物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革與創(chuàng)新

張國(guó)艷， 金為群， 王 嵐

(吉林大學(xué)化學(xué)學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春130012)

0 引言

物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)是繼學(xué)生完成無(wú)機(jī)化學(xué)、分析化學(xué)、有機(jī)化學(xué)等課程的學(xué)習(xí)之后，在高年級(jí)開(kāi)設(shè)的一門化學(xué)實(shí)驗(yàn)課。做好物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)，不僅能夠鍛煉學(xué)生綜合運(yùn)用物理、化學(xué)和數(shù)學(xué)知識(shí)來(lái)解決實(shí)際問(wèn)題，進(jìn)行基礎(chǔ)科研的能力，而且能夠激發(fā)學(xué)生的主觀能動(dòng)性，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力［1-3］。大學(xué)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教材主要包括基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、綜合實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)三部分。目前，這三部分的教學(xué)存在一定的問(wèn)題，有待改革和創(chuàng)新。

1 基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革和創(chuàng)新

基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，即驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，主要是以已學(xué)的理論知識(shí)為原理，按照已擬定的實(shí)驗(yàn)方案測(cè)得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，用數(shù)學(xué)原理和方法科學(xué)地處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論值進(jìn)行對(duì)比，從而使學(xué)生對(duì)理論知識(shí)有一個(gè)較直觀和深刻的理解。這一部分的教學(xué)存在的主要問(wèn)題是很多老師只是按部就班地將整個(gè)實(shí)驗(yàn)從實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)步驟到數(shù)據(jù)處理進(jìn)行了講解，而沒(méi)有和學(xué)生一起對(duì)擬定的實(shí)驗(yàn)方案的合理性和科學(xué)性進(jìn)行深入的探討，這樣的結(jié)果是學(xué)生思考得少，想法少，因而從中獲得的啟發(fā)不大，對(duì)將來(lái)如何自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)缺乏論證能力。

如果這一部分的教學(xué)能夠根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案從實(shí)驗(yàn)的順序、試劑的用量、設(shè)備的設(shè)計(jì)和測(cè)量原理等方面進(jìn)行討論的話，在一定程度上會(huì)提高學(xué)生的主觀能動(dòng)性。以燃燒熱實(shí)驗(yàn)為例，這個(gè)實(shí)驗(yàn)從樣品的制備、充氧、點(diǎn)火燃燒到滴定，每一步都有著操作上和設(shè)計(jì)上耐人尋味的地方。先說(shuō)樣品的制備，有壓片法和纏繞法，哪一種方法對(duì)樣品質(zhì)量的影響更小?如果樣品不是固態(tài)的，應(yīng)如何制備樣品以及實(shí)驗(yàn)方案應(yīng)如何設(shè)計(jì)?另外將充好氧氣的氧彈放入恒溫套之前，卡計(jì)的梨狀設(shè)計(jì)以及卡計(jì)里的水需準(zhǔn)確量取用意何在?絕熱體系由哪些構(gòu)成?整個(gè)實(shí)驗(yàn)中影響溫度的因素有哪些?如何比較客觀地確定實(shí)際樣品燃燒前后引起的卡計(jì)溫度升高的數(shù)值?最后的滴定實(shí)驗(yàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響有多大?相信解決了這些問(wèn)題后，學(xué)生對(duì)于量熱法測(cè)量有機(jī)物的燃燒熱會(huì)有一個(gè)更全面更科學(xué)的認(rèn)識(shí)。

2 綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革與創(chuàng)新

物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)在得出有關(guān)物質(zhì)的物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)及其化學(xué)反應(yīng)規(guī)律時(shí)常常借助于物理學(xué)的一些實(shí)驗(yàn)設(shè)備和技術(shù)，通過(guò)追蹤化學(xué)變化過(guò)程中體系某些可測(cè)物理量的變化，按照這些可測(cè)物理量與體系組成的定量關(guān)系來(lái)確定體系的狀態(tài)。所以說(shuō)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)不僅涵蓋了化學(xué)學(xué)科各領(lǐng)域所需要的基本研究工具和方法，而且能夠反映出各種譜學(xué)技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展水平。另外在數(shù)據(jù)處理方面，不僅僅需要相應(yīng)的物理化學(xué)理論知識(shí)，還需要一定的數(shù)學(xué)分析方法來(lái)保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此，相比于其他化學(xué)學(xué)科的實(shí)驗(yàn)，其綜合性很強(qiáng)。這一部分的教學(xué)存在的主要問(wèn)題是實(shí)驗(yàn)內(nèi)容陳舊，跟不上現(xiàn)代科技發(fā)展的步伐，加之所使用的物理實(shí)驗(yàn)設(shè)備和技術(shù)比較落后，培養(yǎng)出來(lái)的學(xué)生的知識(shí)層次較低，實(shí)驗(yàn)技能較差。

這些問(wèn)題可以根據(jù)當(dāng)今科技發(fā)展的水平，結(jié)合各學(xué)科研究的最新成果來(lái)加以改革。二組分合金體系固液平衡相圖的繪制一直是物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)的基本內(nèi)容，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備是控溫儀和可控升降溫電爐。通過(guò)實(shí)驗(yàn)學(xué)生可以理解熱分析法繪制固液平衡相圖的基本原理，并了解熱電偶的測(cè)溫原理。如果改變一下樣品的種類、儀器設(shè)備和測(cè)試內(nèi)容，學(xué)生獲得的信息量遠(yuǎn)不止這些。比如利用差熱分析儀，通過(guò)測(cè)量待測(cè)樣品的質(zhì)量與溫度變化關(guān)系得到熱重曲線(包括失重和增重)，不僅可以確定組成結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)化溫度，還可以測(cè)定熱效應(yīng)等物理化學(xué)性質(zhì)［4，5］。再比如，改變傳統(tǒng)測(cè)試含結(jié)晶水的樣品，取而代之一些和現(xiàn)實(shí)生活密切相關(guān)的樣品，如聚氯乙烯(PVC)是一種普遍使用的塑料，PVC加工過(guò)程中用量最大的助劑之一鄰苯二甲酸二辛酯(DOP)在加工過(guò)程中易揮發(fā)，大劑量進(jìn)入人體時(shí)具有致癌作用。通過(guò)對(duì)PVC樹(shù)脂的失重分析曲線及相關(guān)數(shù)據(jù)的測(cè)定可以對(duì)這一食品安全問(wèn)題有更直觀的認(rèn)識(shí)，從而激發(fā)學(xué)生開(kāi)發(fā)PVC增塑劑新原料的熱情［6］;再比如，航天耐溫材料的熱穩(wěn)定性一直是材料科學(xué)關(guān)注的重點(diǎn)，利用熱重分析技術(shù)將合金的高溫恒溫氧化實(shí)驗(yàn)用時(shí)間-氧化增重曲線表示，通過(guò)分析增重曲線，可以確定氧化的速度，進(jìn)行動(dòng)力學(xué)研究，從而獲得更理想的新型航空航天用高溫結(jié)構(gòu)材料［7］。

3 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革和創(chuàng)新

設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)是在老師的指導(dǎo)下，應(yīng)用學(xué)過(guò)的知識(shí)，通過(guò)查閱有關(guān)參考資料，自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案并獨(dú)立完成的實(shí)驗(yàn)。設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)使知識(shí)相互滲透、補(bǔ)充，能夠使理論知識(shí)聯(lián)系實(shí)際問(wèn)題，可以培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立思考能力、動(dòng)手能力和創(chuàng)新性，從而更具吸引力。這一部分的教學(xué)存在的主要問(wèn)題一是教師在平時(shí)對(duì)這方面內(nèi)容滲透得少，學(xué)生不注重問(wèn)題的積累;二是學(xué)生們往往在教材提供的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)題目中進(jìn)行選擇，選題范圍窄，重復(fù)較多，體現(xiàn)不出學(xué)生的思維個(gè)性化;三是受實(shí)驗(yàn)設(shè)備和藥品的限制而流于形式，沒(méi)有達(dá)到真正的效果。

針對(duì)第一個(gè)問(wèn)題，教師在講解實(shí)驗(yàn)時(shí)，要注重實(shí)驗(yàn)的實(shí)際意義，向?qū)W生列舉一些相關(guān)實(shí)驗(yàn)的最新進(jìn)展和具體應(yīng)用。比如，多孔材料及粉末的比表面積測(cè)定中溶液濃度可借助酸堿滴定、分光光度計(jì)或全自動(dòng)比表面及孔隙分析儀等幾種方法來(lái)確定。而全自動(dòng)比表面及孔隙分析儀不僅可以測(cè)定比表面積，還可以測(cè)定孔體積、孔徑分布和孔徑大小，是評(píng)價(jià)催化劑、吸附劑、石棉纖維、碳材料的活性、吸附、催化等性能的一項(xiàng)重要參數(shù)，所以廣泛用于藥品、陶瓷、活性炭、油漆、涂料、碳納米管和燃料電池等的研究中［8-10］。再比如電化學(xué)實(shí)驗(yàn)中電極是非常重要的一個(gè)器件，電極的靈敏性、選擇性和穩(wěn)定性關(guān)系到檢測(cè)方法的效率，各種常規(guī)電極包括汞電極、金電極、玻碳電極等及其修飾電極，如金屬氧化物納米材料或石墨烯修飾的電極，已被應(yīng)用于廢水排放的檢測(cè)體系和燃料電池中［11-14］。學(xué)生有了這些知識(shí)做鋪墊，再輔助一些文獻(xiàn)閱讀，逐漸產(chǎn)生自己的一些想法，就會(huì)主動(dòng)地設(shè)計(jì)方案來(lái)解決實(shí)際問(wèn)題。

為了使設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)達(dá)到預(yù)期目的，真正培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力，教師在確定實(shí)驗(yàn)范圍時(shí)盡量給予學(xué)生更多自主選擇的空間，促使學(xué)生靈活調(diào)用已有的生活經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)儲(chǔ)備，通過(guò)不同的方式、選擇不同的方法，創(chuàng)造性地解決實(shí)際問(wèn)題，從而最大限度地開(kāi)發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造潛能［15-17］。在評(píng)價(jià)學(xué)生實(shí)驗(yàn)成績(jī)時(shí)教師要樹(shù)立科學(xué)的評(píng)價(jià)理念和評(píng)價(jià)方法，注重提升自身的專業(yè)水平和道德修養(yǎng)，一定做到既要科學(xué)客觀，又要及時(shí)發(fā)現(xiàn)學(xué)生思想上的閃光點(diǎn)，鼓勵(lì)學(xué)生，激發(fā)他們的積極性。

4 結(jié)語(yǔ)

理論是在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上形成并逐漸發(fā)展建立起來(lái)的，而實(shí)驗(yàn)還可以驗(yàn)證理論的可靠性和適用性，所以說(shuō)“實(shí)踐出真知”。物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)以其較強(qiáng)的綜合性和思考性能夠切實(shí)地鍛煉學(xué)生獨(dú)立解決實(shí)際問(wèn)題的能力;另外，當(dāng)代科技發(fā)展的水平推動(dòng)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)的發(fā)展，學(xué)生能將所學(xué)理論知識(shí)緊密聯(lián)系實(shí)際，從而更快地將理論知識(shí)轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力。為了達(dá)到這些目標(biāo)，物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革和創(chuàng)新勢(shì)在必行。

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