基礎物理化學設計實驗的探索與實踐

屈宜春　侯飛　李里

摘 要：文章結合多年來黑龍江大學在基礎物理化學實驗中開展設計實驗的教學實踐，闡述了設計實驗項目內容的選擇與設置的思路方法，并總結了在教學實踐中積累的經驗。

關鍵詞：物理化學；設計實驗

中圖分類號：G642.3 文獻標識碼：A 文章編號：1002-4107（2015）04-0015-02

為了激發學生學習物理化學實驗興趣，提高學生的創新意識，我校于2005年開始在基礎物理化學實驗課程中增設了設計實驗，充分地發揮了學生的主觀能動性，把所學的理論知識加以運用解決實際中的問題，提高了學生的實踐能力，使學生從實驗中領會科研探索的思路和研究方法，培養了學生由“印證理論型”向“創新能力和素質提高型”的轉變。多年來，我們通過積極地與其他院校的同行交流，虛心借鑒他們的經驗，廣泛地查閱有關的文獻和書籍，在教學實踐中認真研究與探索，使實驗的項目與實驗內容得以不斷地改進與豐富。在本論文中，結合我們開設的設計實驗的具體項目，介紹一下這些實驗在選擇和設置時的思路及在教學實踐過程中積累的一些經驗。

一、從經典的驗證實驗中發現新的研究內容

如何將經典的驗證性實驗延伸為設計實驗是我們從事物理化學實驗教學的實驗教師一直認真探索的問題。例如電導法測定乙酸乙酯皂化反應的速率常數是國內外高校化學專業必開設的經典動力學實驗[1-2]，很多高校在該實驗的基礎上開設了具有研究性特點的設計實驗，張虎成等人設想并實現了在未知反應級數的前提下[3]，讓學生靈活地利用動力學原理設計測定反應級數的測定方法，陳曉娟等開設了開放式研究性實驗“酯類皂化反應溶劑效應”[4]，對酯類化合物皂化反應的動力學溶劑效應進行了初步分析，獲得了有意義的結果。我校一共開設了20個基礎的驗證性實驗項目，經過多年的教學研究與實踐，我們在這些實驗的基礎上開展了很多設計實驗項目。

“濃差電池的設計和電動勢的測定”是在經典的電化學驗證性實驗“化學電池溫度系數的測定”基礎上開展的，要求學生根據實驗室提供的電極材料設計4個濃差電池然后利用電位差計測定電池的電動勢，學生普遍認為這個實驗比較簡單，可是在具體操作的時候卻出現了很多問題，問題主要表現在學生在設計方案的時候缺少周密的考慮，比如設計的電池所用的電解質溶液是硝酸銀，可鹽橋的溶液卻用的是氯化鉀飽和溶液，結果連接上電池后二者相遇發生化學反應生成氯化銀沉淀導致實驗失??；有的同學將商品銀絲不經活化處理就直接作為銀電極使用，結果發現所得的電池電動勢數據與文獻上報道的理論值相差很大，遇到這些問題，作為教師，要讓學生認真獨立的思考問題出現的原因，然后重新修改方案，再通過實驗來驗證自己的想法的是否正確，切忌過多的干涉學生的想法，過多的提示與指導，否則不能更好地鍛煉和培養學生獨立分析和解決問題的能力。驗證性實驗的主要目的是使學生掌握物理化學實驗的基本方法與技能，加深對有關的物理化學原理的理解，而設計實驗更加側重于提高學生靈活運用這些實驗技術和原理的能力。

化學反應熱的測定是要測定的反應熱，可采取量熱法及蒸發壓法相結合來實現。它是在“燃燒熱的測定”和“純液體飽和蒸汽壓的測定”兩個基礎驗證性實驗上開展的項目，在驗證實驗中，學生測定的是固體奈的燃燒熱，而乙醇是可燃液體樣品，既無固定形狀又很容易揮發，所以首先要求學生思考如何將乙醇固定在燃燒池中，測出其燃燒反應的等容燃燒熱，再利用公式計算出該反應體系的等壓燃燒熱，然后根據水的飽和蒸氣壓的測定方法，測出不同溫度下水的飽和蒸氣壓，求得水的平均摩爾汽化熱。這個實驗將兩個熱力學實驗巧妙的結合起來，不但提高了學生的物理化學實驗技能，而且加深了他們對熱力學基本理論的理解。

“酸催化蔗糖轉化動力學”是由驗證實驗“旋光法測定蔗糖轉化反應速率常數”而延伸的實驗，曾是第四屆全國大學生化學競賽的實驗項目之一，競賽時首先給出了實驗的基本原理，然后提出設計要求，要求在40分鐘內設計一個合理的實驗步驟，在某一溫度下，通過改變酸的濃度，求出對應于酸的反應級數及酸催化的反應速率系數。我們在實驗教學中對此進行了一些改動，因為和參加競賽的學生相比，無論在實驗的設計和操作方面，學生都有充分的時間思考和完成，所以我們沒有給出實驗的基本原理，這樣在一定程度上就增加了設計的難度。對于這個實驗，很多學生出現的問題在于不知道實驗的目的與他們所作的驗證實驗的區別，不清楚反應的速率常數與酸的速率系數及酸的級數的關系，這反映了我們很多學生還沒有深入和靈活地理解動力學的理論知識，在本實驗中至少要測定兩個酸度下反應體系的旋光度隨時間的變化，然后利用對作圖，分別求出兩條直線的斜率，學生在設計實驗方案與實驗步驟時普遍出現了考慮問題不深入、不細致的現象，比如酸是催化劑，只能改變反應速率，不能改變反應的轉化率，因此只要蔗糖的初始濃度不變，是常數，由于有些學生沒有考慮到這個關系，因此分別測定了兩個酸度下的，導致沒有在規定的時間內完成實驗。

綜上所述，學生從設計實驗方案到獨立自主地完成實驗，能夠真正地提高他們獨立思考分析問題和解決問題的能力。

二、鼓勵學生自主選題設計實驗

以上列舉的是教師結合多年的教學實踐并借鑒其他院校的教學內容與經驗而開設的實驗項目。除此之外，我們還鼓勵學生自主開發實驗項目，比如學生在做純液體飽和蒸汽壓實驗過程中提出疑問，測試數據的初始溫度為什么是40 ℃而不能低些，為此他們自己設計方案來研究，結果發現，實驗過程中真空的程度對實驗的結果有很大的影響，當真空度為-700 mmHg時，測試的溫度應在40 ℃以上，才能保證得到的水的平均摩爾汽化熱和正常沸點的誤差在5 %以內，若要降低測試的初始溫度，必須提高真空度。學生還通過上網查閱文獻開發了“明膠的等電點測定方法與研究、表面活性劑在固體表面吸附量的測定”等等實驗項目，在研究測定明膠的等電點方法時，他們大膽嘗試了利用最大泡壓法測定明膠等電點的方法，并且與常用的電導法進行了比較，發現在等電點時，明膠溶液的表面張力最小，在表面張力的曲線上出現了拐點，而利用該方法測定明膠的等電點的文獻鮮見報道。研究的成果增強了學生大膽創新的信心。在研究表面活性劑在固體表面上的吸附量時，他們考察了陰離子表面活性劑十二烷基硫酸鈉（SDS）在不同固體吸附劑上的吸附行為；在選擇SDS濃度的測定方法時，由于國標法是亞甲基藍分光光度法，測試的過程中要進行萃取等煩瑣操作，為此學生大膽地設計了分別利用電導法和最大泡壓法測定其濃度。雖然方法的精密度不如國標法，但是這兩種方法操作非常簡單、快速，且基本能夠滿足學生實驗的要求。在研究表面活性劑在納米二氧化鈦上的吸附行為時，考慮到二氧化鈦納米粒子所帶電荷的性質可能會影響其對表面活性劑的吸附性能，為此他們設計利用改變pH值來改變納米粒子表面的帶電情況，進而研究考察它們在不同的pH體系下對活性劑的吸附性能，為了驗證他們的結論還選用了陽離子表面活性劑CTAB來進行對比研究。在這些實驗過程中，學生隨時會遇到問題，會有新的想法和思路，然后要深入和廣泛地查閱文獻來改進實驗的方案。多年的教學實踐表明學生對這類實驗表現出極大的興趣，因為他們在其中體會到科研探索的樂趣。

三、將教師的科研項目與教學內容相結合

目前，很多高校都將教師多年從事科研工作的內容與成果編寫成了實驗項目，我們也在基礎的物理化學實驗中針對化學教育改革實驗班的學生開設了這一類具有綜合性特點的研究項目，因為這些學生學習基礎非常好，畢業時大多數被報送讀研究生。為了豐富和擴展他們的理論和實踐知識，培養他們科學研究的興趣，為將來更好地從事科研工作打下基礎，我們結合教師的科研課題開設了一些設計實驗項目。這些實驗要求學生首先自己查閱文獻，了解相關領域的知識與研究現狀，然后獨立設計實驗的思路和方案，經過和老師一起探討后確定樣品的制備方法、表征手段及性能測試的方法，由于這些實驗工作量相對較大，因此實驗的形式采取開放性，學生在課余時間可以隨時到實驗室開展實驗，通過這些實驗研究，不但鍛煉和提高了他們的實驗技能，更重要的是使他們初步了解了科學研究的思路，體會了科研工作的艱辛，培養了他們認真進行科學研究工作的素養，并且由于這些研究內容涉及的領域廣泛，是表面化學、半導體光物理與光化學、光催化化學多學科知識交叉的研究項目，極大地豐富了他們的理論知識，開闊了他們的思路，提高了他們科學研究的興趣，為將來從事科學研究工作奠定初步的基礎。

四、結語

通過多年來在教學實踐中的摸索與探討，我們在設計實驗內容的選擇和設置方面逐步地積累了一些經驗，也取得了較好的教學效果，使學生在學習興趣、動手能力、獨立思考問題及科學研究能力等方面都得到培養和提高。開設設計實驗后，先后有15名化學實驗班的學生參加了全國大學生化學競賽，其中有4人取得了二等獎，3人獲得了三等獎，明顯好于沒有開設這類實驗前時學生的競賽成績。

近年來發現，一些設計實驗經過幾年的教學實踐，其內容的創新性就會有所降低，這就要求我們要在實踐中不斷地研究探索新的研究項目，要大量地查閱相關的文獻與書籍，多與其他院校的教師交流與探討，借鑒其他高校同行的教學實踐經驗，使設計實驗的項目與內容不斷地得以更新和豐富。

參考文獻：

[1]復旦大學等.物理化學實驗[M].北京：高等教育出版社，2007：103.

[2]邱金恒，孫爾康，吳強.物理化學實驗[M].北京：高等教育出版社，2010：74.

[3]張虎成，裴淵，趙揚.電導法測定乙酸乙酯皂化反應級數[J].大學化學，2012，（27）.

[4]陳小娟等.酯類皂化反應動力學溶劑效應的研究[J].大學化學，2013，（28）.