高校物理化學(xué)實驗教學(xué)改革研究

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[摘要]高校實驗教學(xué)承擔(dān)著創(chuàng)新人才培養(yǎng)的重要任務(wù)，但在教學(xué)實踐中，普遍存在著實驗內(nèi)容單調(diào)、教學(xué)手段單一、實驗廢棄物排放過多等突出問題，亟待進(jìn)行改進(jìn)。隨著高校物理化學(xué)教學(xué)改革地深入推進(jìn)，高校物理化學(xué)實驗應(yīng)向綠色化、綜合化、特色化、科技化這四個方向改進(jìn)，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，突出專業(yè)特色，改進(jìn)教學(xué)方式，不斷提升高校物理化學(xué)實驗教學(xué)質(zhì)量和創(chuàng)新人才培養(yǎng)水平。

[關(guān)鍵詞]物理化學(xué)實驗；改革；綠色化；綜合化；特色化；科技化

高校物理化學(xué)實驗是一門重要的化學(xué)基礎(chǔ)學(xué)科，在鞏固加深物理化學(xué)理論課程中概念和理論的理解方面有著重要作用。中國海洋大學(xué)是一所具有海洋特色的綜合性學(xué)校，涉海學(xué)科一直是我校特色優(yōu)勢化學(xué)科，如何結(jié)合當(dāng)代藍(lán)色經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求，將海洋特色和各專業(yè)特色融入到目前實驗教學(xué)內(nèi)容當(dāng)中，豐富實驗內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，一直是我們實驗教學(xué)隊伍的研究內(nèi)容。我校物理化學(xué)實驗課程是一門理工學(xué)科的基礎(chǔ)科目，主要面向化學(xué)、化工、藥學(xué)、材料、生物、食品、環(huán)境等相關(guān)專業(yè)，學(xué)科覆蓋面廣、交叉滲透日益突出。但在實踐中發(fā)現(xiàn)，實驗教學(xué)內(nèi)容目前也普遍存在驗證性實驗偏多、設(shè)計性實驗少，以及實驗內(nèi)容缺乏靈活與創(chuàng)新、實驗試劑毒性大等問題。因此按照高校對創(chuàng)新人才培養(yǎng)的目標(biāo)要求，并考慮到學(xué)時少實際情況，有必要對物理化學(xué)實驗教學(xué)內(nèi)容和方法上進(jìn)行調(diào)整，將綠色化、綜合化、特色化和科技化理念注入目前物理化學(xué)實驗教學(xué)中，深化實驗教學(xué)內(nèi)容改革，此舉將有助于提升物理化學(xué)實驗教學(xué)質(zhì)量和創(chuàng)新人才的培養(yǎng)。

1物理化學(xué)實驗的綠色化改進(jìn)探索

開展“綠色化”物理化學(xué)實驗建設(shè)既是教學(xué)改革的重要內(nèi)容，也是新時代化學(xué)教學(xué)面臨的一個嶄新課題。長期以來在完成實驗教學(xué)任務(wù)的同時，我們普遍對實驗廢棄物的排放關(guān)注不夠，必須集中收集處理，或者經(jīng)過無害化處理才能排放。因此，對實驗內(nèi)容、實驗方法進(jìn)行改進(jìn)、實現(xiàn)綠色化物理化學(xué)實驗教學(xué)是養(yǎng)成學(xué)生良好實驗習(xí)慣，培養(yǎng)學(xué)生環(huán)保意識的重要途徑[1]。充分考慮化學(xué)試劑和實驗產(chǎn)物毒性的前提下，在實驗內(nèi)容方面，我們可以精選物理內(nèi)容，將含苯含汞的試劑替換掉。例如雙液系相圖實驗中用環(huán)己烷-乙醇體系來代替毒性大的苯-乙醇體系；燃燒熱測定實驗中，用肉桂酸、葡萄糖、自制固體酒精、蔗糖等物質(zhì)來代替萘[2-5]；在實驗方式上，開展半微量化實驗，減少藥品用量、降低廢棄物的排放，縮短實驗時間；在測量技術(shù)上，增加儀器現(xiàn)代化水平，用壓力傳感器代替U型管水銀壓力計、數(shù)字式精密溫度控制儀代替含汞的貝克曼溫度計[6]都是降低實驗室污染，實現(xiàn)綠色教學(xué)的有效方法。

2物理化學(xué)實驗的綜合化改進(jìn)探索

現(xiàn)在的物理化學(xué)實驗中多為驗證型實驗。驗證型實驗?zāi)軌驅(qū)⒄n本理論具象化，加深學(xué)生對現(xiàn)有抽象概念的認(rèn)知。但目前的實驗內(nèi)容相對獨立，沒有形成一個綜合的、整體的、連貫的知識體系。因此我們需要在驗證實驗的基礎(chǔ)上增加綜合性實驗項目來體現(xiàn)實驗內(nèi)容的復(fù)合性和實驗方法的多元性。綜合性實驗教學(xué)是針對傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式而提出的，將傳統(tǒng)的實驗內(nèi)容進(jìn)行模塊化整合，涉及多個知識點或研究方法，讓學(xué)生在現(xiàn)有的實驗條件下將不同的知識點集合在一起，達(dá)到全面、綜合的培養(yǎng)目的。通過貫通整個物化課程學(xué)習(xí)階段的綜合型實驗，使學(xué)生加深對物理化學(xué)基本原理和基本知識的理解和掌握。我們可以一種物質(zhì)為主線，在這種物質(zhì)的物理化學(xué)綜合實驗中把熱力學(xué)、動力學(xué)、統(tǒng)計熱力學(xué)和催化反應(yīng)等理論知識關(guān)聯(lián)起來，將多種實驗方法整合，系統(tǒng)化、一體化。例如，旋光法測蔗糖轉(zhuǎn)化反應(yīng)速率常數(shù)是動力學(xué)的一個經(jīng)典實驗。在原有基礎(chǔ)上我們可以啟發(fā)學(xué)生從簡單的測量表觀速率常數(shù)擴(kuò)展到研究溶液混合順序、催化劑濃度對催化速率的影響等方面[7]，從內(nèi)容和方法上豐富這個動力學(xué)實驗，培養(yǎng)學(xué)生獨立開展實驗的能力。此外蔗糖還可應(yīng)用在恒容量熱法燃燒熱的測定、冰點下降法測摩爾質(zhì)量[8]等實驗當(dāng)中。如此一來蔗糖在物理化學(xué)實驗中的使用既實現(xiàn)了實驗教學(xué)的綠色化發(fā)展，又能夠加強(qiáng)實驗的綜合性和探索性，還能讓學(xué)生形成一體化、連貫性的知識體系，培養(yǎng)學(xué)生綜合性實驗?zāi)芰Α?/p>

3物理化學(xué)實驗的特色化改進(jìn)探索

雖然物理化學(xué)是一門基礎(chǔ)學(xué)科，但食品、藥學(xué)專業(yè)對化學(xué)知識需求與化學(xué)專業(yè)是有差異的，千篇一律的經(jīng)典實驗不能充分調(diào)動起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，很多學(xué)生會產(chǎn)生一種所學(xué)內(nèi)容與自己專業(yè)無關(guān)的這種假象。因此在改革過程中，應(yīng)不斷創(chuàng)新、優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，結(jié)合專業(yè)特色突出教學(xué)重點。一方面，根據(jù)各專業(yè)特點與需求，選開或更新相應(yīng)實驗內(nèi)容。對食品和藥學(xué)專業(yè)開展的實驗中，我們可選用食品或藥學(xué)工業(yè)原材料與試劑，解決實際問題。例如針對藥學(xué)或制藥工程專業(yè)學(xué)生的實驗內(nèi)容，化學(xué)動力學(xué)部分實驗對象可以由原來的蔗糖水解調(diào)整為測定某種藥物分解速率及影響反應(yīng)的因素，進(jìn)而建立動力學(xué)模型。這樣既可以使學(xué)生感到物理化學(xué)實驗不僅僅是為物理化學(xué)課程開設(shè)，而是為提高本專業(yè)所需要的技能或?qū)嶒灱夹g(shù)開設(shè)，還能使學(xué)生切實感受到物理化學(xué)課程的重要性和實用性，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理化學(xué)的積極性[9]。第二方面，了解當(dāng)前科研及應(yīng)用領(lǐng)域的實驗熱點將科研難題剝離出來，化簡去繁，融入化學(xué)類基礎(chǔ)的實驗學(xué)習(xí)當(dāng)中。比如，我校物理化學(xué)教學(xué)團(tuán)隊在極化曲線的測定實驗中，將實驗內(nèi)容進(jìn)一步擴(kuò)充，結(jié)合電化學(xué)專業(yè)知識、海洋金屬材料防腐和海洋能源開發(fā)進(jìn)行特色教學(xué)相結(jié)合，既保證化學(xué)基礎(chǔ)知識的傳授，又強(qiáng)調(diào)了本校海洋專業(yè)特色，將實驗教學(xué)提升到具體科研實踐和技術(shù)開發(fā)過程[10]，全面提高了學(xué)生自主創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)。

4物理化學(xué)實驗的科技化改進(jìn)探索

強(qiáng)化基礎(chǔ)教育是本科教育的核心，具備了扎實的基礎(chǔ)才能有潛在的自我發(fā)展能力。寬廣的基礎(chǔ)知識需要基礎(chǔ)實驗來驗證和支撐，受設(shè)備資源、學(xué)習(xí)空間及學(xué)時限制，高校物理化學(xué)實驗開設(shè)情況不能完全實現(xiàn)系統(tǒng)性、全面性。如今信息技術(shù)與課程教學(xué)深度融合，大規(guī)模的在線教育實踐使課堂得以延伸，不再受空間的約束。雨課堂、Bb平臺，Classin平臺的應(yīng)用為防控疫情期間的正常教學(xué)提供了有力的保障[11]。上線線下混合式的教學(xué)加速了未來教育網(wǎng)絡(luò)常態(tài)化轉(zhuǎn)變。在教學(xué)方法上，通過充分利用多媒體教學(xué)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)資源等開展虛擬實驗教學(xué)，能夠彌補(bǔ)大型儀器設(shè)備學(xué)生不能親自動手、復(fù)雜實驗不能在短時間內(nèi)完成的局限。虛擬仿真實驗一般具有真實，交互，顯隱，廣用等幾個特點[12]。仿真實驗的軟件界面高度模擬真實實驗室場景，逼真豐富的實驗儀器設(shè)備和材料可供學(xué)生自己動手配置、連接、調(diào)節(jié)。軟件還包含自學(xué)、考核模式，可供學(xué)生自學(xué)及測試掌握實驗的程度，良好的人機(jī)交互性不僅消除對實驗儀器的陌生感還達(dá)到了提前預(yù)習(xí)的效果。虛擬仿真實驗還可供“觀察”宏觀和微觀世界，顯示溫度場、電場、磁場等隱性不可見部分，模擬極限壓力操作等真實系統(tǒng)中不允許或極難推進(jìn)等危險條件，很好地加深學(xué)生對實驗概念的感知和認(rèn)識程度，提升實驗教學(xué)質(zhì)量。

5小結(jié)

物理化學(xué)實驗教學(xué)改革是一項復(fù)雜的長期的任務(wù)，在實際教學(xué)中要靈活把握經(jīng)典與現(xiàn)代、基礎(chǔ)與前沿的關(guān)系[13]，加大綜合性實驗教學(xué)內(nèi)容的比例，有的放矢的改進(jìn)實驗內(nèi)容。與此同時，將綠色化學(xué)的教育理念融入實驗教學(xué)和管理中，將虛擬實驗教學(xué)作為實驗教學(xué)的工具與手段服務(wù)于本科實驗教學(xué)，提高教學(xué)效果，培養(yǎng)優(yōu)秀人才。

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作者：張巖 高先池 周立敏 單位：中國海洋大學(xué)