新時(shí)代物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)改革與探索

劉冬(南京工業(yè)大學(xué)，江蘇 南京 211816)

0 引言

物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)是研究化學(xué)基本理論和解決化學(xué)問題的重要手段和方法。因化學(xué)與物理學(xué)之間的聯(lián)系極其緊密，化學(xué)過程包含或伴有物理過程，而物理過程又能影響或者引發(fā)化學(xué)過程，故物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)是利用物理的原理、技術(shù)、儀器和方法，借助數(shù)學(xué)處理工具，研究化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)中物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)變化規(guī)律的基礎(chǔ)學(xué)科[1]。

隨著當(dāng)代科技的高速發(fā)展，社會(huì)對(duì)人才的知識(shí)結(jié)構(gòu)、綜合素質(zhì)要求越來越高，物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為高校實(shí)踐教學(xué)工作的重要組成部分，是理論與實(shí)際聯(lián)系的重要環(huán)節(jié)，是理論教學(xué)的必要補(bǔ)充和發(fā)展，是實(shí)現(xiàn)素質(zhì)教育以及創(chuàng)新人才培養(yǎng)目標(biāo)不可缺少的重要環(huán)節(jié)。其教學(xué)的主要目的不僅在于鞏固和加深對(duì)物理化學(xué)理論課程中所學(xué)的基本理論和基本概念的理解，掌握物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)的基本實(shí)驗(yàn)方法和技術(shù)，學(xué)會(huì)仔細(xì)觀察和正確記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和數(shù)據(jù)，更在于培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際、查閱文獻(xiàn)資料的能力，使學(xué)生初步受到科學(xué)研究工作的啟蒙訓(xùn)練，逐步養(yǎng)成實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度和一絲不茍的科學(xué)作風(fēng)等良好習(xí)慣，實(shí)現(xiàn)由學(xué)習(xí)基礎(chǔ)知識(shí)、基本技能到開展科學(xué)研究的初步轉(zhuǎn)變，全面提高學(xué)生從事科研工作的思維能力、想象能力和創(chuàng)新能力[2]。然而，長(zhǎng)期的教學(xué)實(shí)踐表明目前的物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)現(xiàn)狀不能滿足新時(shí)代對(duì)人才的需求，教學(xué)改革勢(shì)在必行。

1 物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀

1.1 填鴨式被動(dòng)教學(xué)

在物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師為了保證在一定的課時(shí)內(nèi)實(shí)驗(yàn)?zāi)茼樌M(jìn)行并完成，會(huì)傾向于花很多時(shí)間講解實(shí)驗(yàn)步驟和設(shè)備的使用方法，甚至為了防止學(xué)生實(shí)驗(yàn)失敗，直接將長(zhǎng)年累積下來的實(shí)驗(yàn)小技巧傾囊相授，完全抑制了學(xué)生們思考與反復(fù)推敲的積極性。并且為了能保證實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行，降低實(shí)驗(yàn)過程中會(huì)出現(xiàn)問題的幾率，很多實(shí)驗(yàn)試劑和步驟都由實(shí)驗(yàn)師們?cè)趯?shí)驗(yàn)前提前給學(xué)生們準(zhǔn)備和完成了。比如：可逆原電池電動(dòng)勢(shì)的測(cè)定用到的電解液都是提前配制好的；燃燒熱測(cè)定的實(shí)驗(yàn)中，苯甲酸與蔗糖的壓片是由實(shí)驗(yàn)師提前準(zhǔn)備好的，甚至給氧彈充氧氣的這一步有時(shí)也是由老師代勞[3]。顯然為了在一定時(shí)間內(nèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的順利進(jìn)行，這些操作與安排犧牲了學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中自我鍛煉與自我成長(zhǎng)的機(jī)會(huì)，這對(duì)全面提高學(xué)生的專業(yè)技能是非常不利的，遠(yuǎn)沒有實(shí)現(xiàn)開設(shè)實(shí)驗(yàn)課程的目的。

1.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容更新緩慢，缺乏時(shí)代感

目前，大多數(shù)高校物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容更新緩慢，多年來實(shí)驗(yàn)內(nèi)容較為單一和固定，缺少符合時(shí)代感的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。比如：在最開始做液體飽和蒸汽壓實(shí)驗(yàn)時(shí)，是采用苯作為測(cè)定所用的試劑，但眾所周知苯的毒性很大，可致癌；液體表面張力的測(cè)定實(shí)驗(yàn)最開始所用的試劑為正丁醇溶液，而正丁醇溶液有類似雜醇油的氣味，其揮發(fā)性氣體有刺激性，可引起咳嗽。這些試劑的使用，不僅會(huì)打擊學(xué)生對(duì)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)的積極性與興趣，更會(huì)影響學(xué)生的身體健康，并且也污染了環(huán)境，造成了不良影響。顯然，這些都與當(dāng)代“綠色化學(xué)”的主旨背道而馳。同時(shí)，物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容大多數(shù)為經(jīng)典性、驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)，與物理化學(xué)的經(jīng)典理論關(guān)聯(lián)較為密切，缺少專業(yè)特色性和針對(duì)性，更鮮有與科研前沿性相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目[4-6]。

1.3 考核評(píng)價(jià)機(jī)制單一

由于現(xiàn)存實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在被動(dòng)與機(jī)械填鴨式的缺點(diǎn)，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)教學(xué)的傳統(tǒng)考核方式較為單一，通常是由平時(shí)成績(jī)和期末成績(jī)組成，而平時(shí)成績(jī)主要是通過實(shí)驗(yàn)報(bào)告的完成情況進(jìn)行考核。老師則根據(jù)實(shí)驗(yàn)報(bào)告是否撰寫工整、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理誤差大小、是否處理規(guī)范正確來評(píng)定成績(jī)高低，使得學(xué)生對(duì)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)這門課程的關(guān)注點(diǎn)局限在實(shí)驗(yàn)報(bào)告的書寫和完美的數(shù)據(jù)中。久而久之，學(xué)生將精力集中在實(shí)驗(yàn)報(bào)告中，認(rèn)為數(shù)據(jù)誤差小，報(bào)告字?jǐn)?shù)多就能獲取高分，甚至通過偽造數(shù)據(jù)的方式來完成報(bào)告，從而會(huì)造成一部分學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中混水摸魚，課后書寫報(bào)告重量不重質(zhì)。這種流于形式的實(shí)驗(yàn)報(bào)告難以實(shí)現(xiàn)以培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)與創(chuàng)新能力的課程目標(biāo)，自然在評(píng)定分?jǐn)?shù)時(shí)，有失公允，無法有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和培養(yǎng)專業(yè)的科學(xué)素養(yǎng)。

2 物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革與探索

2.1 優(yōu)化教學(xué)過程，鼓勵(lì)學(xué)生為主體的教學(xué)改革

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)生主要是機(jī)械重復(fù)實(shí)驗(yàn)步驟，雖然表現(xiàn)出了較高的實(shí)驗(yàn)完成效率，但是對(duì)學(xué)生專業(yè)技能和科研素養(yǎng)的培養(yǎng)效果不佳。通過優(yōu)化教學(xué)全過程，要充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性與主動(dòng)性，引導(dǎo)學(xué)生獨(dú)立地發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題，逐步實(shí)現(xiàn)學(xué)生自我學(xué)習(xí)的角色轉(zhuǎn)換[7]。

2.1.1 課前充分預(yù)習(xí)

當(dāng)代互聯(lián)網(wǎng)蓬勃發(fā)展，大學(xué)生們也大多熱衷于網(wǎng)絡(luò)，可以將現(xiàn)代化信息技術(shù)多媒體手段引入到課前預(yù)習(xí)中，利用網(wǎng)絡(luò)中的精品課、名校課、公開課等，對(duì)課本知識(shí)進(jìn)行可視化的預(yù)習(xí)與了解。建立學(xué)習(xí)興趣小組和微信群，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)課上課前老師和學(xué)生的溝通與交流，提前了解他們實(shí)驗(yàn)的痛點(diǎn)與疑惑，在面對(duì)面實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，有針對(duì)性地開講實(shí)驗(yàn)課程，不僅可以有效提高教學(xué)效率，還可以增加學(xué)生們的積極性與主動(dòng)性，更可以節(jié)約出大量的時(shí)間，增加學(xué)生們?cè)趯?shí)驗(yàn)中自我嘗試和探索的機(jī)會(huì)[8-10]。

2.1.2 課堂中采用啟發(fā)式和問題導(dǎo)向式教學(xué)方法

在課堂教學(xué)過程中，教師采用科學(xué)探究式教學(xué)，要以學(xué)生為主體，選擇重點(diǎn)講解，不要做到事事具細(xì)，面面俱到。教師根據(jù)實(shí)際情況，有針對(duì)性地提出一些啟發(fā)性的問題，留給學(xué)生們獨(dú)立思考和分析的空間，提高他們的思維活躍度。并且，可以在教學(xué)過程中采取學(xué)生教學(xué)的方式，即有選擇性的摘出一些實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，由學(xué)生提前準(zhǔn)備然后在課堂上進(jìn)行講解與演示，學(xué)生與教師角色的轉(zhuǎn)變，可以幫助學(xué)生更加深刻的理解物理化學(xué)知識(shí)，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行更加細(xì)致的觀察、研究和分析[11-12]。實(shí)驗(yàn)過程中，教師要多走動(dòng)，仔細(xì)觀察學(xué)生們的實(shí)驗(yàn)情況，既能確保學(xué)生們認(rèn)真做實(shí)驗(yàn)，還能及時(shí)指出學(xué)生們操作過程中的問題，加深學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)的印象，提高學(xué)生們對(duì)儀器和操作步驟的熟悉程度。

2.1.3 課后鼓勵(lì)學(xué)生拓展

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，鼓勵(lì)學(xué)生將實(shí)驗(yàn)所涉及的科學(xué)知識(shí)或者是實(shí)驗(yàn)技能拓展到科研前沿成果和技術(shù)中，以報(bào)告或者是PPT的模式呈現(xiàn)給教師，以此開闊學(xué)生的學(xué)術(shù)視野，培養(yǎng)他們學(xué)以致用，舉一反三的能力，為后續(xù)科研之路奠定良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣。

2.2 優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，注重科教融合

我院的化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)室承擔(dān)了本?；瘜W(xué)與分子工程學(xué)院、材料科學(xué)與工程學(xué)院、化工學(xué)院、能源學(xué)院、環(huán)境學(xué)院、制藥與生命科學(xué)學(xué)院、安全科學(xué)與工程學(xué)院等學(xué)院將近26個(gè)專業(yè)課程教學(xué)。教研組本著“因材施教”的教育理念，根據(jù)專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)，最大化利用實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的資源，設(shè)置了19個(gè)實(shí)驗(yàn)，然后根據(jù)各個(gè)專業(yè)不同的教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)學(xué)時(shí)、開課時(shí)間、專業(yè)差異，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)上選擇不同的教學(xué)內(nèi)容和形式，盡最大努力做到實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與專業(yè)相結(jié)合；教研組也通過結(jié)合各個(gè)專業(yè)的特點(diǎn)，對(duì)傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容做出適當(dāng)調(diào)整，匹配專業(yè)學(xué)科。這樣能讓學(xué)生感受到理論與實(shí)踐緊密結(jié)合，通過實(shí)驗(yàn)更加深入地理解理論，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣[13]。

在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)上，我院物理化學(xué)教研組的教師們通過反復(fù)論證與嘗試，將液體飽和蒸汽壓實(shí)驗(yàn)與液體表面張力的測(cè)定實(shí)驗(yàn)所用的試劑改為乙醇，這樣既解決了試劑的毒性問題，同時(shí)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)生不斷嘗試與創(chuàng)新的能力。因受制于廠地與經(jīng)費(fèi)，我院物理化學(xué)教研組將成熟的科研成果通過線上虛擬仿真的形式，將其融入到物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)本科教學(xué)中。比如我院制作的高溫高壓合成分子篩催化材料虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，將我校較具代表性的科研結(jié)果的一部分——MCM-22分子篩的合成與表征引入到基礎(chǔ)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，將其中高危、高毒、高消耗部分以虛擬仿真的形式實(shí)現(xiàn)，學(xué)生可以靈活地設(shè)置各種參數(shù)、模擬條件，可以自如地模擬真實(shí)世界中的各種情況[14-15]。通過仿真，可以了解真實(shí)世界中無法實(shí)現(xiàn)的危險(xiǎn)性操作，或者臨界條件，極大地調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性，開拓學(xué)生們的想象空間，讓更多的學(xué)生更容易，更便捷地了解科研、熟悉科研，激發(fā)學(xué)生對(duì)研究的興趣，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

2.3 建立科學(xué)合理的考核體系

實(shí)驗(yàn)課程成績(jī)?cè)u(píng)定是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要手段，科學(xué)合理的考核體系既能反應(yīng)學(xué)生綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Γ材芊答亴?shí)驗(yàn)教學(xué)的效果，能夠有效促進(jìn)教學(xué)質(zhì)量的提高。傳統(tǒng)的考核體系忽視了實(shí)驗(yàn)過程中基本能力的訓(xùn)練和培養(yǎng)，這樣不利于學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的提高，也不利于嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)態(tài)度的形成[16]。物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的高等院?；A(chǔ)課程，為了更加科學(xué)合理地評(píng)價(jià)學(xué)生的學(xué)習(xí)過程，綜合考核實(shí)驗(yàn)過程與實(shí)驗(yàn)結(jié)果，激發(fā)學(xué)生實(shí)驗(yàn)興趣，提高實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Γ枰⒖茖W(xué)合理多元的實(shí)驗(yàn)考核體系。

考核方式由原來主要通過實(shí)驗(yàn)報(bào)告和期末考試(結(jié)論性評(píng)價(jià))進(jìn)行評(píng)分的考核形式向關(guān)注學(xué)生解決問題與思考過程中的積極性、創(chuàng)新性、條理性(過程性評(píng)價(jià))等方向轉(zhuǎn)變。比如：可以加重過程性評(píng)價(jià)的比例，將其設(shè)置到總成績(jī)的60%；為了激發(fā)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作的積極性，培養(yǎng)他們的專業(yè)素養(yǎng)，可以將過程性評(píng)價(jià)細(xì)分為課前預(yù)習(xí)檢測(cè)(10%)，實(shí)驗(yàn)操作(30%)，實(shí)驗(yàn)完成情況(10%)，實(shí)驗(yàn)桌面整理、儀器歸還情況(10%)；其中實(shí)驗(yàn)操作可以再細(xì)分為儀器使用熟練程度(10%)、實(shí)驗(yàn)操作規(guī)范程度(10%)、廢液處理情況(10%)；實(shí)驗(yàn)報(bào)告和期末考試(結(jié)論性評(píng)價(jià))設(shè)置為占總成績(jī)的40%，其中實(shí)驗(yàn)報(bào)告成績(jī)占20%，可細(xì)分為數(shù)據(jù)的合理性和真實(shí)性(5%)、誤差分析(5%)、實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用拓展(5%)以及實(shí)驗(yàn)報(bào)告的完成情況(5%)。期末考試占20%，可以讓學(xué)生自行查閱文獻(xiàn)， 設(shè)計(jì)方案， 以寫小論文的方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)改進(jìn)，根據(jù)學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作的規(guī)范性以及方案設(shè)計(jì)的合理性來給出分?jǐn)?shù)， 實(shí)行非標(biāo)準(zhǔn)化考試評(píng)價(jià)形式；只要學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中操作規(guī)范，設(shè)計(jì)思路清晰， 不論實(shí)驗(yàn)最后成功與否，都應(yīng)予以鼓勵(lì)[17-18]。整個(gè)考核過程應(yīng)該關(guān)注科研思維和創(chuàng)新意識(shí)的培養(yǎng)，這樣才能實(shí)現(xiàn)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)提高學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際、科學(xué)素養(yǎng)和綜合運(yùn)用能力的教學(xué)目標(biāo)。

3 結(jié)語

我校根據(jù)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)的課程特點(diǎn)和新時(shí)代下人才培養(yǎng)的需求，在教學(xué)方法、教學(xué)內(nèi)容和考核方式上進(jìn)行了有價(jià)值的改革和探索。事實(shí)證明，改革后的物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，可以有效地避免傳統(tǒng)教學(xué)模式的弊端，不僅為學(xué)生提供了一個(gè)自主寬松的學(xué)習(xí)環(huán)境，更可以潛移默化地激發(fā)學(xué)生創(chuàng)造研究的積極性，為學(xué)生就業(yè)工作和從事科學(xué)研究打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。但教學(xué)改革是一項(xiàng)持續(xù)且復(fù)雜的過程，只有不忘初心，砥礪前行，積極更新教育觀念，不斷地探索和實(shí)踐，培養(yǎng)出適應(yīng)社會(huì)發(fā)展的高水平專業(yè)素質(zhì)的人才。