新時代物理化學實驗的教學改革與探索

劉冬(南京工業大學，江蘇 南京 211816)

0 引言

物理化學實驗是研究化學基本理論和解決化學問題的重要手段和方法。因化學與物理學之間的聯系極其緊密，化學過程包含或伴有物理過程，而物理過程又能影響或者引發化學過程，故物理化學實驗是利用物理的原理、技術、儀器和方法，借助數學處理工具，研究化學反應系統中物理性質和化學性質變化規律的基礎學科[1]。

隨著當代科技的高速發展，社會對人才的知識結構、綜合素質要求越來越高，物理化學實驗教學作為高校實踐教學工作的重要組成部分，是理論與實際聯系的重要環節，是理論教學的必要補充和發展，是實現素質教育以及創新人才培養目標不可缺少的重要環節。其教學的主要目的不僅在于鞏固和加深對物理化學理論課程中所學的基本理論和基本概念的理解，掌握物理化學實驗的基本實驗方法和技術，學會仔細觀察和正確記錄實驗現象和數據，更在于培養學生理論聯系實際、查閱文獻資料的能力，使學生初步受到科學研究工作的啟蒙訓練，逐步養成實事求是的科學態度和一絲不茍的科學作風等良好習慣，實現由學習基礎知識、基本技能到開展科學研究的初步轉變，全面提高學生從事科研工作的思維能力、想象能力和創新能力[2]。然而，長期的教學實踐表明目前的物理化學實驗課程教學現狀不能滿足新時代對人才的需求，教學改革勢在必行。

1 物理化學實驗教學的現狀

1.1 填鴨式被動教學

在物理化學實驗教學中，教師為了保證在一定的課時內實驗能順利進行并完成，會傾向于花很多時間講解實驗步驟和設備的使用方法，甚至為了防止學生實驗失敗，直接將長年累積下來的實驗小技巧傾囊相授，完全抑制了學生們思考與反復推敲的積極性。并且為了能保證實驗的順利進行，降低實驗過程中會出現問題的幾率，很多實驗試劑和步驟都由實驗師們在實驗前提前給學生們準備和完成了。比如：可逆原電池電動勢的測定用到的電解液都是提前配制好的；燃燒熱測定的實驗中，苯甲酸與蔗糖的壓片是由實驗師提前準備好的，甚至給氧彈充氧氣的這一步有時也是由老師代勞[3]。顯然為了在一定時間內實驗教學的順利進行，這些操作與安排犧牲了學生在實驗中自我鍛煉與自我成長的機會，這對全面提高學生的專業技能是非常不利的，遠沒有實現開設實驗課程的目的。

1.2 實驗內容更新緩慢，缺乏時代感

目前，大多數高校物理化學實驗內容更新緩慢，多年來實驗內容較為單一和固定，缺少符合時代感的實驗內容。比如：在最開始做液體飽和蒸汽壓實驗時，是采用苯作為測定所用的試劑，但眾所周知苯的毒性很大，可致癌；液體表面張力的測定實驗最開始所用的試劑為正丁醇溶液，而正丁醇溶液有類似雜醇油的氣味，其揮發性氣體有刺激性，可引起咳嗽。這些試劑的使用，不僅會打擊學生對物理化學實驗的積極性與興趣，更會影響學生的身體健康，并且也污染了環境，造成了不良影響。顯然，這些都與當代“綠色化學”的主旨背道而馳。同時，物理化學實驗內容大多數為經典性、驗證性的實驗，與物理化學的經典理論關聯較為密切，缺少專業特色性和針對性，更鮮有與科研前沿性相結合的實驗項目[4-6]。

1.3 考核評價機制單一

由于現存實驗教學存在被動與機械填鴨式的缺點，導致實驗教學的傳統考核方式較為單一，通常是由平時成績和期末成績組成，而平時成績主要是通過實驗報告的完成情況進行考核。老師則根據實驗報告是否撰寫工整、實驗數據處理誤差大小、是否處理規范正確來評定成績高低，使得學生對物理化學實驗這門課程的關注點局限在實驗報告的書寫和完美的數據中。久而久之，學生將精力集中在實驗報告中，認為數據誤差小，報告字數多就能獲取高分，甚至通過偽造數據的方式來完成報告，從而會造成一部分學生在實驗過程中混水摸魚，課后書寫報告重量不重質。這種流于形式的實驗報告難以實現以培養學生科學素養與創新能力的課程目標，自然在評定分數時，有失公允，無法有效激發學生的學習熱情和培養專業的科學素養。

2 物理化學實驗教學的改革與探索

2.1 優化教學過程，鼓勵學生為主體的教學改革

傳統的實驗教學中，學生主要是機械重復實驗步驟，雖然表現出了較高的實驗完成效率，但是對學生專業技能和科研素養的培養效果不佳。通過優化教學全過程，要充分調動學生學習的積極性與主動性，引導學生獨立地發現問題、分析問題和解決問題，逐步實現學生自我學習的角色轉換[7]。

2.1.1 課前充分預習

當代互聯網蓬勃發展，大學生們也大多熱衷于網絡，可以將現代化信息技術多媒體手段引入到課前預習中，利用網絡中的精品課、名校課、公開課等，對課本知識進行可視化的預習與了解。建立學習興趣小組和微信群，加強實驗課上課前老師和學生的溝通與交流，提前了解他們實驗的痛點與疑惑，在面對面實驗教學中，有針對性地開講實驗課程，不僅可以有效提高教學效率，還可以增加學生們的積極性與主動性，更可以節約出大量的時間，增加學生們在實驗中自我嘗試和探索的機會[8-10]。

2.1.2 課堂中采用啟發式和問題導向式教學方法

在課堂教學過程中，教師采用科學探究式教學，要以學生為主體，選擇重點講解，不要做到事事具細，面面俱到。教師根據實際情況，有針對性地提出一些啟發性的問題，留給學生們獨立思考和分析的空間，提高他們的思維活躍度。并且，可以在教學過程中采取學生教學的方式，即有選擇性的摘出一些實驗內容，由學生提前準備然后在課堂上進行講解與演示，學生與教師角色的轉變，可以幫助學生更加深刻的理解物理化學知識，引導學生對實驗進行更加細致的觀察、研究和分析[11-12]。實驗過程中，教師要多走動，仔細觀察學生們的實驗情況，既能確保學生們認真做實驗，還能及時指出學生們操作過程中的問題，加深學生對實驗細節的印象，提高學生們對儀器和操作步驟的熟悉程度。

2.1.3 課后鼓勵學生拓展

實驗結束后，鼓勵學生將實驗所涉及的科學知識或者是實驗技能拓展到科研前沿成果和技術中，以報告或者是PPT的模式呈現給教師，以此開闊學生的學術視野，培養他們學以致用，舉一反三的能力，為后續科研之路奠定良好的學習習慣。

2.2 優化教學內容，注重科教融合

我院的化學實驗教學中心的物理化學實驗室承擔了本校化學與分子工程學院、材料科學與工程學院、化工學院、能源學院、環境學院、制藥與生命科學學院、安全科學與工程學院等學院將近26個專業課程教學。教研組本著“因材施教”的教育理念，根據專業的培養目標，最大化利用實驗教學中心的資源，設置了19個實驗，然后根據各個專業不同的教學目標、教學學時、開課時間、專業差異，在實驗教學上選擇不同的教學內容和形式，盡最大努力做到實驗內容與專業相結合；教研組也通過結合各個專業的特點，對傳統的實驗內容做出適當調整，匹配專業學科。這樣能讓學生感受到理論與實踐緊密結合，通過實驗更加深入地理解理論，激發學生的學習興趣[13]。

在實驗內容設計上，我院物理化學教研組的教師們通過反復論證與嘗試，將液體飽和蒸汽壓實驗與液體表面張力的測定實驗所用的試劑改為乙醇，這樣既解決了試劑的毒性問題，同時對于實驗經費的節約和環境保護都很有利，并通過這種方式逐步樹立學生牢固的綠色環保理念和培養學生不斷嘗試與創新的能力。因受制于廠地與經費，我院物理化學教研組將成熟的科研成果通過線上虛擬仿真的形式，將其融入到物理化學實驗本科教學中。比如我院制作的高溫高壓合成分子篩催化材料虛擬仿真實驗，將我校較具代表性的科研結果的一部分——MCM-22分子篩的合成與表征引入到基礎物理化學實驗教學中，將其中高危、高毒、高消耗部分以虛擬仿真的形式實現，學生可以靈活地設置各種參數、模擬條件，可以自如地模擬真實世界中的各種情況[14-15]。通過仿真，可以了解真實世界中無法實現的危險性操作，或者臨界條件，極大地調動學生的學習主動性，開拓學生們的想象空間，讓更多的學生更容易，更便捷地了解科研、熟悉科研，激發學生對研究的興趣，培養學生的創新能力。

2.3 建立科學合理的考核體系

實驗課程成績評定是實驗教學的重要手段，科學合理的考核體系既能反應學生綜合實驗能力，也能反饋實驗教學的效果，能夠有效促進教學質量的提高。傳統的考核體系忽視了實驗過程中基本能力的訓練和培養，這樣不利于學生科學素養的提高，也不利于嚴謹科學態度的形成[16]。物理化學實驗課程是一門實踐性很強的高等院校基礎課程，為了更加科學合理地評價學生的學習過程，綜合考核實驗過程與實驗結果，激發學生實驗興趣，提高實驗能力，需要建立科學合理多元的實驗考核體系。

考核方式由原來主要通過實驗報告和期末考試(結論性評價)進行評分的考核形式向關注學生解決問題與思考過程中的積極性、創新性、條理性(過程性評價)等方向轉變。比如：可以加重過程性評價的比例，將其設置到總成績的60%；為了激發學生的實驗操作的積極性，培養他們的專業素養，可以將過程性評價細分為課前預習檢測(10%)，實驗操作(30%)，實驗完成情況(10%)，實驗桌面整理、儀器歸還情況(10%)；其中實驗操作可以再細分為儀器使用熟練程度(10%)、實驗操作規范程度(10%)、廢液處理情況(10%)；實驗報告和期末考試(結論性評價)設置為占總成績的40%，其中實驗報告成績占20%，可細分為數據的合理性和真實性(5%)、誤差分析(5%)、實驗的應用拓展(5%)以及實驗報告的完成情況(5%)。期末考試占20%，可以讓學生自行查閱文獻， 設計方案， 以寫小論文的方式進行實驗改進，根據學生實驗操作的規范性以及方案設計的合理性來給出分數， 實行非標準化考試評價形式；只要學生在實驗過程中操作規范，設計思路清晰， 不論實驗最后成功與否，都應予以鼓勵[17-18]。整個考核過程應該關注科研思維和創新意識的培養，這樣才能實現物理化學實驗教學提高學生理論聯系實際、科學素養和綜合運用能力的教學目標。

3 結語

我校根據物理化學實驗的課程特點和新時代下人才培養的需求，在教學方法、教學內容和考核方式上進行了有價值的改革和探索。事實證明，改革后的物理化學實驗教學，可以有效地避免傳統教學模式的弊端，不僅為學生提供了一個自主寬松的學習環境，更可以潛移默化地激發學生創造研究的積極性，為學生就業工作和從事科學研究打下堅實的基礎。但教學改革是一項持續且復雜的過程，只有不忘初心，砥礪前行，積極更新教育觀念，不斷地探索和實踐，培養出適應社會發展的高水平專業素質的人才。