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淺談物理化學實驗課程改革及實踐的論文
［摘要］物理化學實驗作為理論課教學的輔助手段，綜合了化學領(lǐng)域中各分支所需要的基礎(chǔ)研究工具和方法，是化學實驗科學的重要組成部分。通過分析東北大學應(yīng)用化學專業(yè)物理化學實驗課程中存在的問題，對物理化學實驗課程設(shè)置進行了改革，采取增加新的實驗項目、改革實驗方案、重組實驗內(nèi)容以及開設(shè)大型、綜合性實驗等措施。教學實踐證明，重新設(shè)置后的物理化學實驗課程有助于培養(yǎng)學生的科研素質(zhì)，能提升學生的實踐技能，對培養(yǎng)科研拔尖創(chuàng)新人才有重要意義。
［關(guān)鍵詞］應(yīng)用化學專業(yè)；物理化學實驗；教學改革
［中圖分類號］O64；G642.0［文獻標識碼］A［文章編號］2095-3437（2016）02-0145-03
物理化學是東北大學應(yīng)用化學專業(yè)的學生在完成了無機化學、分析化學的學習之后，繼續(xù)修學的又一門化學基礎(chǔ)課程。[1]物理化學實驗作為理論課教學的輔助手段，綜合了化學領(lǐng)域中各分支所需要的基礎(chǔ)研究工具和方法，是化學實驗科學的重要組成部分。[2]學生能通過實驗驗證所學的理論，鞏固和加深對物理化學原理的理解[3]，提高對物理化學知識的靈活運用能力，這有利于培養(yǎng)學生嚴謹?shù)目茖W態(tài)度和創(chuàng)新精神[4]，為后續(xù)課程的學習打下堅實的基礎(chǔ)。因此，科學合理地設(shè)置物理化學實驗課程內(nèi)容，對構(gòu)建完整的化學基礎(chǔ)課程體系、提高學生的培養(yǎng)質(zhì)量至關(guān)重要。[5]
一、應(yīng)用化學專業(yè)物理化學實驗課程存在的問題
應(yīng)用化學專業(yè)的特點決定了其對物理化學實驗內(nèi)容深度、廣度和綜合度的要求不同于材料、冶金、成型、環(huán)境、生物工程等其他專業(yè)。東北大學化學實驗中心為遼寧省級實驗教學示范中心，為使學生能系統(tǒng)學習并掌握各種物理化學基礎(chǔ)實驗研究方法，便于教師在教學過程中實時掌控實驗進度和學習效果，實驗中心為應(yīng)用化學專業(yè)單獨開設(shè)了兩個學期的物理化學實驗課程，而且取得了豐碩的教學成果。然而，隨著科學技術(shù)的發(fā)展以及社會對應(yīng)用化學專門化人才素質(zhì)要求的提高，過去曾經(jīng)被師生們樂道的一些優(yōu)秀的實驗項目已經(jīng)無法適應(yīng)當前的需求。表1中分別列出了過去和現(xiàn)在為東北大學應(yīng)用化學專業(yè)開設(shè)的物理化學實驗項目。通過調(diào)查研究，我們發(fā)現(xiàn)過去制定的培養(yǎng)計劃主要存在以下兩個方面的問題。其一，由表1可以看出，大部分的物理化學實驗為驗證性實驗，研究性、綜合性實驗較少。這顯然不利于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力和解決實際問題的能力。其二，過去物理化學課程體系中理論課與實驗課的課時比例為2∶1，即理論課課時是實驗課的2倍。教學研究表明，雖然通過理論課的學習，學生可以掌握較多的理論知識，但由于實驗課時較少，學生的動手能力較差，對實驗室的各種基礎(chǔ)儀器設(shè)備的使用方法不能完全掌握，因此學生很難將所學到的各種實驗知識融會貫通，這對其以后的學習和工作是十分不利的。而且由于實驗項目較少、內(nèi)容不新穎等問題，學生對物化實驗課的重要性認識不足，普遍存在重視理論課學習而輕視實驗操作訓練的現(xiàn)象，缺乏主動學習實驗技能、掌握實驗技術(shù)的積極性。因此，亟須對物理化學實驗課程的設(shè)置進行改革。
二、應(yīng)用化學專業(yè)物理化學實驗課程設(shè)置改革
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為培養(yǎng)學生的動手能力和提升學生的綜合素質(zhì)，在東北大學教務(wù)處的大力支持下，根據(jù)培養(yǎng)科研拔尖創(chuàng)新人才的需要，我們重新修訂了應(yīng)用化學專業(yè)的培養(yǎng)計劃和物理化學實驗教學大綱。大幅提高了實驗課時在物理化學課程體系中的比例，將理論課和實驗課的課時比由原來的2:1調(diào)整為1:1；實驗項目也由原來的12個增加到了現(xiàn)在的22個，并允許學生選做其中的20個實驗。原教學大綱中設(shè)置的實驗項目中屬于熱力學模塊的實驗較多，而屬于電化學和化學反應(yīng)動力學知識模塊的實驗較少。在教學過程中我們發(fā)現(xiàn)，由于學生對后兩個模塊中的實驗項目接觸較少，缺少理論聯(lián)系實際的機會，所以對相關(guān)知識掌握得不好。因此，在修訂物理化學實驗教學大綱時，除保留原有實驗外，還增加了10個實驗。其中包括熱力學模塊實驗項目1個，電化學模塊實驗項目3個，化學反應(yīng)動力學模塊實驗項目5個，界面與膠體化學模塊實驗項目1個。增加了新的實驗項目后，物理化學實驗教學內(nèi)容在各個知識模塊間的分布變得更加合理。通過物理化學實驗課程的學習，學生不僅能加深對理論知識的理解，還能開拓視野，提升綜合運用理論與實驗知識的能力。
（二）改革實驗方案
除了增加新的實驗項目以外，我們還對原來的一些實驗項目進行了重新設(shè)計，以使實驗方案更加合理。例如“表面張力和接觸角的測定”實驗，原來的實驗方案是通過測定毛細管的半徑和水壓計的壓差值，再利用氣泡最大壓力法中表面張力的基本公式計算出水的表面張力。這種實驗內(nèi)容比較單一，學生做實驗的興趣不高。通過反復(fù)的測試和調(diào)整，我們將實驗方案修改為測定一系列濃度不超過0.1mol·L-1的正丁醇水溶液的界面張力，再根據(jù)吉布斯吸附公式計算溶液表面的吸附量以及正丁醇的橫截面積。實驗內(nèi)容調(diào)整后，學生普遍反映對界面張力的性質(zhì)、表面自由能的意義以及界面張力和吸附的關(guān)系了解得更透徹了。再例如“冰點下降測分子量”實驗，原來的實驗方案是分別測定水和濃度為0.3%的尿素水溶液的凝固點，再計算出尿素的分子量。由于尿素溶液濃度比較小，雖然選擇的溶液滿足稀溶液的條件，但測出的水與尿素溶液的凝固點之差不明顯。為了加深學生對溶液凝固點降低這一概念的理解，提高學生對這個物理化學現(xiàn)象對人們生產(chǎn)生活所產(chǎn)生影響的認識，經(jīng)過多次對比實驗，我們最終確定將實驗中所用的尿素溶液濃度提高到1%，從而使測得的凝固點降低值達到0.3℃左右，實驗現(xiàn)象明顯，獲得比較好的實驗效果，達到了預(yù)期實驗?zāi)康摹?/p>
（三）重組實驗內(nèi)容
針對物理化學學科的特點和應(yīng)用化學專業(yè)學生培養(yǎng)的需要，我們對一些物理化學實驗內(nèi)容進行了調(diào)整。保留并整合了一些基礎(chǔ)性實驗以培養(yǎng)學生的基本操作能力。同時也拓展了一些經(jīng)典實驗內(nèi)容，將不同的知識點聯(lián)系在一起，使學生在實驗過程中能靈活運用所學的物理化學知識。例如在新增加的實驗項目“臨界膠束濃度的測定”中，除了用電導(dǎo)法測定不同濃度的十二烷基磺酸鈉的電導(dǎo)率以確定其臨界膠束濃度外，還增加了臨界膠束濃度的另一種測定方法———界面張力法———的內(nèi)容。在實驗過程中，學生們采用兩種不同的實驗方法確定相同表面活性劑體系的臨界膠束濃度，加深了對表面活性劑溶液性質(zhì)的理解，同時還對兩種不同的實驗方法進行了實際操作和比較。再例如在“原電池電動勢的測定”實驗中，我們采用電位差綜合測試儀取代了原來使用的電位差計和檢流計，顯著縮短了實驗過程中儀器調(diào)試占用的時間，并增加了新的內(nèi)容以充分利用這些節(jié)余下來的寶貴時間。經(jīng)過對實驗內(nèi)容的重新設(shè)計和組合，學生在測定了以銅/硫酸銅為半電池構(gòu)造成的原電池電動勢后，還可以繼續(xù)測定不同溫度和不同濃度的硫酸銅水溶液對溶液電導(dǎo)率的影響，進而分析對原電池電動勢產(chǎn)生的影響。因此，重組后的“原電池電動勢的測定”實驗已經(jīng)成為一個綜合性較強的實驗，而不再是一個簡單的驗證性實驗。通過對這個實驗的訓練，學生可以對理論課中學到的電化學熱力學基礎(chǔ)知識有比較全面且深入的理解。
�。ㄋ模╅_設(shè)物理化學大型綜合性實驗
為培養(yǎng)應(yīng)用化學專業(yè)學生的綜合素質(zhì)和科研能力，從2003年開始，我們又將物理化學基礎(chǔ)實驗與教師科研成果相結(jié)合，面向應(yīng)用化學專業(yè)本科學生開設(shè)了一套大型綜合性實驗———聚苯胺的制備、表征及性能測試。這個大型綜合性實驗總共包括6個子實驗項目：聚苯胺的化學法制備、聚苯胺摻雜-反摻雜性能研究、聚苯胺的電化學法制備及電化學性能測試、聚苯胺電化學催化性能研究、聚苯胺氣敏性研究、聚苯胺在不同pH值的酸溶液中的電化學響應(yīng)。學生完成這個大型綜合性實驗需要24學時。在實驗前，我們要求學生獨立查閱相關(guān)文獻資料并設(shè)計出完整的實驗方案，經(jīng)與指導(dǎo)教師討論確認后，才能通過網(wǎng)上預(yù)約確定實驗時間并進入實驗室做實驗。學生在獨立完成全部子實驗項目后，應(yīng)按照通用的學術(shù)研究報告標準寫出綜述報告，并對實驗過程中發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象及出現(xiàn)的問題開展分組討論。數(shù)年的實踐結(jié)果表明，這項綜合實驗的設(shè)置，不僅使學生熟悉了多種電化學實驗儀器和設(shè)備（例如，四探針電導(dǎo)率測試儀、電化學工作站以及CHI軟件）的使用方法，還對導(dǎo)電有機高分子材料有了一定的了解，有利于培養(yǎng)學生綜合運用知識、獨立解決實際問題的能力，并為學生將來從事科研工作打下了基礎(chǔ)。
三、課程設(shè)置改革后的成效
近幾年來，通過對物理化學實驗課程不斷研究和改革，不僅提升了學生的實驗操作技能，提高了學生做實驗的主動和積極性性，而且培養(yǎng)了學生嚴謹?shù)目茖W態(tài)度和創(chuàng)新精神。實踐證明，重新設(shè)置后的物理化學實驗課程有助于培養(yǎng)學生的科研能力，對培養(yǎng)科研拔尖創(chuàng)新人才有重要意義。
參考文獻
［1］王軍.對大學物理化學課程教學的思考［J］.教育進展，2013（3）：13-16.
�。�2］王巖，李三鳴.新課程體系下物理化學實驗教學的改革［J］.實驗室科學，2012（1）：55-57.
［3］楊冬梅，王軍.物理化學實驗教學改革的總體設(shè)計及實踐［J］.高等理科教育，2008（6）：103-105.
�。�4］張國林，韓瑩，薛懷國，等.大學化學實驗課程體系的改革與實踐［J］.大學化學，2010（1）：23-25.
［5］王軍，楊冬梅，霍玉秋.創(chuàng)新型人才培養(yǎng)模式下的物理化學教學研究與改革［J］.大學教育，2015（5）：99-101
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