物理化學實驗教學探討

余建國 于 浩 嚴 峰 安會琴 / 天津工業大學環境與化學工程學院

物理化學實驗教學探討

余建國 于 浩 嚴 峰 安會琴 / 天津工業大學環境與化學工程學院

物理化學實驗作為化學四大基礎實驗之一，其內容與物理化學理論課程相輔相成，除了培養學生動手能力外，另一重要的目是通過實驗結果的分析討論，不斷提出并解決問題，使學生更加熟悉物理化學知識體系的來龍去脈，讓學生養成愛思考、勤思考的好習慣。因此在教學中我們注重教學內容及方法的調整，實驗數據的處理及結果分析。

物理化學實驗；教學內容；探討

物理化學實驗課是通過物理方法及手段來研究物理變化和化學反應的規律，學習掌握一些常見的物理化學實驗方法，學會實驗數據的處理及實驗結果的分析、討論方法，從而增強對物理化學理論知識的理解，具體從以下三個方面來闡述。

一、適時調整教學內容及方法

由于實驗裝置的改進，教學中實驗操作的時間會明顯的減少，這對老師的教學提出了心得要求。我認為實驗操作時間的減少是必然的趨勢，對物理化學實驗來講不是相應的減少物理化學實驗的學時，而應該把物理化學實驗教學趨向于去完成物理化學實驗的教學任務，在課堂上去分析討論實驗結果，讓學生對相關基礎理論有更加直觀的認識。

“物理化學實驗”區別與其它化學基礎實驗，物理化學實驗操作過程和實驗對應的物理化學理論可能毫無關系，而且對同一實驗其操作也可能有較大差異。比如“飽和蒸氣壓測定”實驗，驗證的是物理化學中克勞修斯-克拉佩龍方程，在靜態法操作中要測定溫度和壓強兩個物理參數，早期的一些裝置中是通過純液體沸騰時測定溫度和壓強，兩個參數都是變量，唯一控制的就是純液體沸騰，操作過程中常出現的問題是液體爆沸和漏氣，學生操作中是問題不斷，老師簡直就是“救火隊員”；現今發展處一種帶“U”型管的裝置，“U”型管中的液體與待測液體是同一種物質，通過“U”型管中液體把待測液體密封起來，一方面密封待測蒸汽，另一方面也提高了裝置的氣密性，而且該裝置所用液體的體積顯著減小，實驗過程中恒定溫度來測壓強，實驗操作明顯簡化。實驗所節省下來的時間一方面可以用來與學生討論這個實驗裝置的操作原理，以及可能利用類似的裝置來測定其它的物理化學參數，給與足夠的時間來讓學生討論，最終學生就會明白，只要測定的物理化學理論中有壓強和溫度兩個參數，涉及到的相中有氣相，那么這個裝置就是通用的，比如這個操作原理還可以用在“氨基甲酸銨分解平衡常數測定”實驗中。

“蔗糖水解平衡常數測定”實驗中，由于先進的自動旋光儀被引入實驗，測量精度大幅提高，可以節省出一定的操作時間，這些時間可以安排學生討論或者增加不同催化劑濃度、不同反應溫度及不同反應物濃度等反應條件，使學生能系統的理解影響反應速率因素。

因而在教學中要根據實驗的實際情況，不斷做出一些調整，使得學生通過物理化學實驗的訓練，能更加深刻的理解物理化學的基本理論。

物理化學實驗通常采用分組循環實驗，這種實驗方式會使學生在實驗時對應的物理化學理論還沒有學習，學生對實驗原理的理解比較困難，實驗課老師在授課時要相應的調整，比如學生剛開始學習“物理化學”理論課程，如果要做“蔗糖水解速率常數測定”實驗，在授課時我們就應該對一級反應速率方程詳細講，讓學生對反應級數、反應速率方程、反應速率常數等概念有比較清晰的認識，學生在結果分析討論時才能作出正確的處理；反之，如果是已經學過的內容，有關原理介紹時就要做到言簡意賅。

二、學習常見的數據處理方法

物理化學實驗中常見的數據處理是線性回歸，比如：“飽和蒸氣壓測定”、”氨基甲酸銨分解平衡常數測定”、“蔗糖水解反應速率常數測定”、“乙酸乙酯皂化反應速率常數測定”等實驗均需做線性回歸處理。線性回歸也即是把所處理的數據畫成直線，通過直線的斜率和截距來求解相關的物理化學參數，“飽和蒸氣壓測定”實驗可以通過線性回歸的斜率來計算液體的摩爾蒸發焓；乙酸乙酯皂化反應速率常數測定”實驗可利用線性回歸斜率和截距來計算乙酸乙酯皂化反應的反應速率常數。在“二元液體相圖測定”實驗中需要畫曲線，而且該曲線通常是兩個X一個Y，如何正確的把實驗圖畫出來，也需要使用一些合適的軟件。

隨著科學技術的發展，計算機進入到了我們生活工作的每個角落，物理化學實驗中用坐標紙漸漸變成了歷史，這是因為坐標紙畫圖時人的主觀因素會對所畫圖形產生重要的影響，從而產生了實驗誤差，而計算機處理物理化學實驗數據是，可有效的避免人為主觀所產生的誤差。當前，學生比較容易接受的數據處理軟件是Excel，但是Excel所畫直線給出的誤差分析數據不直觀，而且所畫圖形“難看”，圖形本身不易修飾，更適合做統計類的數據處理；而在物理化學實驗數據處理中使用更多的數據處理軟件是Origin，該軟件編輯也較簡單，而且線性擬合后，可以方便的利用相關性系數來判斷實驗數據的線性關系如何，圖形也容易修飾，還有一個重要特點是可以利用實驗所得的有限數據點來擬合出更多的數據點，這個特點對需要做切線的實驗（丙酮碘化反應速率常數測定）特別有用。通過科學的數據處理方法，為實驗數據的進一步處理及數據分析提供正確的處理結果，因而學生在物理化學實驗過程中，這是必須學會的實驗數據處理技能。

三、重視實驗結果的分析討論

學生在實驗室主要完成實驗操作獲得基礎的實驗數據，數據處理及結果分析一般是在課后進行，這就要求學生在實驗期間，應向學生明確數據處理及結果分析的要求；還要針對物理化學實驗數據通常是2～4人合作完成，盡量杜絕課后學生處理的實驗數據及結果分析完全雷同，要引導學生課后盡量獨立去完成數據處理和結果分析，但是下面這種情況應該大力提倡，學生之間通過課后討論形成一致意見，出現非常相似的數據處理和結果分析，但是這種情況一般比較難以界定，應要求學生提供討論的相關記錄或者視頻。

數據分析和結果討論都要求學生寫在實驗報告中，老師可以根據實驗報告來評判學生數據處理和結果分析討論的情況，在下次上課過程中，利用學生閑暇時單獨向學生點評其實驗報告，指出一些不足的地方，并給學生示范這些不足處應該如何正確的處理。經過3個以上的物理化學實驗的訓練，學生能自主的采用正確的方法去分析討論實驗結果，讓學生真正學會如何去思考。

在近幾年的物理化學實驗教學中，我們不斷向學生強調物理化學實驗的學習目標，結果顯示，五分之四以上的學生通過該實驗的訓練，熟練的掌握了各種類型的數據處理，超過半數學生能認真的去做結果分析討論，表明學生學會了如何去討論科學問題，如何去思考。以上是我在物理化學實驗教學中一些經驗體會，在這里提供給大家一起探討，為物理化學實驗教學的進步貢獻力量。