物理化學理論課教學和實驗課教學相結合的一些探索

許秀芳

(南開大學化學學院，天津300071)

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物理化學理論課教學和實驗課教學相結合的一些探索

許秀芳*

(南開大學化學學院，天津300071)

摘要：針對物理化學理論課和實驗課教學的特點和存在的一些問題，結合教學實踐闡述了物理化學課程教學中將理論課教學內容和實驗課教學內容相結合的一些經驗和方法，探討了物理化學課程教學方法的一些改革措施和取得的效果。

關鍵詞：物理化學；物理化學實驗；理論課教學；實驗課教學

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物理化學是化學類基礎課程的重要組成部分，在許多學校的化學、環境科學與工程、生命科學、醫學、藥學等多個專業開設。物理化學從研究物理變化和化學變化的聯系入手，探求化學變化的基本規律，能夠為其他專業課的學習提供方法和理論指導，在基礎課和專業課之間起著橋梁和紐帶的作用。與其他化學專業課程相似，物理化學也是一門以實驗為基礎的科學。筆者自任教以來，一直承擔著物理化學理論課和實驗課的教學工作。在教學中發現，目前物理化學基礎課教學中存在著明顯的理論教學與實驗教學不同步的情況。往往是學生在實驗課上所要用到的物理化學知識在理論課上還沒有講；而到了理論課講到這一部分時，學生早已經忘記了相關實驗內容。所以，學生在實驗課上更多地扮演著“操作工”而不是“研究者”的角色，難以達到通過實驗來加強理論學習和通過理論知識分析實驗結果的目的。近年來，隨著我國高等教育全方位改革的進行，教學模式、教學方法和教學理念正在發生根本變化，在注重傳授知識的同時，更加注重提高學生的綜合素質、創新能力和競爭能力[1]。為解決物理化學基礎課教學中這一普遍存在的問題，促進學生素質的全面提高，國內化學教育工作者進行了一些積極的嘗試，采用的方法包括：(1)改革實驗教材內容，在原有的驗證性實驗基礎上，增設與新理論、新方法相關的綜合性實驗和設計性實驗；(2)將實驗預習和理論課講解相結合，在實驗預習課上給學生講解實驗目的、步驟、操作要點、注意事項、誤差來源等項目，同時在理論課上結合物理化學相應知識點解釋實驗現象；(3)建立仿真實驗室，使學生可以在計算機上進行實驗課程的仿真模擬；(4)制作實驗教學片，設立演示實驗等[2－6]。為提高教學質量，改善教學效果，筆者以理論課教學和實驗課教學相結合為目標，在物理化學教學中進行了一些新的教學方法和手段的探索，力求使學生更輕松、全面、系統地掌握物理化學知識。

1　充分掌握物理化學理論課及實驗教學內容

為達到理論課教學與實驗課教學相結合的目的，物理化學理論課的任課教師應盡量同時承擔物理化學實驗課教學或堅持在物理化學領域從事一線研究工作。在備課過程中，教師應在充分查閱資料的基礎上深刻理解實驗內容，并親自對每個教學實驗進行操作。這樣有助于在理解理論課教學和實驗課教學中每一個知識點的基礎上增加自身的知識積累，做好隨時為學生解答問題的準備，指導學生靈活運用所學的理論知識解決實驗中遇到的問題[7]。以實驗課教學為例，學生在熱力學實驗中會接觸到反應平衡常數、內能、焓、反應熱等概念；在動力學實驗中主要用到反應速率常數、活化能等概念。上述概念比較抽象，而在理論課教學中教師又很少講到它們之間的聯系，這就有可能造成學生在理解和掌握上的困難。因此，筆者在熱力學實驗或動力學實驗的預習課上，利用圖形和公式推導的方式為學生講解了內能變化、焓變、反應熱與活化能之間以及反應平衡常數與反應速率常數之間的關系。對于大部分正、逆向均可進行的基元對峙反應，其歷程如圖1所示，反應由始態出發，經過一個過渡態后到達終態，其中始態、終態和過渡態的能量分別為E始態、E終態和E過渡態。反應方程式可以表示為，反應平衡常數為K，正向反應速率常數為k，逆向反應速率常數1為k2，則正向反應速率為r1= k1[A]a[B]b，逆向反應速率為r2= k2[C]c[D]d，當反應達到平衡時有r1= r2，則，即反應平衡常數等于正向反應速率常數與逆向反應速率常數的比值。

圖1　化學反應歷程示意圖

在明確了平衡常數與速率常數的關系之后，我們進一步對T微分得。將阿累尼烏斯公式的微分式。根據恒容條件下的van't Hoff方程，可得反應的內能變化(同時也是恒容反應熱)ΔU = E終態－E始態= Ea1－ Ea2。雖然ΔH和ΔU不完全相等(ΔH =ΔU +Δ(pV))，但對于物理化學實驗課程中動力學實驗部分普遍采用的溶液相反應(Δ(pV) = 0)而言，可以近似認為焓變(同時也是恒壓反應熱)ΔH = Ea1－Ea2。通過以上圖形和公式的講解，能使學生較為清楚地了解內能變化、焓變、反應熱與活化能之間以及反應平衡常數與反應速率常數之間的關系。

2　將多媒體技術引入課堂演示實驗

課堂演示實驗是中學化學教學中普遍采用的一種理論與實驗相結合的教學方式。但物理化學實驗由于其實驗時間長、需要使用儀器進行測試的特點，不適于在課堂上進行現場演示。近年來，計算機科學的發展為課堂教學提供了集圖、文、聲、像和三維動畫為一體的多媒體技術，并在物理化學、有機化學、無機化學、結構化學和分析化學教學中得到了廣泛應用[8－11]。針對這一特點，我們以物理化學理論課的多媒體課件為基礎，以物理化學實驗課教學中廣泛采用的熱力學、動力學、化學平衡、相平衡、電化學、表面和膠體等實驗作為重點，添加相關的實驗過程、實驗儀器、實驗原理部分的課件和視頻內容，編制了面向化學、環境科學與工程、生命科學、醫學和藥學等專業物理化學基礎課教學的理論和實驗相結合的多媒體課件，在課堂上進行演示。另外，在最近的教學工作中，我們嘗試性地在多媒體課件中加入了由中國科學技術大學先進技術研究院和清華大學出版社聯合制作的全新網絡科普項目《美麗化學》(http://www.beautifulchemistry.net)中用現代數字技術制作的化學結構和化學反應的圖像和動畫。實踐證明，將實驗和科研成果以多媒體課件的形式穿插于理論課課堂上進行演示，讓學生加深對基礎理論的理解，能夠使學生更容易掌握所學到的物理化學知識，對解決物理化學教學中理論課和實驗課脫節的問題具有較好的作用。

3　將實驗內容編制為例題進行課堂講解

由于物理化學教學中理論課程和實驗課程不同步，會造成學生在實驗課上只是按照實驗教材規定的步驟進行操作和記錄數據，隨后根據給定的公式進行計算，而對為什么這樣處理不知其然。針對這一問題，筆者在物理化學理論課教學中精心挑選了一些實驗中涉及的內容和結果，編制成例題，利用課堂教學或習題課的時間給學生進行講解，以加深學生對相關知識的理解。例如，在涉及化學動力學的丙酮碘化反應實驗中，以碘溶液在560 nm處的吸光度D對反應時間t繪制的D-t曲線為一條直線[12]。絕大多數學生都能得到線性關系很好的直線圖形，但對D-t曲線為什么是直線的原因不清楚。據此，筆者在化學動力學教學中編制了如下例題：丙酮碘化反應方程式為CH3COCH3+ I2→CH3COCH2I + I-+ H+，反應產物H+起著自催化作用，故反應速率方程可寫為r = kcp(CH3COCH3)cq(I2)cm(H+)，其中反應級數p = m = 1，q = 0，丙酮和鹽酸的初始濃度遠大于碘的初始濃度，試分析D-t曲線形狀并說明原因。

解：反應級數p = m = 1，q = 0，因此反應速率方程可寫為：

根據朗伯-比爾定律，波長一定，有D = elc，其中D為吸光度，e為摩爾吸光系數，l為比色皿厚度，c為碘濃度，將c = D/el代入式(1)，有:

轉化得：

由于丙酮(CH3COCH3)和鹽酸的初始濃度遠大于碘的初始濃度，可以認為在反應過程中二者濃度保持不變，則上式簡寫為:

積分得:

由此可知，D-t曲線為直線。

通過以上例題的講解，加深了學生對實驗的印象和相關知識的理解，得到了較好的效果。

4　利用實驗總結介紹物理化學相關知識

在物理化學實驗課程不同類別的實驗之間，往往會安排實驗總結的內容。教師可以利用實驗總結，講解與實驗結果及實驗現象相關的物理化學知識，以加深學生對該部分知識的理解。例如，在對動力學實驗進行總結時，教師可以針對溶液中的離子反應實驗的結果講授以下內容：對溶液中的反應，利用碘鐘法進行動力學研究，實驗結果可得S2的級數為1，I－的級數也為1，反應級數與反應方程式的計量系數不一致，由此可以推斷該反應是復雜反應。如果把該反應的歷程設想為如下的雙分子反應步驟：

其中k2?k1，k2?k3，根據(IS2O8)3－的穩態近似，推斷(IS2O8)3－的生成速率與消耗速率相同。根據質量作用定律可得，將該式進行推導可得。由于k2?k1，k2?k3，上式可近似為。進而由生成物濃度計算反應總速率得，即推導結果與實驗結果一致。

再例如，教師總結動力學實驗時，為開闊學生的思維可以提出如下問題：速率常數除了可以通過動力學實驗求出，還有別的辦法可以求出嗎？然后啟發學生：根據基元反應的過渡狀態理論推出的艾琳公式，可得：

利用量子化學計算的方法得出過渡態和反應物的吉布斯自由能G反應物和G過渡態，從而得到，帶入式(3)即可計算基元反應的速率常數。而對于復雜反應，則應首先確定復雜反應的機理，然后對其中的速控步應用式(3)來估算反應的速率常數。這樣的例子不僅開闊了學生的思維，還加深了學生對理論知識應用于解決實際問題的理解。

5　利用名家講座和小論文方式提升學生的學習興趣

在課堂講授之余，教師可以隨著各章節的進度，邀請相關領域的知名學者為學生做專題講座，讓學生體會到物理化學在諸多科學領域的廣泛應用，從而消除學生對物理化學“實用性低”的印象。例如，在講授量子化學和統計力學原理部分時，我們邀請理論和計算化學領域的專家做了“Gaussian程序及其在化學研究中的應用”的專題講座；在講授膠體和界面化學部分時，我們邀請界面化學領域的專家做了“納米表界面化學”的專題講座等。另外，我們還通過小論文的方式，讓學生查閱文獻資料，利用所了解的物理化學知識和技術手段，自己設計實驗和解釋實驗現象；安排學生在課堂上宣講論文，組織全體學生進行討論和辯論，引導學生自由發表意見并邀請相關領域的專家學者進行點評，使學生知其然并知其所以然。對有見地的設計實驗，不僅要給予充分肯定，鼓勵創新思維，還可以聯系有條件的實驗室，讓學生將所設計的實驗付諸實施。例如在為醫學、藥學和生命科學專業的學生講授膠體部分內容時，學生通過查閱資料，了解到人的體液均為膠體，可以利用膠體粒子帶電的特點，通過電泳方法分離體液，判斷某器官是否病變。據此，他們設計了在電場作用下，將唾液中的消化酶分離出來，從而單獨研究酶的活性的實驗內容。這種啟發式教學的方式激發了學生的積極性，每次主動要求設計實驗和宣講論文的學生都超過50人。課堂討論非常熱烈，很多學生在查閱大量資料的基礎上，對現有的物理化學教學實驗提出了改進意見，或是設計出構思新穎的物理化學實驗，既調動了學生學習物理化學知識的興趣，也培養了學生的創新能力。

6　開放實驗室

在教學中，教師應有意識地介紹相關學科的最新研究進展，將物理化學基礎知識與學科的前沿研究領域相結合，在有條件的情況下將實驗室向學生開放，為學生在課余時間進行科學實驗提供方便。一方面，教師可以組織學生參觀實驗室，結合自己的科研工作，向學生介紹物理化學相關領域最新的科學研究進展，并講解其中涉及的物理化學基礎知識；另一方面，還可以吸收部分學生在空余時間參與到教師的科研工作中，讓學生通過切身體會了解如何運用物理化學基礎知識解決科學問題。近幾年來，先后有多名本科生利用課余時間到筆者的實驗室開展了有機化學反應機理的計算研究等科學工作。通過這種讓學生真正接觸科學研究的方法，不但加深了學生對物理化學知識的理解，而且有利于學生加深對其他專業知識的了解和思考，激發學習興趣，提高學生的整體素質。至今在筆者實驗室從事過科學體驗的本科生先后有3人獲得“校優秀畢業生”的稱號，1人獲得化學學院本科畢業生的最高榮譽“楊石先獎學金”。

7　物理化學實驗教學中應避免的幾個誤區

在多年的教學工作中，筆者體會到目前在物理化學實驗教學中還存在著一些誤區。誤區一是孤立地看待各個實驗，彼此之間缺乏關聯。有些教師要求學生從實驗方法、步驟到數據處理全部“依葫蘆畫瓢”式地按照教材進行，使學生在實驗中更多地扮演著“操作工”的角色，缺乏對實驗的思考和不同實驗之間的橫向比較。針對這一問題，教師應在實驗總結時有意識地增加一些對各個實驗之間的共性和相互聯系的講解。如化學動力學主要考查反應物或產物的濃度隨時間的變化。筆者所在學校開設的化學動力學實驗主要有丙酮碘化反應、乙酸乙酯皂化反應、蔗糖酸催化轉化反應等。在這些實驗中，學生需要測量的物理量主要有吸光度、電導、旋光度等。在進行這部分實驗的總結時，教師可以引導學生思考這些物理量之間的共性。根據吸光度、電導率、旋光度的表達式：吸光度D = elc (e為摩爾吸光系數、l為光程長度、c為吸光物質濃度)，電導率κ=Λmc(Λm為摩爾電導率、c為電解質濃度)，旋光度α=Mrlc (為比旋光度、Mr為旋光物質相對分子質量，l為光程長度、c為旋光物質濃度)，可以發現吸光度、電導率、旋光度這幾個物理量均與濃度有線性關系。由此可知這幾個化學動力學實驗的共性在于均是采用了觀測與濃度有線性關系的物理量隨時間的變化來跟蹤濃度隨時間的變化，從而解決濃度難以在實驗過程中進行實時檢測的問題。在此基礎上，教師可以進一步引導學生思考通過以上方法還能檢測哪些物理量。通過查閱資料，學生們提出體積(過氧化氫分解反應)、熒光強度、圓二色強度等也可以用來跟蹤濃度的變化。通過這樣的橫向比較和展開，能夠更好地讓學生加深對相關知識的印象。誤區二是過多注重實驗結果正確與否，忽視對學生科學素養的培養。有些教師在進行物理化學實驗教學過程中，過分注重學生是否按給定步驟操作、原始數據是否合理、公式運用和計算結果是否準確等，而較少注重對學生分析和處理實際問題能力的培養。在實驗過程中，如果遇到學生實驗失敗，大多是簡單地要求學生重做實驗。其實，即便是失敗的實驗，教師也應該引導學生分析產生錯誤的原因，并利用所學到的物理化學知識加以解決，這樣更有助于提高學生的科學素養。

總之，在物理化學的教學過程中，筆者在理論課教學和實驗課教學相結合的教學方法方面進行了一些嘗試。實踐證明，這些方法能夠在一定程度上提高學生學習物理化學的興趣，解決物理化學基礎課中理論課教學和實驗課教學脫節的問題，消除學生對物理化學“抽象、難學、實用性低”的印象。為進一步提高理論結合實驗的效果，教師應加強自身的業務學習，不斷提高專業素質和授課水平，在實驗課教學中鞏固理論課教學效果，在理論課教學中引導學生思考實驗現象背后的理論知識，從而達到豐富教學內容，提高教學效率，提升學生整體科學素質的目的。

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?教學研究與改革?

Some Explorations on Incorporation of Theoretical and Experimental Teaching in Physical Chemistry Course

XU Xiu-Fang*
(College of Chemistry, Nankai University, Tianjin 300071, P. R. China)

Abstract:Aiming at the properties and some problems of physical chemistry theoretical and physical experimental courses, we discuss our experiences and methods on the association of theoretical teaching with experimental course. In addition, some experiences on the reform of physical chemistry teaching and the corresponding achievements are also discussed.

Key Words:Physical chemistry; Physical chemistry experiment; Theoretical teaching course; Experimental course

中圖分類號：O64；G64

doi:10.3866/PKU.DXHX20160317

*通訊作者，Email: xxfang@nankai.edu.cn

基金資助：天津市自然科學基金(14JCYBJC20100)；南開大學教育教學改革項目