“四化”新理念的物理化學實驗教學改革研究

羅虎，嚴軍，冉薇，張權鳳(廣西民族大學化學化工學院，廣西 南寧 530006)

0 引言

作為一門重要的基礎化學實驗課程，物理化學實驗的有效開展，在中心科學物理化學理論課程所涉及的相關概念、原理的理解和運用上，起到舉足輕重的作用。在高等本科院校的培養體系中，開設物理化學實驗課程的專業，覆蓋化學、化工、藥學、環境、材料等理工科方向，覆蓋的學科專業范圍廣，交叉滲透程度深。然而，在傳統的物理化學實驗設計上，普遍存在實驗藥品具有一定毒性、實驗內容的靈活性和創新性不足、學生缺乏主動學習動力、操作動手能力培養效果不佳等問題。2020年7月，教育部和工信部聯合發布《現代產業學院建設指南(試行)》，明確提出在特色鮮明、與產業緊密聯系的高校建設若干與地方政府、行業企業等多主體共建共管共享的現代產業學院，以培養適應和引領現代產業發展的高素質應用型、復合型、創新型人才，支撐經濟高質量發展，推動高校分類發展和特色發展。該文件對理工科專業的人才培養提出了新的要求，即現代產業學院將更重視對學生的應用及創新能力進行培養和提升。作為多個現代產業學院的核心驅動課程，為了進一步提升物理化學實驗對學生產業素養的培育能力，有必要對其教學內容和教學方法進行重新梳理、有效整合、創新探索。通過新理念和新思維的積極融入，特別是將環保化、串聯化、獨特化與創新化的“四化”新理念在實驗教學中進行有效注入，才能打造出更匹配現代(化工、藥學、環境、材料)產業學院育人要求和培養體系的實驗課程。從依托產業和服務產業的角度出發，在“四化”新理念中融入對現代產業人才的實際培養需求，大膽創新教學內容和教學方式，從而使培養的學生能夠更接底氣，與現代產業行業的發展同向而行，從知識儲備、創新意識、理想信念等方面對其進行全面定向培育，從而為國家培養信念堅定、基礎扎實、創新活躍的新型理工類人才[1-3]。

1 傳統物理化學實驗教學存在的不足

(1)學生對實驗用品性質了解不夠。物理化學的部分實驗內容所使用的藥品、材料、試劑及反應廢棄物等，具有一定的生理或者環境毒性。雖然在國家大力推行廢棄物集中收集和專業處理等方式后，有毒藥品和廢棄物等對環境、人體健康的影響大幅減少，但學生無法直接參與這些無害化處理的方式和過程，難以在其觀念中直接培養“綠水青山就是金山銀山”的環保信念，更難以形成、加深對綠色環保化學與人類可持續發展的良性互動關系的理解。

(2)實驗內容的靈活性和創新性不足。在傳統的實驗規劃上，理論原理驗證型的單一實驗占比過大，實驗數量和時長超過總課程的一半。而具有知識高度串聯、專業深度針對、地域鮮明特色的綜合設計類實驗比例偏低，與現代產業學院的培養方向背道而馳，難以對學生的框架思維和創造意識進行定向培育，導致學生畢業后進入企業水土不服，需要企業耗費大量時間和精力對其進行重新培訓。

(3)學生主動學習的動力調動不足。物理化學的課程特點，導致實驗所涉及的理論和原理較為抽象，且描述性的文字和公式較多。加上課程指導老師的上課時間有限，學生數量偏大且較為分散，對預習情況的檢查普遍以抽查為主，缺乏和學生的交流互動。這種情形導致學生對待實驗預習的態度不夠端正，容易抱有逃避心理，只是純粹機械式復制抄寫課本上的實驗內容，沒有與理論課程進行有效關聯、細致分析，對實驗步驟缺乏深入的思考和判斷，實驗的預習效果呈現表面化、膚淺化的不利趨勢。

(4)操作動手能力培養效果不佳。物理化學的實驗儀器中，較大部分的結構造型比較復雜，或者使用步驟較為繁瑣。如果學生僅僅憑借課本的簡單描述，以及指導老師的課堂集中演示和講解，大多無法完全熟悉并掌握儀器的正確操作方法，從而在實驗過程中常常出現手足無措，瞻前顧后，實驗難以進行下去的情況。一旦頻繁出現這些情形，指導老師就需要對這部分學生予以特別關注，不斷進行實驗指導或者操作，而難以顧及其余學生的實驗具體操作，造成學生整體的操作思維和動手能力培養效果不佳，成效不明顯。

2 環保化改進

相對于無機化學、有機化學和分析化學實驗，物理化學實驗過程涉及的有毒藥品和廢棄物相對較少，導致學科教育方面，向來對藥品選擇和廢棄物排放等問題的關注度不夠[4-5]。然而，通過仔細分析市面上流行的教材發現，物理化學的一些實驗內容所使用的藥品、材料、試劑及反應產生的廢棄物等，具有一定的生理或者環境毒性。因此，很有必要對相關的實驗內容和方法進行減害化或者無害化設計，促進實驗教學的環保化改進。此外，應通過多種方式，讓學生親身體會、親自參與綠色環保化的改進工程，從而真正將環保意識和可持續理念深植于心，培養出自覺的綠色設計能力。在充分考慮學校實際和采購預算的基礎上，可以嘗試開展如下工作：試劑無苯無汞化，比如在燃燒熱測定實驗中，測定物質的選擇上，可選用赤蘚糖醇、山梨糖醇等代糖物質，替換萘等有毒物質；設計小輕微量化，在保證實驗展示效果的基礎上，重新設計或者更新實驗裝置，通過縮減物質反應空間，提高檢測靈敏度等方式，達到減少藥品消耗量，從而直接降低廢棄物的產量，并有效縮短反應時間，提高實驗效率；測試材料開放化，在實驗設計上，提供多種無毒物質和低毒物質，讓學生自由選擇實驗材料，通過直觀的氣味、間接的廢棄物處理等形式，加深學生對于綠色環保的感受和理解，培養和提高對“綠水青山就是金山銀山”環保信念的認識；測量技術數字化，比如采用數字式測溫儀，取代含汞溫度計，采用數字式壓力測試儀，取代含汞壓力計。

3 串聯化改進

通過對實驗內容的細致分析，發現傳統的物理化學實驗體系呈現知識單一、缺乏關聯的局面。具體體現為，大部分實驗的原理知識單一化、片面化，沒有形成具有綜合、整體、連貫特點的串聯型大知識框架結構，不利于學生對照理論課程內容和知識進行整體理解和全面掌握。要突破這一困局，則需要精心挑選實驗內容，對實驗體系進行串聯化大改造，從而大力凸顯實驗內容的科學復合性和實驗方法的全面多樣性[6]。

相對于傳統的分散型實驗體系，串聯型實驗體系要將全書實驗內容進行模塊化分解，形成單一的知識點或研究方法。并根據院校的實際實驗條件，遴選具有一定相關性的多個知識點進行有機串聯，從而整合形成對學生具有全面培養作用的實驗內容。比如我們可以根據采購的便利性、物質的儲存性，從數量龐大的天然物質數據庫中，摘選某種無毒的固體物質，再以其為中心，從多方面設計相關的串聯實驗，將動力學、熱力學、催化過程、電化學等相關理論知識點進行緊密關聯，同時整合使用多種實驗手段和方法，從而促使實驗內容的知識框架和研究方法達到系統性、一體性的效果。以蔗糖為例，可以設計燃燒熱的測定，水解反應的速率常數測定，不同催化劑下水解反應的速率測定，微生物燃料電池設計等串聯創新實驗。

4 獨特化改進

作為中心科學的物理化學，藥學、環境、材料等專業和相關產業對其的有效需求，必然與化學化工專業存在一定的差異性。如果在設計實驗時，沒有考慮到專業差異性，那么千篇一律的實驗安排，將難以調動不同專業、不同學科學生的學習積極性，更會使其產生物理化學課程與自身專業毫無聯系的感官錯覺[7-8]。因此，在面向不同產業方向的實驗課程設計時，需要體現授課專業的特色及需求，增加設置專業關聯度高的實驗內容，融合產業需求，從而提高學生的學習關注力。比如在測量物質水解反應的動力學實驗中：藥學專業可以選擇阿司匹林、利多卡因等不同種類的藥物，建立相應藥物的水解動力學模型，加深對藥物結構與穩定性關系的理解；環境專業則可以選擇觀察氯胺、二氧化氯等消毒劑的水解過程，直接感受消毒劑的作用時長，強化對消毒劑使用條件的記憶。高分子專業可以考察聚乳酸等易于水解的高分子，幫助學生樹立高分子環保化的理念；新能源專業可以針對不同鋰離子電解液中的鋰鹽成分，進行水解反應測試，從而進一步加深對陰離子結構穩定性的認識。在專業匹配模式的指導下，對實驗內容和安排進行獨特化改進，將讓不同專業的學生對物理化學在本專業中的實際應用，有了更直接和深刻的體會，從而在源頭上有效激發出學習的原動力。另外，物理化學實驗內容和知識框架的改進應立足于學校的學科優勢與特色，才能做到課程的獨特化。例如我們立足于廣西民族大學的“民族性、區域性、國際性”研究特色，以及化學化工學院的優勢研究方向，對實驗內容進行了眾多獨特性調整。比如：溶液吸附法測定固體比表面積的實驗對象，從活性炭轉變為依托廣西豐富松香資源所合成的吸附樹脂，加深了學生對廣西豐富林業資源的認識。在線性電位掃描法測定金屬的極化曲線實驗中，鎳電極可以更換為錳電極等具有廣西特色的有色金屬材料。燃燒熱實驗的檢測對象，將從萘更新為產量位居全國第一的廣西蔗糖。黏度法測定水溶性高聚物相對分子量的實驗對象選用水溶性的長鏈淀粉材料。涉及商品化碳材料的實驗，則可以更換為使用廣西甘蔗渣熱解合成的新型碳材料。只有將實驗內容與地域獨特性、學科獨特性進行有機結合，精心整合，才能在保證實驗原理的教授和實驗現象的重現基礎上，進一步突出院校在科研優勢方面的獨特性。

5 創新化改進

受制于設備數量、空間大小和學時長短的限制，物理化學實驗難以實現內容開設全面覆蓋、學生操作全面參與。在這種情況下，學生的學習主觀能動性下降，實驗的操作動手能力鍛煉有限，難以發揮物理化學實驗教學的培養潛力[9-10]。積極將微課和虛擬仿真等創新化教學手段與課堂教學進行定向連接，有助于釋放學生探索的內動力。

一方面，物理化學實驗教學中應充分利用微課所具有的片段化、視覺化的特點。比如指導老師對實驗原理進行通盤考慮，對其中的核心知識點進行科學分解和再加工，然后將其錄制成時長不超過5 min的微課內容，并提前一周發送給學生，供其作為預習的輔助材料，將非常有利于學生克服膽小和畏難的心態，轉而積極投身預習的工作中。同理，將復雜的實驗操作過程合理拆分為分步步驟，然后將其錄制為多段微課，幫助學生提前了解儀器的正確操作步驟和實驗注意事項，對后續實際實驗過程中遇到的操作問題，也能有效推動其主動觀看，設法解決，從而切實提高實驗效率和動手操作的效果。另一方面，應加大虛擬仿真在物理化學實驗課程中的應用。虛擬仿真可以通過軟件的靈活設置，高精度還原實驗室的真實場景，并提供豐富多樣的儀器和藥品原料，可以供學生自由發揮想象力，靈活組合、連接和調變各種參數，從而激發學生的創新意識，切實提高在實驗課堂以外的動手能力。

6 結語

在建設現代產業學院的新要求下，物理化學實驗教學迫切需要進行新嘗試、新理念的改革。通過加大串聯型實驗內容的比例，結合專業和院校特色的內容獨特化改造。同時，將環保綠色的教育理念直接融入學生的學習體會，將微課和虛擬仿真與課堂教學深度融合，實現將環保化、串聯化、獨特化和創新化的“四化”新理念在實驗教學中有機注入，助力打造更適合現代產業學院培養體系的實驗課程。