物理化學實驗教學過程中科研能力的培養

曲玉寧 王麗麗 余建國 嚴 峰 / 天津工業大學環境與化學工程學院

物理化學實驗教學過程中科研能力的培養

曲玉寧 王麗麗 余建國 嚴 峰 / 天津工業大學環境與化學工程學院

教育部新世紀人才的培養宗旨，即注重學生綜合素質的提高，培養學生的創新意識和實驗能力。在物理化學實驗教學過程中，注重了學生科研能力的培養，對學生科研基本功、科研毅力、查閱文獻、實驗數據處理等方面的培養進行了探索。結合自身的教學經驗針對在物理化學實驗課程中如何培養學生的科研能力提出了相應的措施。

科研能力；物理化學實驗

隨著我國研究生招生規模的逐年增加，越來越多的化學專業本科畢業生選擇了各類綜合大學和研究所攻讀碩士學位，而大部分的化學類專業學生在攻讀碩士學位期間要從事一定的科研工作。近些年在與許多碩士新生的接觸過程中我們發現，此類學生往往存在實驗基本功差、缺乏數據分析處理能力等缺點。那么如何利用大學本科階段加強學生科研能力的鍛煉，作者在近幾年的本科教學實驗工作中，也積累了一定的經驗。我校的物理化學實驗是面向環境、材料等學院化學工程、應用化學、環境工程、制藥工程、材料工程等多專業開設的物理化學理論課程內容相配套的實驗課程。物理化學實驗是化學類專業大學生在本科階段必修實驗課，主要培養學生在一些先行實驗課(例如無機化學實驗、有機化學實驗和分析化學實驗課)基礎上的對實驗技能的綜合運用，也是培養學生科研素養的一個非常重要的環節。物理化學實驗主要利用物理的方法和手段對化學現象進行觀察與測量，從而揭示化學反應的規律，有利于提高學生動手能力、獨立分析和解決問題的能力，培養創新精神。物理化學具有突出的綜合性、交叉滲透性，給學生發揮想象、展示能力的余地很大。課程性質決定物理化學實驗采用物理學手段研究化學問題，實驗設備成套性強、儀器多、操作復雜，實驗時間較長，且實驗數據多，結果直觀性不強。因此，學生還不能深刻體會該實驗課程的重要性，經常會出現“超前”完成的實驗預習報告，“例行公事”的講義機械操作，同學間“借鑒式”的結果處理，導致在物理化學實驗教學與操作過程中，學生缺乏主動思考和解決問題的意識，主體作用難以發揮，教學效果不理想。因此，如何切實達到教學效果是值得探討的問題。針對目前我校物理化學實驗教學條件和學生學習現狀，我們根據物理化學實驗課程的特點，結合自身的教學經驗，探討了如何在物理化學實驗課程中培養學生的科研能力，以期為物理化學工作者提供參考。

（一）注重學生科研基本功的培養

任何一個優秀的科研工作者都需要有扎實的實驗基礎，實驗基礎主要包括實驗操作和儀器使用技能。目前隨著實驗室科研水平的不斷發展，教學儀器也越來越現代化和智能化。例如溫度、壓力和電導率等參數的測定均是由儀器自動完成的，先進的教學儀器雖然可以簡化實驗操作，縮短實驗時間，這就要求教師在培養學生基本功的時候盡可能保留一部分原始設備，一方面可以讓學生了解教學儀器的發展歷史，另一方面鍛煉學生的動手能力。例如恒溫是以后科研實驗中樣品的合成、制備和性能測試都是不可獲缺條件，因此我們在物理化學實驗課中安排學生動手組裝超級恒溫槽和性能測試，讓學生了解恒溫槽是由哪幾部分組成的，怎樣衡量一個恒溫槽的恒溫效果的優劣，起到了較好的效果。還可以給學生講授在以后的科研實驗里通常用到的恒溫裝置，例如水浴鍋、油浴鍋、反應釜等恒溫裝置。

（二）注重培養學生的科研毅力的培養

物理化學是利用物理的原理和方法來研究化學中最基本的規律和理論。通常在做物理化學實驗中，所采取的實驗方法都是物理方法，這些實驗看似比較枯燥。例如恒溫水浴調節及黏度的測定，整個實驗就是測定乙醇的流出時間，利用泊松公式計算乙醇的黏度，在這個實驗過程中，要想得到乙醇在不同溫度下的黏度，實驗過程不光要測定不同溫度下的乙醇的流經時間，還要測定不同溫度下的水的流經時間，然后利用泊松公式，水在不同溫度下的黏度是已知的，利用這個已知的黏度就可以計算出來不同溫度下乙醇的黏度，對比不同溫度下乙醇的黏度，考察溫度對于黏度的影響。在這個實驗過程中每個樣品平行測定三次，而每一個樣品準備的時間就需要約三十分鐘，在這種情況下，一部分學生就容易出現負面情緒，這時就需要指導教師鼓勵學生再接再厲，引導學生科研工作往往是非常枯燥的，需要有足夠的毅力才能得到一個較好的實驗結果。

（三）注重培養查閱文獻和撰寫論文的能力

物理化學實驗與以往的學生接觸到的實驗課不同，實驗完成以后，學生們獲得的實驗結果僅僅是一系列的測量數據，而并非一些真實的樣品。在這些實驗操作基礎上得出來的結果大部分學生往往撰寫的實驗報告中，只是簡單的列出實驗數據，例如本次實驗測量的月桂酸鈉的臨界膠束濃度為多少，在這個時候授課教師就應該指導學生做完實驗得到實驗結果，去查閱相關文獻中報道的實驗結果，文獻中用哪種方法測量的，你得出來的實驗結果與文獻報到相比較有無偏差，引導學生分析出現偏差的原因，這樣學生撰寫出來實驗報告才具有實用意義，也培養了學生通過查閱文獻獲取信息的能力。

（四）注重培養學生創新能力

創新能力是技術和各種實踐活動領域中不斷提供具有經濟價值、社會價值、生態價值的新思想、新理論、新方法和新發明的能力。創新能力是科研工作者最重要的一個特質，如何在物理化學實驗教學過程中培養學生的創新能力呢。例如在物理化學實驗-經典實驗燃燒熱測定實驗中，一般測定的樣品為粉末狀苯甲酸和萘，并且在測試前樣品要經過研磨和壓片處理。實驗過程中可以啟發學生:如果我們要測定可燃性的氣體和液體的燃燒熱，我們所用的彈式量熱機還能不能滿足實驗的要求? 如果可以，樣品應該做怎樣的預處理? 再例如用最大氣泡壓力法測定表面活性劑臨界膠束濃度的實驗，如何測定樣品改為十二烷基磺酸鈉，該方法還可不可以用， 如果不可以，在我們實驗室現有的條件下能不能完成預期的目標。如果改成電導率法測定表面活性劑的臨界膠束濃度，兩種方法得出來的結果進行對比。

（五）注重培養學生利用科學計算程序處理實驗數據的能力

物理化學實驗的結果的特點是一系列的實驗數據，在以前的教學工作中我們鼓勵學生利用坐標紙作圖。但這種方法只是適用于數據量較少的實驗，而對于數據量較多的實驗例如動力學反應，利用坐標紙作圖就會給學生帶來很大的負擔，容易使學生產生煩躁情緒，達不到鍛煉學生的目的。因此非常強調采用商業化的科學計算程序完成相關的實驗數據處理和圖譜繪制工作，比如線性回歸擬合、非線性回歸擬合、數據剝離等，而這方面也是現代研究工作的常規做法，學生通過這樣的實踐，能夠獲得很好的科研素質訓練，這樣不僅節省了時間，增加了學生學習的趣味性，也達到了鍛煉學生的目的。

教育部在“新世紀教改工程”中強調了新世紀人才的培養宗旨，即注重學生綜合素質的提高，培養學生的創新意識和實驗能力。通過在物理化學實驗課程中逐步開展學生基本科研素養的訓練，一方面提高了學生學習物理化學實驗課的積極性和主動性，另一方面培養了學生開展基本科研業務的基本能力，使實驗教學改革更加成熟，為其今后從事專業研究打下堅實的基礎，最終學有所用，學有所成。