應(yīng)用化學(xué)專業(yè)物理化學(xué)綜合實驗的設(shè)計與實踐

楊冬梅 劉敏 王軍

［摘 要］東北大學(xué)在實驗課程建設(shè)中，針對應(yīng)用化學(xué)專業(yè)開設(shè)了物理化學(xué)綜合實驗。東北大學(xué)的物理化學(xué)綜合實驗項目均來源于教師的科研成果。文章介紹了東北大學(xué)物理化學(xué)綜合實驗的組織與實施方法。通過參與物理化學(xué)綜合實驗，應(yīng)用化學(xué)專業(yè)的學(xué)生可以了解當(dāng)前的研究熱點以及大型儀器的使用方法和現(xiàn)代分析測試技術(shù)，提高了自身的動手能力，培養(yǎng)了科研興趣。

［關(guān)鍵詞］應(yīng)用化學(xué)專業(yè)；物理化學(xué)；綜合實驗；設(shè)計

［中圖分類號］ G642.423 ［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］ A ［文章編號］ 2095-3437（2022）09-0138-03

作為化學(xué)的一個重要分支學(xué)科，物理化學(xué)學(xué)科涉及的知識范疇十分廣泛。物理化學(xué)課程也成為化學(xué)、應(yīng)用化學(xué)、生物化學(xué)、材料科學(xué)、冶金、資源與環(huán)境、能源、采礦等理工科專業(yè)的主要基礎(chǔ)課程[1]。而物理化學(xué)實驗則是物理化學(xué)課程的重要組成部分，是對學(xué)生實際操作能力、運(yùn)用物理化學(xué)理論知識解決實際問題能力的訓(xùn)練，對培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)研究能力和實踐創(chuàng)新能力具有重要作用[2]。

不同的本科專業(yè)對物理化學(xué)課程內(nèi)容要求的側(cè)重點不同[3-5]。因此，在教學(xué)實踐過程中，在對課程基本內(nèi)容進(jìn)行充分講授的基礎(chǔ)上，我們會根據(jù)不同專業(yè)的特點設(shè)計不同的實驗內(nèi)容，開展差異化教學(xué)，并設(shè)計了滿足不同專業(yè)需求的綜合性物理化學(xué)實驗項目。同時，前沿科研知識的引入也可以幫助學(xué)生了解物理化學(xué)學(xué)科的研究現(xiàn)狀和未來發(fā)展趨勢、拓寬知識面，并使學(xué)生具有積極探索未知科學(xué)領(lǐng)域的精神。下面就介紹我們近年來針對東北大學(xué)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)特點所進(jìn)行的物理化學(xué)綜合實驗的設(shè)計與實踐。

一、開展物理化學(xué)綜合實驗教學(xué)的意義

東北大學(xué)應(yīng)用化學(xué)本科專業(yè)人才培養(yǎng)計劃明確要求本專業(yè)學(xué)生應(yīng)接受系統(tǒng)的科學(xué)思維培養(yǎng)和科學(xué)研究訓(xùn)練，具有扎實的化學(xué)學(xué)科專業(yè)知識、實驗實踐技能、一定的工程技術(shù)知識以及在實踐中分析和解決問題的能力，成為高素質(zhì)綜合型人才。而實驗教學(xué)是培養(yǎng)大學(xué)生實踐能力和創(chuàng)新能力非常重要的一個環(huán)節(jié)，是讓學(xué)生將所學(xué)的理論知識運(yùn)用到實踐中的重要手段。因此，在幫助學(xué)生掌握化學(xué)各個分支領(lǐng)域理論知識、提升其化學(xué)素養(yǎng)的同時，我們也致力于鍛煉學(xué)生的化學(xué)實驗技能、培養(yǎng)其科學(xué)研究能力和創(chuàng)新精神。應(yīng)用化學(xué)專業(yè)的學(xué)生在經(jīng)過無機(jī)化學(xué)及實驗、分析化學(xué)及實驗等化學(xué)基礎(chǔ)課程和專業(yè)基礎(chǔ)課程的學(xué)習(xí)后，應(yīng)通過物理化學(xué)綜合實驗的訓(xùn)練強(qiáng)化他們對前期所學(xué)理論知識的理解并提升其理論結(jié)合實際的能力。

目前，東北大學(xué)面向應(yīng)用化學(xué)專業(yè)開設(shè)的物理化學(xué)實驗一共有80學(xué)時，其中40學(xué)時是我們耳熟能詳?shù)慕?jīng)典的驗證性實驗，例如“酸堿反應(yīng)中和熱的測定”實驗、“量熱法測定萘的燃燒熱”實驗、“液體飽和蒸氣壓的測定”實驗，等等。另外40學(xué)時是研究性實驗，例如“電化學(xué)法測定化學(xué)反應(yīng)的熱力學(xué)函數(shù)”實驗、“氣泡最大壓力法研究溶液界面上的吸附作用”實驗、“表面活性劑臨界膠束濃度的測定”實驗，等等。上述實驗內(nèi)容可以滿足應(yīng)用化學(xué)專業(yè)學(xué)生在物理化學(xué)理論課程學(xué)習(xí)過程中對相關(guān)實驗內(nèi)容的基本要求。在此基礎(chǔ)上，我們還開設(shè)有24學(xué)時的物理化學(xué)綜合性實驗，以達(dá)到培養(yǎng)高素質(zhì)綜合型人才的要求。因此，應(yīng)用化學(xué)專業(yè)的學(xué)生在完成80學(xué)時的物理化學(xué)實驗后，可根據(jù)個人興趣參加若干物理化學(xué)綜合實驗項目。這種綜合性實驗訓(xùn)練不僅可以加深學(xué)生對物理化學(xué)理論知識的理解、提高學(xué)生的實驗操作技能，還可以幫助學(xué)生學(xué)會使用多種專業(yè)軟件處理實驗數(shù)據(jù)的方法，同時學(xué)生還有機(jī)會學(xué)習(xí)使用一些現(xiàn)代化的大型科學(xué)儀器設(shè)備，為今后的職業(yè)生涯奠定基礎(chǔ)。

二、物理化學(xué)綜合實驗的設(shè)計

（一）設(shè)計的總體思路

針對目前社會對研究型、復(fù)合型化學(xué)人才的需求，我們將物理化學(xué)綜合實驗的設(shè)計重點定位在前沿性和創(chuàng)新性兩個方面。實驗項目的設(shè)置要既能反映學(xué)科前沿領(lǐng)域的研究進(jìn)展，又能使學(xué)生接觸到先進(jìn)的物理化學(xué)理論研究和實驗技術(shù)方法，從而達(dá)到開闊學(xué)生視野、啟發(fā)學(xué)生思維、提升學(xué)生研究和解決問題能力的目的。

實驗內(nèi)容則以“物質(zhì)的制備—結(jié)構(gòu)表征—性能測試”為主線，盡可能地涵蓋物理化學(xué)學(xué)科內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域的知識與技術(shù)，并將無機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、分析化學(xué)、儀器分析中的相關(guān)知識融合到物理化學(xué)綜合實驗中，以提高化學(xué)各個分支學(xué)科領(lǐng)域之間的關(guān)聯(lián)度，使學(xué)生對所學(xué)知識能夠融會貫通，從而增加學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提升學(xué)生綜合運(yùn)用化學(xué)知識的能力。

（二）物理化學(xué)綜合實驗的設(shè)計實例

根據(jù)化學(xué)實驗中心現(xiàn)有的儀器設(shè)備及實驗條件，經(jīng)過充分分析和論證，我們將化學(xué)系教師當(dāng)前的科學(xué)研究成果成功運(yùn)用于物理化學(xué)綜合實驗中，所選擇的實驗項目盡可能地體現(xiàn)化學(xué)各研究方向的熱點、前沿和不同學(xué)科的交叉領(lǐng)域，先后設(shè)計完成了“納米氧化鋅的制備及其光催化作用的測定”“聚苯胺的制備、表征及性能測試”等大型物理化學(xué)綜合實驗。這些綜合實驗項目分別包含若干個子實驗項目，內(nèi)容涉及物質(zhì)的合成、先進(jìn)測試儀器的使用、產(chǎn)品性能表征、實驗結(jié)果處理方法等。

在物理化學(xué)綜合實驗項目的選擇上，除了要體現(xiàn)實驗內(nèi)容的綜合性，還要盡可能多地考慮實驗方法的多樣性，盡可能采用不同的實驗方法完成同一個實驗，以開闊學(xué)生視野，培養(yǎng)其運(yùn)用發(fā)散的思維方式分析問題、解決問題的能力。例如在“聚苯胺制備”實驗中，可以采用電化學(xué)法，也可以采用化學(xué)氧化法合成聚苯胺，還可以鼓勵學(xué)生用溶液法和微乳液法嘗試合成，啟發(fā)學(xué)生從不同角度思考解決問題的方法，并盡可能地將所學(xué)知識融合在一起。

表1列出了東北大學(xué)理學(xué)院化學(xué)實驗中心近10年來針對應(yīng)用化學(xué)專業(yè)學(xué)生開設(shè)的化學(xué)綜合實驗項目。學(xué)生可以根據(jù)興趣選做其中的1～2個實驗。隨著科技的進(jìn)步，科學(xué)熱點不斷涌現(xiàn)，學(xué)生的興趣也在不斷發(fā)生變化。如果選做某一個實驗項目的學(xué)生人數(shù)過少，則該項目不能開設(shè)；如果實驗項目連續(xù)兩學(xué)年沒有足夠多的學(xué)生選擇，則會逐步被淘汰。為了給學(xué)生更大的選擇空間，也為了讓學(xué)生對科研進(jìn)展有更多的了解，實驗中心根據(jù)教師的科研項目不斷調(diào)整更新綜合實驗項目，比如我們還將開設(shè)“室溫氫氣傳感器的制備及性能測試”實驗，這個實驗以二氧化鈦納米管和鈀修飾的二氧化鈦納米管作為氣體傳感器，讓學(xué)生了解半導(dǎo)體氣體傳感器的檢測原理，并掌握傳感器性能評價標(biāo)準(zhǔn)。通過這個實驗，學(xué)生對氫氣這種新興能源材料的存儲和利用過程中的高效檢測有了一定的了解。

三、物理化學(xué)綜合實驗課程的組織與實施

（一）實驗前

實驗開始前，學(xué)生需在教師的指導(dǎo)下，根據(jù)所選綜合性實驗項目獨立查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，了解實驗研究的相關(guān)背景、意義、原理、實施的可能性，以及國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，在規(guī)定時間內(nèi)寫出完整的實驗預(yù)案；與實驗指導(dǎo)教師討論具體的實施方案以及預(yù)想的難點，指導(dǎo)教師根據(jù)學(xué)生的選題引導(dǎo)學(xué)生盡可能地完善實驗細(xì)節(jié)，并對實驗預(yù)想的難點提出解決方案。物理化學(xué)綜合實驗的實驗項目由一系列的小實驗項目組成，每一個小實驗項目的順利完成與否，關(guān)系到下一個實驗項目的順利開展與否，指導(dǎo)教師應(yīng)鼓勵學(xué)生盡量多地構(gòu)想解決問題的辦法，以保證整個實驗項目能順利完成。

（二）實驗中

在大型綜合實驗中，應(yīng)培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊合作能力，鼓勵學(xué)生進(jìn)行實驗的多參數(shù)設(shè)計，協(xié)作完成實驗任務(wù)。比如不同的實驗小組根據(jù)擬定的實驗方案進(jìn)行化學(xué)制備，制備目標(biāo)產(chǎn)物可以為同類、不同原料配比的材料。實驗過程中，學(xué)生作為實驗的主體，要根據(jù)前期準(zhǔn)備的實驗方案獨立完成實驗，不能過分依賴指導(dǎo)教師。而指導(dǎo)教師是實驗的引導(dǎo)者，要引導(dǎo)學(xué)生獨立分析并解釋實驗現(xiàn)象，還應(yīng)培養(yǎng)學(xué)生良好的實驗習(xí)慣，對選擇的實驗方法、所用的試劑及實驗儀器、實驗現(xiàn)象等要準(zhǔn)確記錄，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)實驗結(jié)果得出正確結(jié)論，這樣即使某一實驗步驟失敗，也能根據(jù)實驗記錄查找失敗原因，總結(jié)經(jīng)驗教訓(xùn)。

另外，指導(dǎo)教師雖然不應(yīng)對學(xué)生的實驗干涉過多，但應(yīng)時刻關(guān)注學(xué)生的實驗過程，在學(xué)生的實驗過度偏離預(yù)期時適當(dāng)提醒。指導(dǎo)教師應(yīng)把常規(guī)的講授式教學(xué)方式轉(zhuǎn)變?yōu)閱l(fā)式教學(xué)方式，對學(xué)生的實驗不能管得過細(xì)，要從實驗的大方向上進(jìn)行把握，啟發(fā)學(xué)生用多種方法完成實驗，讓學(xué)生有足夠的發(fā)揮空間，從而提高學(xué)生的科研興趣，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

（三）性能測試

學(xué)生在實驗前務(wù)必參加各種大型儀器設(shè)備使用的培訓(xùn)，以充分了解儀器的測試原理和基本操作規(guī)程，并在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下完成儀器設(shè)備的操作以及材料性能的表征，并對表征結(jié)果進(jìn)行綜合分析。學(xué)生通過物理化學(xué)綜合實驗，可以掌握一些現(xiàn)代化大型儀器的基本操作，并對現(xiàn)代表征測試技術(shù)和手段有初步了解，為以后進(jìn)一步的學(xué)習(xí)和科研工作打下基礎(chǔ)。

（四）實驗后

實驗結(jié)束后，要求學(xué)生提交實驗總結(jié)報告。物理化學(xué)綜合實驗的實驗報告摒棄了包含目的、原理、步驟、數(shù)據(jù)處理、思考題等傳統(tǒng)實驗報告要求的內(nèi)容，而是按照學(xué)術(shù)報告的書寫要求完成。報告要求對實驗過程中的物理化學(xué)性能數(shù)據(jù)進(jìn)行充分的分析和解釋，鼓勵不同的小組之間根據(jù)實驗過程中發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象、出現(xiàn)的問題以及實驗結(jié)果進(jìn)行討論，引導(dǎo)學(xué)生對實驗項目進(jìn)行主動拓展，培養(yǎng)學(xué)生初級的科學(xué)研究能力，增強(qiáng)學(xué)生利用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)手段獲取信息的能力，提升學(xué)生綜述實驗方案和評價實驗結(jié)果的能力以及創(chuàng)新意識。同時，使學(xué)生對科研論文的寫作有一定的了解，也為即將進(jìn)行的畢業(yè)論文的寫作打下基礎(chǔ)。

（五）綜合實驗評價標(biāo)準(zhǔn)

傳統(tǒng)的物理化學(xué)實驗評分標(biāo)準(zhǔn)主要采取教師評價的方式，指導(dǎo)教師根據(jù)學(xué)生上交的實驗報告完成情況給出實驗成績。傳統(tǒng)教學(xué)模式下的學(xué)生實驗報告大多照抄實驗講義中的原理、步驟等內(nèi)容，很難體現(xiàn)學(xué)生的操作能力及在實驗中的表現(xiàn)，對學(xué)生實際能力和綜合水平的判定有一定的局限性。物理化學(xué)綜合實驗主要是培養(yǎng)學(xué)生的科研能力，因此不應(yīng)以實驗結(jié)果作為考核評價的唯一標(biāo)準(zhǔn)，而是要根據(jù)學(xué)生的實驗設(shè)計和研究能力以及報告內(nèi)容的完整性、綜合性、創(chuàng)新性和學(xué)生的實驗操作技能給予綜合評價。科學(xué)、公正的評價體系，不但可以全面準(zhǔn)確地評價學(xué)生的綜合能力，而且可以充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生不只關(guān)注實驗結(jié)果，而更重視實驗過程。

四、開設(shè)物理化學(xué)綜合實驗取得的成果

通過參加物理化學(xué)綜合實驗，應(yīng)用化學(xué)專業(yè)學(xué)生的實驗技能明顯提高，其創(chuàng)新意識和能力也顯著提升，同時激發(fā)了學(xué)生的科研興趣，申請參加大學(xué)生創(chuàng)新實驗的學(xué)生人數(shù)逐年增加，指導(dǎo)畢業(yè)設(shè)計的教師普遍反映畢業(yè)生的科研能力顯著提升。近年來，從大量本科生就業(yè)后反饋的信息看，多數(shù)畢業(yè)生在各自的工作崗位上都表現(xiàn)出較強(qiáng)的研究創(chuàng)新能力，他們較強(qiáng)的基礎(chǔ)知識應(yīng)用能力和較高的實驗動手能力以及敏銳的科研創(chuàng)新意識得到了用人單位的充分肯定。

五、結(jié)語

隨著科技的發(fā)展，各種科學(xué)研究熱點不斷涌現(xiàn)，傳統(tǒng)的物理化學(xué)實驗項目已不能滿足應(yīng)用化學(xué)專業(yè)學(xué)生的學(xué)習(xí)和未來發(fā)展的需要。依托教師最新的科研成果，開設(shè)新的大型綜合性實驗項目勢在必行，這也符合教育部在全國普通高校本科教學(xué)工作審核評估中強(qiáng)調(diào)的“科研成果反哺教學(xué)”的精神。我們在物理化學(xué)實驗教學(xué)改革過程中，通過針對應(yīng)用化學(xué)專業(yè)開設(shè)的物理化學(xué)綜合實驗，將前沿科技與教學(xué)相融合，使學(xué)生充分了解到了化學(xué)新材料的制備方法、物理化學(xué)性質(zhì)以及結(jié)構(gòu)表征測試手段等內(nèi)容，同時也使學(xué)生有更多的機(jī)會了解一些先進(jìn)儀器設(shè)備的使用方法和現(xiàn)代表征測試技術(shù)。這種在物理化學(xué)綜合實驗教學(xué)中增加學(xué)科前沿領(lǐng)域研究成果的創(chuàng)新性嘗試，不僅符合東北大學(xué)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)的要求，也滿足了社會對研究型、復(fù)合型化學(xué)人才的需求。

［ 參 考 文 獻(xiàn) ］

[1] 秦鸝，毛曉明，李慧，等.基于能力培養(yǎng)的物理化學(xué)綜合設(shè)計型實驗教學(xué)改革策略[J].廣東化工，2020（15）：215-216.

[2] 楊冬梅，王軍.物理化學(xué)實驗教學(xué)改革的總體設(shè)計及實踐[J].高等理科教育，2008（6）：103-105.

[3] 王軍.對大學(xué)物理化學(xué)課程教學(xué)的思考[J].教育進(jìn)展， 2013（3）：13-16.

[4] 王軍， 楊冬梅， 霍玉秋.創(chuàng)新型人才培養(yǎng)模式下的物理化學(xué)教學(xué)研究與改革[J].大學(xué)教育， 2015（5）：99-101.

[5] 楊冬梅，王軍.應(yīng)用化學(xué)專業(yè)物理化學(xué)實驗課程設(shè)置改革[J].大學(xué)教育，2016（2）：145-147.

［責(zé)任編輯：鐘 嵐］