物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)探討

余建國(guó) 于 浩 嚴(yán) 峰 安會(huì)琴 / 天津工業(yè)大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院

物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)探討

余建國(guó) 于 浩 嚴(yán) 峰 安會(huì)琴 / 天津工業(yè)大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院

物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)作為化學(xué)四大基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)之一，其內(nèi)容與物理化學(xué)理論課程相輔相成，除了培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力外，另一重要的目是通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析討論，不斷提出并解決問(wèn)題，使學(xué)生更加熟悉物理化學(xué)知識(shí)體系的來(lái)龍去脈，讓學(xué)生養(yǎng)成愛(ài)思考、勤思考的好習(xí)慣。因此在教學(xué)中我們注重教學(xué)內(nèi)容及方法的調(diào)整，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理及結(jié)果分析。

物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)；教學(xué)內(nèi)容；探討

物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)課是通過(guò)物理方法及手段來(lái)研究物理變化和化學(xué)反應(yīng)的規(guī)律，學(xué)習(xí)掌握一些常見(jiàn)的物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)方法，學(xué)會(huì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理及實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析、討論方法，從而增強(qiáng)對(duì)物理化學(xué)理論知識(shí)的理解，具體從以下三個(gè)方面來(lái)闡述。

一、適時(shí)調(diào)整教學(xué)內(nèi)容及方法

由于實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)，教學(xué)中實(shí)驗(yàn)操作的時(shí)間會(huì)明顯的減少，這對(duì)老師的教學(xué)提出了心得要求。我認(rèn)為實(shí)驗(yàn)操作時(shí)間的減少是必然的趨勢(shì)，對(duì)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)來(lái)講不是相應(yīng)的減少物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)的學(xué)時(shí)，而應(yīng)該把物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)趨向于去完成物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)任務(wù)，在課堂上去分析討論實(shí)驗(yàn)結(jié)果，讓學(xué)生對(duì)相關(guān)基礎(chǔ)理論有更加直觀的認(rèn)識(shí)。

“物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)”區(qū)別與其它化學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程和實(shí)驗(yàn)對(duì)應(yīng)的物理化學(xué)理論可能毫無(wú)關(guān)系，而且對(duì)同一實(shí)驗(yàn)其操作也可能有較大差異。比如“飽和蒸氣壓測(cè)定”實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證的是物理化學(xué)中克勞修斯-克拉佩龍方程，在靜態(tài)法操作中要測(cè)定溫度和壓強(qiáng)兩個(gè)物理參數(shù)，早期的一些裝置中是通過(guò)純液體沸騰時(shí)測(cè)定溫度和壓強(qiáng)，兩個(gè)參數(shù)都是變量，唯一控制的就是純液體沸騰，操作過(guò)程中常出現(xiàn)的問(wèn)題是液體爆沸和漏氣，學(xué)生操作中是問(wèn)題不斷，老師簡(jiǎn)直就是“救火隊(duì)員”；現(xiàn)今發(fā)展處一種帶“U”型管的裝置，“U”型管中的液體與待測(cè)液體是同一種物質(zhì)，通過(guò)“U”型管中液體把待測(cè)液體密封起來(lái)，一方面密封待測(cè)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(shí)驗(yàn)過(guò)程中恒定溫度來(lái)測(cè)壓強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)操作明顯簡(jiǎn)化。實(shí)驗(yàn)所節(jié)省下來(lái)的時(shí)間一方面可以用來(lái)與學(xué)生討論這個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置的操作原理，以及可能利用類似的裝置來(lái)測(cè)定其它的物理化學(xué)參數(shù)，給與足夠的時(shí)間來(lái)讓學(xué)生討論，最終學(xué)生就會(huì)明白，只要測(cè)定的物理化學(xué)理論中有壓強(qiáng)和溫度兩個(gè)參數(shù)，涉及到的相中有氣相，那么這個(gè)裝置就是通用的，比如這個(gè)操作原理還可以用在“氨基甲酸銨分解平衡常數(shù)測(cè)定”實(shí)驗(yàn)中。

“蔗糖水解平衡常數(shù)測(cè)定”實(shí)驗(yàn)中，由于先進(jìn)的自動(dòng)旋光儀被引入實(shí)驗(yàn)，測(cè)量精度大幅提高，可以節(jié)省出一定的操作時(shí)間，這些時(shí)間可以安排學(xué)生討論或者增加不同催化劑濃度、不同反應(yīng)溫度及不同反應(yīng)物濃度等反應(yīng)條件，使學(xué)生能系統(tǒng)的理解影響反應(yīng)速率因素。

因而在教學(xué)中要根據(jù)實(shí)驗(yàn)的實(shí)際情況，不斷做出一些調(diào)整，使得學(xué)生通過(guò)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)的訓(xùn)練，能更加深刻的理解物理化學(xué)的基本理論。

物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)通常采用分組循環(huán)實(shí)驗(yàn)，這種實(shí)驗(yàn)方式會(huì)使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)時(shí)對(duì)應(yīng)的物理化學(xué)理論還沒(méi)有學(xué)習(xí)，學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)原理的理解比較困難，實(shí)驗(yàn)課老師在授課時(shí)要相應(yīng)的調(diào)整，比如學(xué)生剛開(kāi)始學(xué)習(xí)“物理化學(xué)”理論課程，如果要做“蔗糖水解速率常數(shù)測(cè)定”實(shí)驗(yàn)，在授課時(shí)我們就應(yīng)該對(duì)一級(jí)反應(yīng)速率方程詳細(xì)講，讓學(xué)生對(duì)反應(yīng)級(jí)數(shù)、反應(yīng)速率方程、反應(yīng)速率常數(shù)等概念有比較清晰的認(rèn)識(shí)，學(xué)生在結(jié)果分析討論時(shí)才能作出正確的處理；反之，如果是已經(jīng)學(xué)過(guò)的內(nèi)容，有關(guān)原理介紹時(shí)就要做到言簡(jiǎn)意賅。

二、學(xué)習(xí)常見(jiàn)的數(shù)據(jù)處理方法

物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)中常見(jiàn)的數(shù)據(jù)處理是線性回歸，比如：“飽和蒸氣壓測(cè)定”、”氨基甲酸銨分解平衡常數(shù)測(cè)定”、“蔗糖水解反應(yīng)速率常數(shù)測(cè)定”、“乙酸乙酯皂化反應(yīng)速率常數(shù)測(cè)定”等實(shí)驗(yàn)均需做線性回歸處理。線性回歸也即是把所處理的數(shù)據(jù)畫成直線，通過(guò)直線的斜率和截距來(lái)求解相關(guān)的物理化學(xué)參數(shù)，“飽和蒸氣壓測(cè)定”實(shí)驗(yàn)可以通過(guò)線性回歸的斜率來(lái)計(jì)算液體的摩爾蒸發(fā)焓；乙酸乙酯皂化反應(yīng)速率常數(shù)測(cè)定”實(shí)驗(yàn)可利用線性回歸斜率和截距來(lái)計(jì)算乙酸乙酯皂化反應(yīng)的反應(yīng)速率常數(shù)。在“二元液體相圖測(cè)定”實(shí)驗(yàn)中需要畫曲線，而且該曲線通常是兩個(gè)X一個(gè)Y，如何正確的把實(shí)驗(yàn)圖畫出來(lái)，也需要使用一些合適的軟件。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)進(jìn)入到了我們生活工作的每個(gè)角落，物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)中用坐標(biāo)紙漸漸變成了歷史，這是因?yàn)樽鴺?biāo)紙畫圖時(shí)人的主觀因素會(huì)對(duì)所畫圖形產(chǎn)生重要的影響，從而產(chǎn)生了實(shí)驗(yàn)誤差，而計(jì)算機(jī)處理物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是，可有效的避免人為主觀所產(chǎn)生的誤差。當(dāng)前，學(xué)生比較容易接受的數(shù)據(jù)處理軟件是Excel，但是Excel所畫直線給出的誤差分析數(shù)據(jù)不直觀，而且所畫圖形“難看”，圖形本身不易修飾，更適合做統(tǒng)計(jì)類的數(shù)據(jù)處理；而在物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理中使用更多的數(shù)據(jù)處理軟件是Origin，該軟件編輯也較簡(jiǎn)單，而且線性擬合后，可以方便的利用相關(guān)性系數(shù)來(lái)判斷實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的線性關(guān)系如何，圖形也容易修飾，還有一個(gè)重要特點(diǎn)是可以利用實(shí)驗(yàn)所得的有限數(shù)據(jù)點(diǎn)來(lái)擬合出更多的數(shù)據(jù)點(diǎn)，這個(gè)特點(diǎn)對(duì)需要做切線的實(shí)驗(yàn)（丙酮碘化反應(yīng)速率常數(shù)測(cè)定）特別有用。通過(guò)科學(xué)的數(shù)據(jù)處理方法，為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的進(jìn)一步處理及數(shù)據(jù)分析提供正確的處理結(jié)果，因而學(xué)生在物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，這是必須學(xué)會(huì)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理技能。

三、重視實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析討論

學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室主要完成實(shí)驗(yàn)操作獲得基礎(chǔ)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理及結(jié)果分析一般是在課后進(jìn)行，這就要求學(xué)生在實(shí)驗(yàn)期間，應(yīng)向?qū)W生明確數(shù)據(jù)處理及結(jié)果分析的要求；還要針對(duì)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)通常是2～4人合作完成，盡量杜絕課后學(xué)生處理的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果分析完全雷同，要引導(dǎo)學(xué)生課后盡量獨(dú)立去完成數(shù)據(jù)處理和結(jié)果分析，但是下面這種情況應(yīng)該大力提倡，學(xué)生之間通過(guò)課后討論形成一致意見(jiàn)，出現(xiàn)非常相似的數(shù)據(jù)處理和結(jié)果分析，但是這種情況一般比較難以界定，應(yīng)要求學(xué)生提供討論的相關(guān)記錄或者視頻。

數(shù)據(jù)分析和結(jié)果討論都要求學(xué)生寫在實(shí)驗(yàn)報(bào)告中，老師可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)報(bào)告來(lái)評(píng)判學(xué)生數(shù)據(jù)處理和結(jié)果分析討論的情況，在下次上課過(guò)程中，利用學(xué)生閑暇時(shí)單獨(dú)向?qū)W生點(diǎn)評(píng)其實(shí)驗(yàn)報(bào)告，指出一些不足的地方，并給學(xué)生示范這些不足處應(yīng)該如何正確的處理。經(jīng)過(guò)3個(gè)以上的物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)的訓(xùn)練，學(xué)生能自主的采用正確的方法去分析討論實(shí)驗(yàn)結(jié)果，讓學(xué)生真正學(xué)會(huì)如何去思考。

在近幾年的物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，我們不斷向?qū)W生強(qiáng)調(diào)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)目標(biāo)，結(jié)果顯示，五分之四以上的學(xué)生通過(guò)該實(shí)驗(yàn)的訓(xùn)練，熟練的掌握了各種類型的數(shù)據(jù)處理，超過(guò)半數(shù)學(xué)生能認(rèn)真的去做結(jié)果分析討論，表明學(xué)生學(xué)會(huì)了如何去討論科學(xué)問(wèn)題，如何去思考。以上是我在物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中一些經(jīng)驗(yàn)體會(huì)，在這里提供給大家一起探討，為物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的進(jìn)步貢獻(xiàn)力量。