“理論、實踐與科研三位一體”物理化學實驗教學改革

郭 婷， 孟 濤， 方 伊， 童志平， 舒學彬

(西南交通大學 生命科學與工程學院 實驗中心， 四川 成都 610031)

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“理論、實踐與科研三位一體”物理化學實驗教學改革

郭 婷， 孟 濤， 方 伊， 童志平， 舒學彬

(西南交通大學 生命科學與工程學院 實驗中心， 四川 成都 610031)

物理化學是一門從物理學角度分析物質體系化學行為的原理、規律和方法的學科，可謂近代化學的原理根基。目前物理化學實驗教學中實踐與理論割裂，理論教師和實驗教師分別由不同的老師擔任，溝通不夠。課堂教學與實驗開展不同步實踐與科研生產脫節的弊端。為此，提出“理論、實踐與科研三位一體”物理化學實驗教學新模式。通過幾年的改革探索和不斷的總結創新，“理論、實踐與科研三位一體”模式在物理化學實驗教學中逐漸顯示出良好的效果，為培養市場需要的應用人才，創新拔尖的科研人才提供有益的借鑒。

物理化學實驗； 教學改革； 理論與實踐

0 引 言

沒有一支宏大的高素質人才隊伍，全面建成小康社會的奮斗目標和中華民族偉大復興的中國夢就難以順利實現。未來中國的發展，離不開高等教育提供的人才和智力支持，離不開植根于高等教育的知識創新和技術應用。自1999年高校擴招以來，花了很多的時間和精力在建新校區，蓋新大樓，購新設備上，硬件條件大為改善，然而近年來高校畢業生就業難和市場所需要的人才供給不足之間的矛盾卻日益加劇；科研論文發表量大幅提高，總體質量水平和他引次數仍然比同行低很多。目前，國內許多高校針對傳統教學思想、體系和方法的不足，開展了各種教育改革措施，取得了一定的成效[1-8]。也曾就高等工程人才培養提出一種“一個根本，五個結合”的實驗教學新模式[9]。

物理化學是一門從物理學角度分析物質體系化學行為的原理、規律和方法的學科，可謂近代化學的原理根基。它所研究的內容[10]：變化的可能性—方向與限度，變化的現實性—速率與機理，物質的結構與性質及其規律，對于實際指導諸多領域的生產實踐，對于理論解釋許多新現象行為的發生，都起著重大的作用。物理化學實驗需要綜合運用物理和化學的原理與技術，方法與儀器，以及數學運算工具，是一門理論性、實踐性、綜合性和研究性很強的課程，在化學、化工、制藥、生命、材料、環境等專業的人才培養中占有重要的地位[11]。

1 物理化學實驗教學中存在的主要問題

1.1 實踐與理論割裂

很長一段時間以來，物理化學實驗與理論教學是割裂的，理論教師和實驗教師分別由不同的老師擔任，溝通不夠[12]。課堂教學與實驗開展不同步，常常實驗開了，所涉及到的理論部分卻還未講到。由于時間有限，實驗教師只能將關注點放在如何讓學生順利完成實驗，掌握儀器使用，了解注意事項，以及如何進行數據處理上。這樣一套傳統的實驗教學固有模式造成學生實驗前“云里霧里”，實驗中“照貓畫虎”，實驗后“眨眼就忘”，整個過程演變成機械化的只在追逐成績的目標中度過。實踐失去了理論的支撐，成了無本之木，學生無法消化，片面理解，嚴重打擊了學生的實驗積極性，更妄談技術和創新人才的培養。

1.2 實踐與科研生產脫節

實驗與實際和科研脫節，不僅表現在實驗內容上，同時也反映在實驗設置上。單一陳舊的實驗項目，呆板僵化的實驗過程，預期不變的實驗結果，統一模式的數據處理，種種的這些“不出意外”和按部就班的套路，在很大程度上削弱了學生的實驗興趣，束縛了學生的主動性和創造力，更不利于鍛煉學生獨立思考和解決問題的能力。事實上，在生產實際中往往會遇到很多意料不到的問題，而科學研究更是具有很大的探索性和挑戰性。然而，傳統實驗教學思想和方式培養出的學生很容易養成數據好就萬事大吉，數據不好就慌張的壞習慣。因而，實干起來遇到一點問題就不知所措，專業技能不如專科生，眼高手低不受市場歡迎就不足為奇了。實驗與實際和科研脫節，如一潭死水，沒有生命力，現在的學生何等聰明，這樣的實驗做來也無用，當然糊弄了之。

圖1 “理論、實踐與科研三位一體”實驗教學新模式

1.3 理論、實踐與科研各自為政

從理論基礎的奠定，到實驗技能的掌握和科學素質的養成，到勇攀科研高峰或在生產實際中大顯身手，本是三個循序漸進，密不可分的過程。如圖1所示，實驗就像漢堡中的內容物，上下連著理論和科研實際這兩片白面包，光吃白面包，無味；光吃內容物，油膩；只有一口三層下去才是美味，學生都愛這個。為什么不能嘗試一個讓學生覺著滋滋有味又富有營養的理論、實踐與科研三位一體的“漢堡式”物理化學實驗教學探索？實驗教學若還是和理論、科研各自為政，實驗教師若還是和理論教師、科研教師只各自局限于自己范圍，目前似是無患，但隱患問題必將日益凸顯爆發。實驗教學應當承擔起橋梁的作用，實驗教改勢在必行。

2 “理論、實踐與科研三位一體”改革舉措

2.1 從理論中來，到實踐中去

(1) 由理論帶入實驗。以往實驗教師常說“這個你們理論課上應該講過，時間關系實驗課上就不多說了”。此話一出，無形中割裂了理論和實驗，學生一顆探究的好奇心立馬被澆滅。現在，在實驗課上設置一個新的環節，用開始的10 min進行理論問答。即實驗課上講理論，對本實驗所涉及的理論進行高度概括和引領。采取的方式是問答式的[13]，而不是教師一人高談闊論。以經典的“燃燒熱的測定”實驗為例，首先拋出第一個問題：“熱力學板塊有哪些函數？”，學生們開始搜尋記憶，紛紛作答，原本在理論課上分為幾章的熱力學內容立刻被串聯起來。緊接著：“這些函數中能夠直接用實驗方法測出的是哪些？”。學生們過濾一遍，有功和熱，其他函數的數值可由功和熱推導而來，因此認識到本次實驗重要性。接下來：“如何才能獲得熱值？”，“本實驗所得的是QP還是Qv值，二者如何換算？”……簡單10 min的理論問答，不僅將理論和實驗融合，更引起學生對本次實驗的重視，主觀能動性調動起來，課堂氣氛變得熱烈。

(2) 實驗使理論直觀深刻。許多學生都曾為應付考試死記硬背過，比如真實液態混合物的溫度-組成相圖，那樣一張貌似兔子耳朵，具有最低恒沸點的圖對大多數學生來說都不知從何而來。事實上，在實驗中只要通過實驗教師簡單的點撥，“為什么會有最低點出現？”，“這個點有何特別之處？”，“理想系統中易揮發組分在氣相中的相對含量總大于平衡液相中，具有恒沸點的系統又是怎樣的？”。一步步引導學生弄清楚這些問題后便豁然開朗，在大腦中形成一張立體知識網絡，深刻不忘。

(3) 必須強調“實驗結果與討論”中的理論分析。實驗結果與討論是科研工作中最重要的一個環節，但是在數據優先的分數指揮棒下，許多學生并未真正重視對實驗結果的探討。通常，數據不好就羅列出一系列可能的操作失誤，至于哪一個起決定性作用，是如何影響數據結果的，理論上為何如此，一概不管。現在，我國很多科研工作者都遇到這樣一個瓶頸，實驗中條件和影響因素都摸的很清楚，但是要從理論上解釋從原理上闡明就是含糊不清，這很可能與本科階段就養成的重結果輕分析的毛病有關。因此，在低年級本科實驗教學中，必須強調對于實驗結果的分析討論，盡早鍛煉學生從理論、原理的角度剖析結果的能力。

2.2 從實踐中來，到科研生產中去

(1) 從科研及生產出發的實驗內容[14]。化工專業學生，“雙液系氣-液平衡相圖測繪”的切入點放在石油化工中如何利用相圖指導生產，比如怎樣獲得某一沸點的純餾分。針對環境專業學生，“燃燒熱的測定”實驗樣品我們鼓勵學生自己去發掘，變為“生活廢物熱質測定與發電可行性”科研小課題。針對生物專業學生，“蔗糖水解反應速率常數”實驗中的水解催化劑采用學生自己發酵得來的酶，提高了實驗的綜合性；而對于藥學專業學生，該實驗的側重點則放在旋光性物質的特性上，啟發學生思考為什么西藥的發展趨勢是手性藥物，拓展學生的知識面。

(2) 與生產實際對接的實驗模式。為了打破慣有的實驗套路，我們嘗試用模擬職場等方式來進行實驗教學。例如，學生是公司新人，實驗項目是客戶訂單，實驗報告是企劃方案，讓學生站在職場考驗的角度完成實驗。如此以來學生很容易領悟，原來實驗報告的圖畫出來不單是給自己看的，更是給領導、給客戶看的。圖要有圖題，且必須位于圖的正下方；比例尺的選取要方便易讀；測量精密度要在圖中以有效數字形式表示清楚；數據點必須明顯標出，可用不同符號標記。總之，與人方便，于己才能脫穎而出。僅是對教學模式進行一點簡單的轉變，就能讓學生發現并反省凡事以自我為中心的習慣，比“填鴨式”教學的效果好很多。

(3) 訓練科學思維，培養科研素質。“優秀是一種習慣”，本科低年級學生在科研上猶如一張白紙，及早訓練正確的科學思維方式，培養良好科研素質，樹立嚴謹的科學態度，將會為日后這批年輕人成長為創新拔尖的高水平人才打下堅實的基礎。① 要辯證看待實驗中的錯誤[15]。不要讓學生養成實驗數據“理想”就好的心理，通常，教師更希望看到學生得到意料之外的結果。引導學生找出問題，分析問題，進而解決問題，從錯誤中體會現象和理論之間的內在聯系。此時才是鍛煉學生觀察、分析能力，理論聯系實際的大好機會。比如，燃燒熱實驗結束后有黑色物質殘留，學生經過一系列的復雜操作卻得到這樣的結果打擊很大。此時教師適當引導：“黑色殘留物是什么，為什么沒有燃燒完全？”，“實驗值與理論值相比怎樣？”。只要分析討論的好，甚至可以得到A+的好成績。慢慢地學生不再畏難，不懼失敗，逐步學會分析和總結，更不會為了好成績而抄襲造假。② 要注重實驗細節。細節決定成敗，實驗中亦是如此。燃燒熱實驗中很容易因為微小的失誤造成整個實驗的失敗，比如片劑硬度不合宜，鐵絲未綁好，溫度計探頭沒有放置水中，攪拌未開等。教師在實驗前除了安全問題，不必把其他的注意事項說的很明確，應當放手讓學生去做，經歷過失敗才能學會如何避免失敗，下一次才會更加細心謹慎。③ 要培養良好的實驗素養。包括實驗前認真準備，學會事先在心中“畫”出實驗的本領；實驗中科學合理的安排先后步驟；實驗后清洗和整齊擺放實驗儀器；整個實驗過程中善于發揮團隊的力量等。一位從哈佛大學做訪問學者回來的教師感慨，一次他在實驗后沒有將用完的儀器放回指定位置，第2天就被在組會上不點名批評。整齊有序的實驗環境，我為人人，人人為我的實驗氛圍是做好科研和實際工作的前提保證。

2.3 理論、實踐與科研三位一體

(1) 理論、實踐與科研應當有機地融合。“學而時習之”，強調要知行統一，理論聯系實際。用理論指導實踐，以實踐為科研生產奠定基礎；在開展科學研究、產出成果之后，反過來豐富原有學科和理論，提升實驗教學內容、方法和手段，滿足科技發展對人才培養的要求。如此才是理論、實踐與科研真正的三位一體。

(2) 產、學、研結合，為人才成長提供沃土。課堂教學的時間是有限的，教師應當鼓勵有志的學生，通過學生自己找課題或教師拿出科研、企業項目，借助個性化實驗、SRTP以及相關比賽等平臺，支持學生將課堂的興趣延續到課下來，讓學生自主化、個性化、多元化發展。通過產教融合、校企合作、工學結合，培養生產一線的高層次技能人才，逐步實現人才培養和就業需求的無縫對接。本學院教師曾經指導學生進行“超疏水汽車擋風玻璃”SRTP項目，該項目獲得了全國大學生“挑戰杯”科技大賽的三等獎，還吸引了深圳一家企業前來咨詢合作。

(3) 提高教學質量。培育高素質人才歸根結底還是在于人，在于所有教育工作者的努力。理論教師、實驗教師和科研教師要打破界限，充分溝通，相互學習。除了教學水平的自我完善，實驗教師還必須從理論修養和科研能力兩方面不斷提高自身素質。一個不鉆研理論，對科研不聞不問，只埋頭于儀器操作和實驗技能的實驗教師一定不是一位優秀的實驗教師。只有教師自己的眼界開闊了，跟上時代發展和事業要求，才能幫助學生望的更遠，達到更高的高度。

3 結 語

大學教育不能自娛自樂，為了培養市場需要的應用人才，培養創新拔尖的科研人才，實驗教學必須肩負起啟下(基礎理論)承上(科研生產)的作用。通過幾年的改革探索和不斷的總結創新，“理論、實踐與科研三位一體”模式在物理化學實驗教學中逐漸顯示出良好的效果。學生普遍反映實驗變得滋滋有味又富有營養，學生的綜合素質得到了明顯提高。目前，三位一體的教學模式已被推廣到其他實驗課程中去。時代在發展，科學在進步，高等教育改革不可能一勞永逸，面對新的問題和挑戰，我們要在教學中不斷探索實踐，為培養“致天下之治”的人才貢獻自己的力量。

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A New Mode of “Union of Theory, Practice and Research” for Experimental Teaching of Physical Chemistry

GUOTing,MENGTao,FANGYi,TONGZhi-ping,SHUXue-bin

(Experimental Center, School of Life Sciences and Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

In this article, the problems in the present experimental teaching of physical chemistry have been discussed. The problems include the split between practice and theory, and the lag between practice and research. Accordingly, a teaching mode of "union of theory, practice and research" has been proposed. A series of new measures of teaching reform have been carried out for the development of technologically applied professionals as well as advanced scientific researchers.

physical chemistry experiments; teaching reform; theory and practice

2014-06-22

郭 婷(1981-)，女，江蘇南京人，博士，工程師，主要從事物理化學實驗教學和功能材料科研工作。

Tel.:028-66366959；E-mail:tt-g-19@163.com

O 641； G 642

A

1006-7167(2015)05-0138-03