物化實驗教學的課程建設與實踐

李勝蘭

(武漢輕工大學化學與環境工程學院，湖北 武漢 430023)

化學是理論與實驗的集合，物理化學作為與無機化學、分析化學和有機化學地位相同的基礎化學課程，其實驗課同樣是是化學基本原理、實驗操作技術和數據處理的集成。區別于無機及分析基礎實驗的通過顏色變化 、氣味變化等判斷反應是否進行，有機化學的分離、提純、合成，在物化實驗中，通常借助物理學的原理、技術和儀器，結合數學運算工具，從而研究物質的物理性質或物理性質與化學反應間的關系[1]。但不變的是，化學實驗都立足于培養訓練學生基礎實驗技能技巧，通過實驗進一步理解基本理論。

1 物化實驗開展作用及內容選取的依據

物理化學實驗在各大高校通常都是開在無機化學之后，進行畢業論文之前，此時，學生已經通過無機化學的學習，對分子中電子運動、院子轉和分子間的相互作用力等微觀概念有了基本的認識，可以理解伴隨化學反應的物理變化，如體積變化、光效應以及反應會吸熱放熱，溫度、壓力乃至反應物的含量將會影響反應程度，也是在這樣的知識基礎上，方可理解為何能從物理現象著手，探求化學變化基本規律。

實驗課程項目根據“一體化、多層次、開放式”實驗教學體系進行選擇，依托東北師范大學等校撰寫的《物化化學實驗》經典教材和校內自行編寫的《大學化學實驗》開展。化學實驗通常主要劃分為三個版塊：基礎操作型、綜合實驗型、研究創新型，在學生系統完成實驗基礎操作技能后，進一步培養探索能力和創新能力。物化實驗也根據辦學特點、專業需求和實際情況，在調研后參考各高校實驗教學的開設項目，選擇了兩個板塊——基本操作實驗及綜合設計實驗[2]。選擇開放了實用性較強、操作較為簡便又具有一定代表性的十個實驗項目，如表1所示，在學生理論知識范圍內，由淺及深、從點到面的開展物理化學實驗教學。

表1 基礎實驗項目的選擇及依據

物化實驗的10個項目中，其中8個基礎實驗，最后2個綜合實驗，實驗學時共計48學時，在理論課進行的過程中穿插進行，兩種實驗類型也將偏向不同技能引導。

1.1 基本操作實驗

基礎操作實驗，又稱為基礎技能操作實驗。通常選擇有理論教學內容支撐的實驗，從而達到理論課實驗課相輔相成的目的，同時應具有重復率高，穩定性強的特點。主要培養學生的意識、儀器及數據處理軟件基本操作步驟，一方面，讓學生延續之前其他實驗課程養成的良好習慣——課前預習，明確實驗目的和要求，清楚實驗需要的設備及藥品，要測得的物理量，以及最終的數據處理方式。另一方面，物化實驗所用到的儀器多且相對復雜，實踐結合書本了解儀器原理、構造和用途，相比純理論學習效率更高且深刻，在大量的實際操作后，學生也將樹立信心并對基礎設備有了一定掌握，初步具備選擇匹配的儀器進行實驗的能力，這也是物化實驗目的之一。

1.2 綜合設計實驗

綜合設計實驗，通常也是創新型實驗。在圈定實驗課題的前提下，“戴著鐐銬跳舞”，自由的規劃和組合實現實驗目的的實驗方案，自行細化填充實驗內容。相對基礎實驗具有耗時長、難度大的特點，也是作為物化實驗學習成果的階段檢查。既是基礎實驗的綜合和重復，又可初步建立實驗設計的能力和信心。在這過程，學生將會獲得邁出單獨完成實驗的第一步，建立明確的實驗邏輯。綜合實驗考驗的東西是很明確的：

(1)考驗學生對實驗方案的設計

在閱讀文獻和篩選整合信息后，根據實驗目的進行拼圖式設計(實驗目的、實驗原理、實驗儀器和試劑、實驗步驟、數據記錄和處理)，將獲得個人初步的試驗方案。

(2)方案確定和優化

限囿于個人知識面和實際設備狀況，簡化和修改實驗步驟，這樣的刪改過程，也就是實驗方案優化過程。

(3)實驗前的準備

根據方案清點試劑、調試設備，配制需要的溶液，學習或復習將會使用的儀器。

(4)進行實驗并記錄

設計型實驗方案本身并未的得到驗證，因此實驗過程發生的現象，出現的問題都具有極大的變化性，準確記錄實驗過程和步驟對反思實驗問題和最終完成實驗具有極大的幫助意義。

(5)數據處理

作為臨門一腳的數據處理毫無疑問是重中之重，合理選擇數據處理軟件，精確進行數據計算，這都仰賴于平時之功。

在物理化學實驗中，各校對教學教材編寫通常在21～30個基礎實驗，10～12個綜合性試驗。實際教學限于課程課時，多選用4～12個實驗。本院選擇了基本操作實驗及綜合設計實驗中的10個實驗，由易到難的開展物理化學實驗教學，從而讓學生能力平滑的提升。

2 開展遇到的問題及經驗

通過多年的教學經驗累積，我們也摸索出了一些經驗，以應對實際課程中的種種困難，形成了有特色的開課方式和流程[3]。

2.1 完善的實驗開展方式

由于化學是理工科很多專業的基石，物化實驗課作為全校基礎課開展，根據人才培養方案的設定，某學期有時候會存在一周8～24個班級上課的情況。物化實驗儀器瑣碎且繁雜，倘若一次性大批量購買實驗設備，既需要大量空間存放，更有極大的資金成本，同時需要投入較多的設備管理人員，上課外閑置的設備也會造成極大浪費。考慮各方面限制后，最后定下一個教室同時開展四個實驗項目，將上課學生劃分為四大組，每組做不同實驗項目，由兩個不同老師各帶兩組分別進行。四周輪流上完一個教室開展的四個實驗項目，然后換教室進行另外四個實驗，這樣兩個教室即可滿足基礎實驗部分的教學，大大降低各方面的損耗。在具體開展中，也可實現兩人一小組合作實驗，避免一小組人太多，參與感低的問題。每個老師在每節課分管兩個實驗，8組16人，也方便了詳細指導學生基本操作，了解每位學生的狀況。

2.2 針對性強的指導方式

在進行過程中，學生因為初接觸儀器，仍然無法將具體操作和文字完全聯系起來，而任課老師上課重在講解關鍵性的環節，未必會逐一都進行示范，學生會出現基本的操作問題[4]，實驗問題多樣，而老師不會全部注意到，最終會發現一些預料外的實驗現象。例如：在相圖實驗中，阿貝折射儀的視野內全部是彩色，黑白界線極為模糊，此時就是學生滴入溶液過多或用力過猛壓合棱鏡，導致溶液進入儀器內部元件，諸如此類意外。針對這種不規范操作，任課老師會錄制視頻，添加制成flash，或以ppt形式讓學生翻閱查詢。相對應的實驗精品課程建設也會逐漸提上日程[5]。

2.3 充分利用實驗中心資源

在基礎實驗操作完成后，學生們具備了基本的操作知識和儀器操作學習方法，也樹立了操作儀器的信心，與企業生產實際相接軌[6]，再接下來的綜合性試驗中，我們有意識的安排了大型儀器表征環節，在儀器公共平臺的支持下，讓學生有機會在本科期間學習和接觸大型儀器，將儀器分析方法和物化實驗進一步聯系起來，比如XRD、紅外、粒度儀等。在學生進行了理論學習和基本的操作培訓后，讓他們對自己的樣品(例如綜合實驗中合成分子篩后對分子篩的分析)進行表征測試。

3 結 語

物化實驗的總體要求是以能力開發和培養為核心，在重視知識、技能的學習同時，更重視研究能力的培養，從而與日后的從事科學研究，進行科研實驗接軌。在教學手段不斷更新的現在，物理化學實驗課開展方式正以前所未有的速度豐富起來，在仿真實驗或信息化課程建設狠下功夫，多方面提高實驗多樣性和趣味性，增強學生學習動力，從而培養學生養成良好的自主學習習慣。