。要求學(xué)生使用excel軟件或origin軟件進(jìn)行作圖和線性擬合，并評估數(shù)據(jù)的可靠性，如線性相關(guān)系數(shù)越接近于1，表明數(shù)據(jù)相關(guān)性越好，精確度越高。最后通過與四氯化碳的理論摩爾汽化熱對比，求出相對誤差，并讓學(xué)生分析是降溫法還是升溫法測定得到的摩爾汽化熱更接近文獻(xiàn)值并討論原因。同時，在開放性實(shí)驗(yàn)課堂上，讓學(xué)生通過測定其他液體，如乙醇、水、乙酸乙酯等的飽和蒸氣壓，并將數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)值對比，找出更多適合作為液體飽和蒸氣壓測定實(shí)驗(yàn)的試劑。這樣不僅能夠提升學(xué)生學(xué)習(xí)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)的興趣，還能夠很好地培養(yǎng)他們的科學(xué)研究能力。

4 培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和團(tuán)隊合作精神

在飽和蒸氣壓實(shí)驗(yàn)測定過程中，要求學(xué)生如實(shí)記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并作圖，不能隨意篡改。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，要對結(jié)果進(jìn)行分析討論并總結(jié)原因，這樣可以很好地培養(yǎng)他們的科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)性。另外，我們安排兩名學(xué)生為一組，一起完成實(shí)驗(yàn)，一個負(fù)責(zé)觀察U形等壓計的液位，另一個負(fù)責(zé)觀察溫度和數(shù)字壓力計的示數(shù)。只有相互合作他們才能獲得比較好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在此過程中，不僅提高了他們的團(tuán)隊合作能力，還為他們以后繼續(xù)深造或者走上科研崗位奠定了良好的基礎(chǔ)[7]。

5 改革課程考核模式，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果

之前對物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)成績的考核主要側(cè)重于實(shí)驗(yàn)報告的寫作和完整性，忽視了對實(shí)驗(yàn)操作的考核，導(dǎo)致學(xué)生不能對實(shí)驗(yàn)操作技能的規(guī)范性予以重視[11]，不利于學(xué)生良好行為習(xí)慣和科學(xué)素質(zhì)的培養(yǎng)。因此，建立一套完整的實(shí)驗(yàn)課程評價體系非常重要。在成績考核時，應(yīng)根據(jù)預(yù)習(xí)情況、動手操作情況、實(shí)驗(yàn)報告完成情況和誤差分析情況對學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、實(shí)驗(yàn)操作技能、數(shù)據(jù)處理能力和分析討論問題的能力給予綜合評價，這對于培養(yǎng)他們的創(chuàng)新意識、實(shí)踐能力和科研思維能力具有重要意義。除此之外，在教學(xué)過程中，還應(yīng)制定合理的考察機(jī)制，督促教師優(yōu)化教學(xué)設(shè)計，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果[2]。

6 結(jié)語

本文以“四氯化碳飽和蒸氣壓的測定”實(shí)驗(yàn)為例，在常規(guī)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基礎(chǔ)上引入科研思維訓(xùn)練，在實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)操作、數(shù)據(jù)處理、考核模式等方面進(jìn)行了一系列改革。對涉及到的內(nèi)容進(jìn)行了深度挖掘，使驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)逐步向創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)過渡，讓學(xué)生對液體飽和蒸氣壓測定的知識有了更全面的掌握，并可舉一反三。不僅提高了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作技能，還提高了他們獨(dú)立思考問題的能力和創(chuàng)新意識，達(dá)到了培養(yǎng)學(xué)生科研思維的目的。