科研式物理化學實驗教學探索

田東亮

（北京航空航天大學化學學院，北京100191）

0 引 言

新世紀以來，面對世界各國的經濟、科技、教育快速發展的新形勢，為了應對來自各方的壓力和挑戰，具有創新精神、創業能力的高素質人才尤為重要，這就迫切需要建立創新人才培養機制、健全創新教育課程體系。化學作為一門實用性、中心性和研究性很強的專業學科，與社會經濟發展、科技創新息息相關。其中，物理化學實驗是化學、材料、環境等相關專業的重要基礎課程，需要綜合運用物理和數學的原理、技術及運算解決化學中的問題。物理化學實驗通常設置在大三年級，是建立在學生學習完無機化學、分析化學、有機化學及相應實驗課程基礎上，即將進行畢業設計及走向工作崗位或繼續深造的重要過渡階段，設置的一門集實踐性和綜合研究性很強的課程，是學生獲得化學知識和技能并將其應用到實踐中去的重要橋梁，是培養

學生創新思維方法和能力的重要環節，在化學與化工、生命科學與制藥、材料與環境等相關專業創新人才培養中占有非常重要的地位。因此，如何充分發揮物理化學實驗教學在人才培養中的關鍵橋梁作用，對于培養高水平的研究型人才具有重要的意義［1-3］。但是，傳統的物理化學實驗教學不適應學生創新能力的培養，不能充分發揮學生在實驗過程中的主動性、積極性。因此，難以培養學生的綜合創新研究能力［4-6］。為此，以“加強基礎、突出實踐、重在應用、面向創新”為人才培養理念，以培養一流創新創業研究型復合人才為目標，結合學校航空航天特色、特殊界面材料等優勢學科研究特色研究成果，探索并實踐了研究型物理化學實驗教學的改革。主要包括體現空天特色和科研成果的層層遞進、階梯式實驗教學內容和專業特色課程建設，科學研究型實驗教學（問題引導式實驗教學過程和科研論文形式總結實驗），充分發揮了物理化學實驗教學在過渡階段能力培養的優勢，提高了學生創新和分析解決問題的能力。

1 體現空天和科研的專業課程建設

教育教學不是灌滿一桶水，而是要激發學生心里的一團火，充分發揮學生的積極主動性和能動性在創新創業人才培養中具有重要的意義［7-8］。物理化學實驗是化學、化工、材料等專業學生由化學基礎知識學習向實際科研過程及應用過渡的重要階段，是創新型、復合型、應用型人培養才的重要核心部分。重視學生在實驗中觀察、發現、分析和解決問題的能力，改變傳統實驗教學“照方抓藥，一成不變”的實驗教學模式，構建符合時代發展且具有專業特色的物理化學實驗教學內容，培養創新創業能力，是新形勢下物理化學實驗教學的改革方向和重點［9-13］。

1.1 階梯式實驗教學設計，增強學生創新能力

針對物理化學實驗教學與創新能力培養脫節，學生創新意識不強的問題，以重視基礎，加強應用，突出航空航天材料及我院特殊界面材料專業研究特色為目標，對我校化學和應用化學專業獨立開設的16 個物理化學實驗內容進行了規劃調整（見表1），根據實驗中增加的未知性和挑戰性程度，實驗內容設置分為4 個部分，即優化經典實驗（經典）4 個，經典實驗增加設計部分的實驗（經典+設計）6 個，設計實驗（設計）4 個，拓展綜合實驗（綜合）2 個。基于此，建立了層層遞進、階梯式上升的物理化學實驗教學模式，提高了學生參與主動性和科研創新能力。

（1）優化經典實驗。經典實驗項目主要用于幫助理解和掌握物理化學知識，設有熱力學、動力學、電化學、膠體與界面化學部分的4 個實驗。結合航空航天及我院特殊界面材料等優勢學科研究特色，將物理化學基本理論知識與之有機結合，并緊密聯系實際生產、生活，對原有的經典實驗內容進行了優化調整，加深和鞏固學生對基本理論知識的理解和掌握。比如在黏度法測定高聚物的摩爾質量實驗中將內容調整為納米材料制備實驗中調節物質具體黏度的方法和測試，增加不同條件配制溶液的對比，提高了學生的積極參與和主動性。

表1 物理化學實驗內容調整情況

（2）經典與設計相結合實驗。在優化經典物理化學實驗的基礎上，通過在實驗中設立一些不確定的因素和參數，例如，改變溫度、濃度、酸度等，或者上課增加對比實驗，臨時通知不同分組學生處理其他組同學的實驗數據，改變以往實驗按部就班，實驗內容和結果一成不變的模式，在老師的主導下，充分地激發學生在學習和實驗中的積極性和主觀能動性，讓學生動起來，在調研文獻、操作設計和處理實驗數據的過程中提升學生的探索思維意識。例如，在經典燃燒熱的實驗中，增加了航空液體燃料燃燒熱測量思考與設計，在完成設計實驗的過程中就會查閱相關文獻，了解測試的方法，不僅實現了航空特色的實驗內容測試與設計思考，并且建立了處理問題的各種方法具有共性的理念，也為創新思維能力培養和解決問題提供了新的途徑，實現了觸類旁通的效果。在分配系數和平衡常數的測定實驗中，針對科研中磁響應固液復合界面液體輸運中的磁性顆粒穩定性問題，在實驗中設置了設計部分，讓學生通過現有的實驗原理完成該實驗的思考與設計，不僅將經典理論與基礎科研相結合，而且達到了學以致用的效果。

（3）增加設計性實驗。立足物理化學基本理論，針對同一部分的不同知識點，選取一部分實驗為設計實驗，從實驗原理，實驗儀器、藥品的準備及實驗步驟和數據處理都由學生和組內成員獨立完成。如熱力學部分已經進行過的飽和蒸氣壓測定的經典實驗，對分解反應平衡常數的測定實驗改為了設計性實驗；相平衡部分，經典實驗進行了雙液系沸點-組成的繪制，把兩組分金屬體系的相圖的繪制改為了設計實驗，給定兩種金屬固體材料，要求查閱資料設計具體方案；再如電導法測定臨界膠束濃度和單分子橫截面積的測定實驗，可以要求采用所學知識設計不同的方法進行設計實驗。這部分實驗內容的學習，培養學生以科研狀態進行學習，鼓勵獨立設計實驗研究方案，獨立思考提出問題和分析問題并最終提出新方案，充分激發學生主觀能動性和積極性，提升學生的創新思維意識，培養學生創新能力。

（4）設立綜合性實驗。以加深物理化學基本理論的掌握和應用為目標，結合國際基礎前沿科研成果，選取部分實驗培養和加強學生的研究型綜合創新能力。針對學院在納米材料和特殊浸潤界面材料中的研究成果，新增開設了綜合實驗，如研究自然界特殊浸潤表面的浸潤性，并仿生制備一些超浸潤表面，研究其表面的特殊浸潤現象，揭示結構、組成與特殊浸潤性能之間的關系，基于此制備一個氧化鋅／氧化鈦（或其他材料）微納米結構薄膜，研究其表面在空氣中水滴和水中油滴的浸潤性、黏附性在修飾低表面能材料前后的行為，通過測試接觸角、滾動角和黏附力等，加深對一些有關特殊界面現象理論知識的理解和了解科學研究過程。再通過前面制備的納米氧化鋅／氧化鈦材料，研究其催化性能。這樣就可以將物理化學中的熱力學、動力學、電化學和界面化學的知識綜合應用，用于分析和解決實際問題，實現從基礎知識學習向綜合創新創業應用能力培養過渡的關鍵。

（5）科研實踐。在綜合實驗的基礎上，將教學與科學研究項目實際訓練進一步相結合，通過具體項目驅動與物理化學實驗知識實踐相結合，促進學生的創新創業能力的培養和塑造。鼓勵學生走進科研實驗室，圍繞仿生輕質高強復合材料、仿生智能界面科學、仿生能源材料與器件3 個方向，參與到學院教師的科研課題中，進行物理化學實驗知識在實際科研應用中的拓展訓練，塑造大學生創新創業能力。

綜上所述，這種層層遞進、階梯式上升的物理化學實驗教學內容改革，真正體現了物理化學實驗課程對科研及實際應用的指導作用，激發了學生對物理化學實驗的學習興趣，培養和提高了學生理論聯系實際和學用結合的能力和科研創新能力。

1.2 專業特色課程建設

在專業特色課程建設方面，結合航空航天、特殊界面材料等優勢學科研究特色，將物理化學理論知識緊密聯系實際生產、生活，修訂和編寫了實驗講義／教材。實驗內容的調整主要從優化實驗條件，簡化實驗步驟，提高實驗的設計性、綜合性程度，充分發揮物理化學實驗教學在學生創新能力培養中的重要作用。例如，熱力學實驗中增加了航空燃料的燃燒熱測定思考與設計，特殊界面材料中航空航天防霧、防覆冰的設計與思考，特殊界面材料中液體傳輸穩定性的設計與思考等。通過專業特色課程建設，激發了學生的學習興趣和求知欲望，而且樹立了牢固的專業思想和專業自豪感，為創新人才培養奠定了基礎。實現了實踐-理論認識-實踐的理論聯系實際能力培養目標，充分發揮和體現了物理化學實驗教學在創新型、復合型、應用型人才培養中的重要作用。反映我校航空航天特色和我院特殊界面材料等優勢學科研究特色的物理化學實驗教學實踐，已經成功地投入實驗教學中，教學效果良好。

針對學生實驗課程中設計內容比例提高導致實驗時間緊張的問題，建立了物理化學實驗虛擬仿真實驗預習系統，學生可以針對性地隨時隨地進行網絡操作預習和復習，提高預習的針對性，這樣也可以在課堂上提高設計討論時間和提高實驗教學質量。

2 科學研究型物理化學實驗教學實踐

針對物理化學實驗教學中，學生學習主動性差，創新能力培養不足的問題，開展了以科學研究形式的物理化學實驗教學。教學過程中充分利用好物理化學實驗教學課前、課堂和課后3 個環節。重視學生觀察、分析和解決問題的思維和創新能力的培養。

2.1 問題引導式實驗教學過程

鼓勵和引導學生以科研態度進行實驗。課前，首先要做好文獻調研，深入了解實驗背景、應用方向和前景。從當時所處的科學和環境條件入手，充分認知方法的優缺點。在此基礎上，結合目前條件和理論知識結構設計實驗方案，優化和改進實驗步驟，預測實驗中可能存在的問題。從背景調研、方案設計及過程預測的過程中，提高了學生主動性和預習效果，培養了學生獨立提出、分析和尋求解決問題辦法的意識和創新能力。

在此基礎上，學生以科研狀態進入物理化學實驗課堂，教學過程中，引導和啟發學生深入思考和討論，逐漸培養學生科學嚴謹的實驗態度，樹立科學意識。同時，引導學生觀察發現和注意實驗中的不確定性及進行剖析，在保證實驗安全的前提下，鼓勵學生大膽嘗試創新，充分激發學生的主觀能動性，實現學生創新能力的培養。例如，在燃燒熱的測定和凝固點的測定中，大部分教材中都要求壓片，在實驗中學生提出并嘗試不壓片的效果，通過比較，學生了解了壓片設置的原因和不壓片需要的注意事項，從一個問題上進行了徹底的理解和掌握。在測定臨界膠束濃度的設計實驗中，很多教材采用了電導率法，有的同學在預習和設計過程中結合接觸角及粘附力測試實驗，以及表面張力測試實驗，提出能否采用這類方法進行研究，通過討論分析確定了研究方案，并最終通過實驗完成了自己的設計方案。通過實驗設計與嘗試，學生對實驗內容及理論有了更高層次的認識和理解，而且也會在更大程度上激發了他們的創新意識。

2.2 科研論文形式總結實驗

課后總結實驗是物理化學實驗教學過程中一個非常重要的環節，在實際科研工作及進一步學習深造中，實驗分析、總結是必不可少的，往往反映了一個學生對實驗基本知識的理解和技能掌握程度。傳統的教學中往往采用固定模式進行報告總結，優點是形式固定，便于總結，也便于比較實驗結果和批閱。但是，學生往往直接照抄實驗書，數據處理形式僵化，結果和結論單一不變，這種報告也往往不能引起學生的足夠重視，常常被學生稱“實驗報告不就是抄抄算算嗎”“實驗報告太水了，學不到什么有用的知識”等。

撰寫科研論文式實驗總結報告，可以從整體上把握知識的獲得方法及其應用前景。這樣的報告形式可以進一步檢查學生對實驗結果的理解分析和總結能力，是實現科研式物理化學實驗教學的一個重要環節。在實驗總結報告的撰寫上，要求報告格式與基本科研論文的格式一致，如表2 所示。從題目上培養學生高度概括總結的能力；摘要中反映學生對整體實驗的背景、存在問題、解決方法及結果的理解和把握；關鍵詞反映總結報告的核心表達；前言介紹反映了學生對背景的調研、存在問題的理解；實驗部分反映學生對整個實驗設計的總結概括；數據處理，結果和討論是最核心的一部分，一方面，鍛煉學生對數據處理的能力，另一方面培養他們對現有數據的挖掘、分析和探討的能力，樹立良好的科學意識和創新思維能力，再一方面，還能培養他們良好的語言組織和表達能力。結論部分反映學生對本實驗中的方法、直接結論、間接結論和推論的總結表達能力，就是通過具體的實驗研究，可以得到什么結論，解決什么問題，從中有什么啟發，有什么應用前景；體會和建議部分主要反映學生對實驗過程中的問題理解和感受，從獨立實驗過程中存在的問題可以給出更好的建議和改進方案。通過報告的總結書寫讓學生進一步明確發現問題、分析問題、解決問題的過程，有利于培養學生的創新思維和能力，也可以使得師生共同進步，教學相長。

表2 科研論文式實驗總結報告格式及要求

該教學模式已成功應用于物理化學實驗教學中，學生普遍接受科研式教學模式，對撰寫科研論文式實驗報告的方法給予了充分肯定，體會和建議以及問卷調查結果表明，學生認為通過科研式物理化學實驗教學不僅加深了對理論知識的理解，也鍛煉了自己發現、分析和解決問題的能力，培養和鍛煉了從事科研的能力和綜合創新能力。

3 結 語

結合我校航空航天特色及優勢學科的前沿科研成果，設計了層次遞進、階梯式實驗內容，并進行了專業特色課程建設；同時，通過科學研究型教學模式改革，特別是其中的科研論文式實驗報告等知識傳授與創新意識及技能培養模式，建立了適合我校創新性研究型人才培養的物理化學實驗教學實踐模式。經過幾年的教學探索和實踐，學生都能很好地適應科研總結模式，能很好地表達和給出建設性意見和建議，并最終獲得了良好的教學效果，不僅培養和提高了學生的綜合創新思維和能力，也增強了其社會責任感，有利于航空航天特色綜合型人才的培養。