食品類專業“物理化學”實驗教學方法改革

摘要：根據食品科學與工程類專業的培養要求，結合物理化學實驗教學過程中存在的問題，對食品類專業物理化學實驗課程進行教學改革探討。改變了傳統的實驗教學方法，搭建了物理化學仿真教學實驗平臺，增強了學生學習的主動性，提升了學生的實驗效率和質量，培養了學生的創新意識和能力，收到了良好的教學效果。

關鍵詞：物理化學；實驗教學；教學改革

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A DOI：10.16465/j.gste.cn431252ts.20240317

基金項目：食品科學與工程國家一流專業建設點項目；糧食工程江蘇省特色專業建設項目；南京財經大學校級教學改革課題（JGY1847）。

Exploration on experimental teaching methods reform of physical chemistry for food specialty

Tai Jia， Peng Dongmei

（ School of Food Science and Engineering / Collaborative Innovation Center for Modern Grain Circulation and Safety / Key Laboratory of Grains and Oils Quality Control and Processing， Nanjing University of Finance and Economics， Nanjing， Jiangsu 210023 ）

Abstract： Physical chemistry experiment course，as an important part of the whole experiment teaching course，is the bridge that connecting the theory and practice of physical chemistry and an important way for cultivating the practical ability and innovation ability of students. According to the training requirements of food science and engineering specialty， combined with the main problems existing in physical chemistry experiments， and to explor food specialized physical chemistry experiments teaching. the traditional experimental teaching methods was changed，the simulation platform of physical chemistry experimental teaching was established. Through these measures， the learning go-aheadism was reinforced， and the efficiency and quality of experiment were enhanced of the students. The innovative consciousness， the innovative ability were cultivated， and good teaching effectiveness was got.

Key words： physical chemistry； experimental teaching； teaching reform

食品科學與工程類專業是以食品科學和工程學科為基礎，培養學生具有數學、自然科學、計算機與信息、機械工程基礎與食品專業知識，具有食品科學與工程的研究能力和創新能力，研究食品的營養健康、食品的加工貯藏、工藝設計與生產制造、質量與安全控制、食品的物流與消費等科學與工程問題，具有理工結合、多學科交叉的特點，應用型與綜合性強[1-3]。

南京財經大學食品科學與工程學院具有60多年的辦學歷史，是學校重點建設的優勢學院，辦學實力雄厚。學院現擁有食品科學與工程一級碩士學位授權點、生物與醫藥專業碩士授權點，設有食品科學與工程、食品質量與安全、糧食工程3個本科專業。其中食品科學與工程入選國家一流專業建設點、國家特色專業、江蘇省品牌專業、江蘇省產教融合品牌專業，食品質量與安全是江蘇省高等學校重點專業，糧食工程是江蘇省特色專業、江蘇省一流專業建設點。近年來，為不斷適應學科發展和社會需要，學院以培養具有扎實自然科學基礎知識和學科基礎理論、專業知識和實踐技能，具有較高人文社會科學素養、創新意識和國際視野，德智體美勞全面發展的，兼具化學、生物、經濟、管理和法律素養等復合知識結構的復合創新應用型專業技術人才為目標，為用人單位輸送了大量優秀人才，在社會上取得了良好的口碑[4-5]。

作為食品科學與工程類專業的重要學科基礎課，物理化學實驗課程是培養本專業人才整體知識結構及能力結構的重要組成部分[6-7]。這門基礎實驗課程的教學目的是使學生熟悉物理化學的研究方法，了解學科的研究現狀及未來發展方向[8]；培養學生基本的實操技能，掌握一般實驗儀器的使用方法，鍛煉學生用心仔細觀察實驗現象、及時正確做好實驗記錄、分析處理實驗數據的能力[9]；深化對無機與分析化學、有機化學、大學物理等已學課程基礎知識的理解與運用，最終達到提高發現問題、分析問題和解決問題等綜合能力的目的[10]。

1 物理化學實驗課程現狀及存在問題分析

1.1 實驗教學內容不能彰顯學科特色

作為一門基礎實驗課程，本著適用于一般理工科專業的宗旨，物理化學經典實驗項目往往通用性和實用性較強，但與食品科學與工程類專業的契合度較低。主要有以下幾點原因：① 經典物理化學實驗的開設沒有彰顯出專業特色。若不結合專業自身的培養模式進行精選，而是毫無變通地直接服務于食品科學與工程類專業的教學工作，會使學生缺乏專業歸屬感和認同感，覺得學而無用。② 那些經典科學實驗跟不上這個科學技術突飛猛進的時代的腳步。各種不同版本的物理化學實驗教材中的實驗項目大同小異，整個實驗框架多年來并無顯著改變，尤其是那些經典實驗更是鮮有變化，這對于近些年來蓬勃發展的食品科學與工程類專業來說利用價值較低，學生也會逐漸喪失對物理化學實驗課程的學習熱情。為滿足食品科學與工程這門學科飛速發展的需求，這類專業的物理化學實驗必須在原有的經典實驗的基礎上進行大刀闊斧的改革，為食品科學與工程類專業的物理化學實驗課程帶來新的生機。③ 對于食品科學與工程類專業來說，經典實驗的缺點明顯，主要表現在缺乏靈活性與創新性方面。所以食品科學與工程類專業的物理化學實驗必須在經典物理化學實驗的基礎上，與自身學科互相融會貫通。

1.2 實驗作用不能進一步升華

物理化學實驗課程的實驗安排完全是參照其理論體系，是驗證和深化理論知識的內容，在具體的設置上要盡量與理論課程內容保持同步。因此，物理化學實驗課程也就成為了物理化學理論課程進一步的補充說明，而該實驗本身所包含的內容和蘊含的規律卻沒有受到應有的重視，其教學效果也就難以得到升華。學生對于該實驗的理解與探究，也就只是停留在對于理論知識的實踐性理解范疇，沒有更多的發散式思維，學習能動性得不到提高。

1.3 實驗質量得不到保證

物理化學實驗因其獨特的課程特點而區別于其他基礎化學實驗，它的大多數實驗都要在光學、電學、磁力學等儀器的幫助下完成。這些實驗儀器結構非常復雜，操作也較為繁瑣，縱使學生提前認真預習，提前觀看實驗儀器的介紹視頻，也只能做到對實驗基本理論進行熟悉，而不能充分了解并掌握實驗儀器的正確使用方法，無法達到實驗前的預習要求，致使不少學生在實驗過程中，操作失誤較多，嚴重影響實驗進度。

1.4 實驗教學場地、儀器數量與學生數量之間存在矛盾

作為一門專業基礎課，物理化學實驗對南京財經大學食品科學與工程學院食品科學與工程、食品質量與安全、糧食工程3個本科專業的所有學生開設。在實驗教學過程中，由于學生數量與實驗場地大小以及實驗儀器數量之間存在著嚴重的供需矛盾，致使學生只能以小組為單位，而且是3～4個同學一組，在限定的時間做規定的實驗，不是每個學生都有親手操作儀器的意愿，往往是學習拔尖、善于動手的同學上手，小組其他成員則是走馬觀花，成了“南郭先生”，大多數學生的動手能力未能得到有效鍛煉，達不到預期的實驗效果。

1.5 實驗儀器設備更新難

既然物理化學是用物理學的方法來研究化學問題的一門科學，那么物理化學實驗就需要能測量各種物理量的儀器設備來為化學服務。物理化學實驗對儀器設備的要求較高，沒有性能穩定的儀器設備，物理化學實驗很難正常進行，這有別于無機、有機和分析化學實驗。由于物理化學實驗儀器設備的要求高，投資高，使得實驗儀器的更新很難。一旦儀器長時間未能更新，就會造成儀器內部元件模塊老化，再加上學生的莽撞或錯誤操作，整個實驗環節儀器問題頻出，嚴重影響實驗進度的現象屢見不鮮。

2 物理化學實驗課程教學改革方法

2.1 結合授課對象專業實際開設實驗

作為一門專業基礎課，南京財經大學食品科學與工程學院食品科學與工程、食品質量與安全、糧食工程3個本科專業均開設了“物理化學”課程。該課程中的飽和蒸汽壓、燃燒熱、水解反應、皂化反應、電導率、電動勢、吸附作用和表面張力等知識點與以上3個專業均息息相關。為使物理化學實驗課程的開設有的放矢，緊密貼合專業實際，在借鑒和采用經典物理化學實驗的同時，對實驗內容進行了適當變動。對物理化學實驗教學大綱中的十幾個實驗重新進行篩選，確定了液體飽和蒸汽壓的測定、燃燒熱的測定、揮發性雙液系T-X圖的繪制、蔗糖水解反應速率常數的測定、乙酸乙酯皂化反應速率常數的測定、電導的測定及其應用、電動勢法測定化學反應的熱力學函數、溶液中的吸附作用和表面張力的測定等與專業緊密相關的8個實驗。然后對所選實驗的各個細節作進一步優化。例如將燃燒熱的測定實驗中的常用燃燒對象萘改為食品防腐劑苯甲酸，使得實驗內容的更改與專業實際緊密貼合，增強了學生的專業認同感，激發了學生對實驗內容及相關理論知識的學習興趣。

2.2 豐富教學手段，確保實驗質量

為確保實驗教學質量，讓學生通過所開設的實驗掌握較多的知識和技能，采用以下方法：① 精心設計授課環節，在課堂上給學生全面講解實驗目的、原理、現象、步驟、操作要點、注意事項、誤差原因等，不漏掉任何一個知識點；② 規范實驗報告的填寫，強調數據記錄與處理、結果分析與討論等，同時推薦并介紹作圖軟件 Origin 的使用方法，幫助學生提高數據處理能力和作圖水平；③ 不僅讓學生學到實驗項目應掌握的知識，還介紹所開設實驗對后續課程學習及對從事食品專業的意義；④ 在實驗前詳細講解影響實驗結果準確性的因素及優化措施，解釋實驗現象，并介紹一些分析測試儀器，以開闊學生視野；⑤ 在實驗課堂上嚴肅紀律、規范操作、勤查細糾；⑥ 嚴格要求并認真批閱預習報告與實驗報告，對存在的問題及時予以解答和糾正。通過以上種種措施，切實提高學生的規范化實驗操作技能及動手能力。

2.3 構建物理化學仿真教學實驗平臺

構建物理化學仿真教學實驗平臺，打造虛擬教學實驗環境，使學生通過人機交互完成一個教學實驗過程的各個環節。每一個仿真實驗項目包含實驗原理、儀器簡介、三維仿真、虛擬考核、數據處理和思考題。學生在上課之前可以通過仿真實驗來學習實驗原理、熟悉實驗儀器。通過三維仿真來練習實驗操作。三維仿真通過三維圖像來模擬實驗過程，右邊菜單是實驗用到的儀器和試劑，中間是實驗操作部分，下邊有文字提示每一步操作。學生可以在文字的提示下完成整個實驗過程。實驗操作完成后，學生可以進行虛擬考核，檢查自己對操作的掌握程度。虛擬考核成績可以作為學生實驗考核成績的一部分。幫助學生更好地預習實驗，有助于提高課堂效率和教學效果。

2.4 優化實驗教學分組

為響應國家的擴招政策，近幾年來南京財經大學食品科學與工程學院各專業的招生人數都有大幅提升，作為食品科學與工程類專業的重要學科基礎課，物理化學實驗課勢必會受到較大影響。受實驗場地和實驗儀器數量的制約，如果還是按照以往的實驗方案，每個實驗小組的學生數量將會從原來的2位變成3～4位，這就造成了那些缺乏實驗興趣，沒有親手操作儀器意愿的小組成員在整個實驗過程中走馬觀花，等著最后與別人共享實驗結果與數據，這種學生的動手能力未能得到有效鍛煉，達不到預期的實驗效果。所以要保證教學質量，就必須最多2名學生共用一臺儀器，大家通過分工協作來完成實驗。改進方法拉長了實驗間隔，延長了實驗時間，將原來的2個實驗合并在一起開設。每個班級先分成2個大組，分別做2個不同的實驗，進入對應的實驗場地后，再進行每個實驗小組的細分，這樣就可以確保每臺實驗儀器不超過2名同學。2個大組同學均做完各自的實驗之后，再進行實驗交換。

2.5 做好實驗儀器的日常保養工作

既然物理化學實驗儀器不能及時更新，那就要在平時做好實驗儀器的養護工作。總結實驗過程中儀器容易出現的問題，并分析其產生原因。例如燃燒熱的測定實驗中點火設備的連線很容易被學生不小心拔斷，需要準備好小型電焊槍及時焊接；氧彈中的墊圈老化后容易漏氣，造成氧彈中的藥片未完全燃燒，要準備好墊圈配件及時更換；液體飽和蒸汽壓的測定實驗中壓強測試儀器的部件一旦老化，讀數就會難以穩定，造成很大誤差，要及時備好部件；循環真空泵的真空管一旦老化，會大大降低真空泵的輸出功率，要及時做好排查。在實驗儀器日常維護方面要化被動為主動，跟儀器生產商和修理商做好溝通，學習基本的儀器構造和保養知識，掌握實驗儀器常見問題的解決方法，準備好充足的備用儀器和儀器備件，做到小問題自己解決，這樣可以節省大量時間，不會造成實驗教學進度受到很大影響。

3 結 語

物理化學實驗課程是培養食品科學與工程類專業人才整體知識結構及能力結構的重要組成部分。根據食品科學與工程類專業的培養要求，結合物理化學實驗教學過程中存在的一些問題，本文對食品類專業物理化學實驗課程的教學方法進行改革和探討，以期提高專業教學質量和學生實踐技能，培養高素質的科創人才。

參 考 文 獻

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