淺析加強物理化學實驗教學中的理論模型及儀器原理的重要性

【摘要】加強對理論知識和儀器原理的講解，有助于學生更好地理解實驗過程中測量量和測量手段的選擇方法和如何處理獲得數據去推斷化學反應的機理，有助于學生學習的主動性和創新思維的培養。

【關鍵詞】儀器原理 理論講解 物理化學實驗

【中圖分類號】G64 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2017）23-0188-01

實驗教學是大學教育中的重要組成部分，既是增強學生對理論知識的理解和掌握儀器使用技能的重要手段，也是培養學生創新能力和基本科研素養的重要方法，其在培養創新型大學生的過程中具有重要的地位和關鍵的作用[1]。物理化學實驗是大學化學類專業的一門重要的專業課，其特點是通過對實驗現象中物理量的測量和分析，探索和驗證化學反應過程中的規律，有助于學生對基礎理論的理解和建立對科學探究的基本方法論。隨著科技的發展，越來越多的實驗儀器采用數字化的數據采集和分析方式，智能化程度也越來越高。這樣有助于提高實驗過程的重復性和可信性，但是也帶來了一些問題：如1.由于大多儀器采用數字采集的方式，學生打開開關基本上就完成了所有需要的操作，降低了學生積極性和自主性；2. 測量物理量和所探究的實驗結論之間沒有顯性的關系，學生測量過程中經常一頭霧水。這不利于學生對理論知識的學習和理解，也不利于培養學生的自主性、探索精神和創新性，起不到良好的培養作用。針對這些問題需要加強實驗課的理論教學、在這個基礎生增加對儀器原理的介紹，讓學生建立起理論知識、物理測量、數據分析、理論探索的主線，增強學生學習的自主性和積極性，培養其良好的科學探索和創新的素養。

1.理論教學

在實驗課堂上，不僅要回顧理論教學當中的內容，還需要講解理論知識發展的起源、理論知識和實際的聯系、相關過程的測量及分析等重要內容。物理化學實驗和其他化學類實驗一個重要的區別是其測量的物理量和最終要探究的理論之間的差異較大。只有在學生充分地理解和掌握基礎知識的基礎之上，才能夠很好地分析和理解實驗結果。例如采用粘度法測量有機物粘均分子量的試驗中，學生很難想象測量液體下降的時間和有機物分子量之間的關系。同時，在理論講解的過程當中采用多媒體教學方式，增加理論內容的直觀性和理解性，讓學生產生更多的興趣[2]。例如在電導法測量表面活性劑臨界膠束濃度的實驗當中，首先需要給學生呈現一個表面活性劑的圖像，讓學生有一個直觀具體的認識。在此基礎之上，結合能量最低原理，建立物理模型，分析在不同濃度的情況下，表面活性劑在水溶液中的具體形態，及其相關的物理、化學性質的變化規律和原因。最后，引導學生分析在臨界膠束濃度的條件下，表面活性劑的形態會發生一個怎樣的突變、又會引起那些物理、化學性質的變化。這些分析到底正不正確呢，課堂中的假設和推論是否和實際相符合呢？積極引導學生帶著疑問去完成實驗。整個過程有助于學生建立物理化學過程中的模型，并分析模型在外界條件下的變化規律；最后通過相關的手段去檢測假設和理論的合理性和適用性。整個過程也可以幫助學生建立探究科學問題的方法論。

2.儀器原理分析

相關物理量測試的方法和手段直接關聯到實驗儀器的選擇的和使用。因此，通過對測量手段和方式的講解，一方面有助于學生清晰的認識儀器的工作原理；另一方面有助于學生在探究性實驗當中合理的選擇儀器完成需要的測試，獲得有效的數據建立相關模型。同時，儀器原理的講解有助于學生理解儀器工作的本質，便于學生在實驗過程中有的放矢地操作儀器，增加學生操作儀器的積極主動性。例如在使用磁天平測量絡合物的磁化率并判定絡合物的配鍵類型的實驗當中，通過磁體在磁場中的受力，可以判斷出磁體磁性的類別，而力的大小與磁體中未配對電子的數目相關從而獲得絡合物的配鍵類型。實驗當中的采用的粉末受力較小，很難直接測試其受力，可以引導學生思考如何測量微小的力？天平是測量物體質量的儀器，其本質原理是天平提供的支持力與物體所受到的重力平衡的條件下，獲得物質的質量。依照此思路，可以通過測量磁體在磁場中“重力”（向下的作用力）的變化來判斷磁力的大小。同時采用萬分之一的天平可以測量大小約10-3牛的力，可以滿足實驗當中測試的要求。通過這些分析，使得學生明白儀器設計的重要性以及如何通過間接的測量去獲得所需要的物理量。在磁場中，如果樣品受到“重力”減小，學生就可以分析得出材料具有抗磁性；“重力”增大就知道這個材料具有順磁性或者鐵磁性。這個分析過程，有助于學生清楚的認識和理解實驗當中為何使用改裝的天平去測量質量、為何通過質量的變化就可以獲得物體受到的磁力等問題。可以促使學生積極地思考如何利用簡單的測試手段（質量）去獲得材料微觀的信息（絡合物配位），這對學生創造性和創新性思維的培養都大有裨益。

3.數據分析

數據分析是物理化學實驗當中的一個重要組成部分。不同于其他化學實驗所得結果與理論之間具有顯性的關系，物理化學實驗測試的數據與最后需要分析的物理量之間沒有顯性的關系，例如在采用烏氏粘度計測量有機物粘均分子量的實驗當中，通過測量液體（溶液和溶劑）流經毛細管的時間t，計算出溶液的增比粘度和比粘度。然后利用增比粘度、比粘度與濃度之間的關系計算出特性粘度。最終，利用特性粘度與有機物摩爾質量的關系獲得分子量的信息。在整個過程當中，學生需要對數據有一個清晰、全面的認識，對它們之間的關系有一個深刻的理解，才能從測量的數據當中理出一個清晰的脈絡，獲得所需的信息。同時，要加強學生采用數學軟件處理數據的能力，增加數據分析的可靠性降低學生處理數據的負擔，使其能夠得出比較清晰、準確的實驗結論[3]。

總結

在物理化學課程的講解當中，需要將實驗原理的來龍去脈、實驗手段和測量物理量與實驗原理之間的關系以及最終數據處理過程給學生進行清晰的傳達和講授，使學生理解和認識理論和實驗之間的關聯，建立理論分析和實驗測量之間的關系、建立相關模型與數學處理之間的關聯。在這個過程中，學生可以更加宏觀地認識理論和實驗之間相互促進的關系，建立合理有效地方法論進行未知事物的探索和分析，以促進其對知識的理解和創新意識的培養。

參考文獻：

[1]田福平，賈翠英，陳靜，等. 物理化學實驗教學方法在創新人才培養中的作用[J]. 實驗技術與管理， 2011， v.28；No.182（11）： 119-121.

[2]高書燕. 計算機輔助物理化學實驗課程教學探討[J]. 大學化學， 2011， v.26（5）： 52-53.

[3]高錦紅.MABLAB在物理化學實驗數據處理中的應用[J]. 廣州化工， 2014， （7）： 186-187， 201.

作者簡介：

楊周（1985-），男，漢族，河北邯鄲人，博士，講師，2012年畢業于中國科學技術大學凝聚態物理專業，主要研究方向為半導體光伏材料及器件。