環(huán)保創(chuàng)新下物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)淺析

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摘要：為滿足新時(shí)期培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的需要，從更新實(shí)驗(yàn)設(shè)備、優(yōu)化與整合實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、健全和完善課程考核方式等方面對(duì)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了基于科研創(chuàng)新、環(huán)境保護(hù)為目標(biāo)的教學(xué)改革實(shí)踐。教學(xué)改革不僅提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，還增強(qiáng)了學(xué)生的自主創(chuàng)新能力和環(huán)保意識(shí)，促進(jìn)了創(chuàng)新綜合型人才的培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)；教學(xué)改革；創(chuàng)新能力；環(huán)保意識(shí)

物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)是一門集理論性、實(shí)踐性和研究性于一體的綜合性課程，需要綜合運(yùn)用化學(xué)理論方法和技術(shù)、物理儀器、數(shù)學(xué)運(yùn)算工具[1]，在高校化工、應(yīng)化、制藥、材料、生命、環(huán)境等專業(yè)的人才培養(yǎng)中占有重要的地位。其自身具有理論性強(qiáng)、儀器設(shè)備多、涉及知識(shí)面廣等特點(diǎn)[2]。物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)的培養(yǎng)目標(biāo)注重提升學(xué)生動(dòng)手實(shí)驗(yàn)的綜合能力，強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)教學(xué)、科研鍛煉以及實(shí)際生產(chǎn)相結(jié)合，旨在培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的邏輯思維、創(chuàng)新能力和實(shí)驗(yàn)技能。然而，當(dāng)前普通高校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)難以充分反映學(xué)科發(fā)展前沿和科學(xué)研究動(dòng)向，不能滿足新時(shí)期新形勢(shì)下培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的需要[3,4]。

1物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問題

以黃山學(xué)院為例，物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)主要教學(xué)問題有：（1）理論為主、實(shí)驗(yàn)為輔，實(shí)驗(yàn)教學(xué)只是驗(yàn)證一些基礎(chǔ)的物理化學(xué)知識(shí)，缺乏對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的優(yōu)化、整合與設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)尚不能反映學(xué)科發(fā)展前沿和研究最新動(dòng)向，不能體現(xiàn)學(xué)科在創(chuàng)新型人才培養(yǎng)中的重要性[5]；另一方面，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容也沒有考慮專業(yè)特色，不具有專業(yè)針對(duì)性。（2）實(shí)驗(yàn)教學(xué)與實(shí)際應(yīng)用及能力培養(yǎng)脫節(jié)，實(shí)用性不強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，實(shí)驗(yàn)教師通常強(qiáng)調(diào)儀器的原理、使用和維護(hù)，重點(diǎn)講解實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)和數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)，確保讓學(xué)生能夠按部就班地順利完成實(shí)驗(yàn)。如此教學(xué)的明顯后果就是實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和操作過程重復(fù)不變，教學(xué)模式單一，實(shí)驗(yàn)結(jié)果和實(shí)驗(yàn)報(bào)告嚴(yán)重教條化[6]。雖然這些教學(xué)方法也能鍛煉學(xué)生的實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力，但也嚴(yán)重抑制了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣，束縛了學(xué)生的主動(dòng)性和創(chuàng)造力。另外，在問題提出、探究以及結(jié)果分析方面趨于形式僵化和流程固化，缺少可變因素和過程變量，實(shí)用性和針對(duì)性不強(qiáng)，實(shí)踐過程中當(dāng)學(xué)生遇到未知情況時(shí)手足無措[7]。針對(duì)上述問題，結(jié)合學(xué)校實(shí)際情況和人才培養(yǎng)目標(biāo)以及作者近年來在物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)和科研工作方面的經(jīng)驗(yàn)，本文從更新實(shí)驗(yàn)設(shè)備、優(yōu)化與整合實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、健全和完善課程考核方式等方面，對(duì)課程進(jìn)行改革實(shí)踐，以提升教學(xué)質(zhì)量，進(jìn)一步發(fā)揮課程在培養(yǎng)具有環(huán)保意識(shí)、創(chuàng)新思維和科研型綜合人才方面發(fā)揮的重要作用[8,9]。

2物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探索

2.1設(shè)備升級(jí)更新

物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)是我校化學(xué)相關(guān)專業(yè)的基礎(chǔ)課程，包括應(yīng)用化學(xué)、材料科學(xué)與工程、化學(xué)工程與工藝、環(huán)境科學(xué)、制藥工程等。因此，實(shí)驗(yàn)課程工作量大，儀器設(shè)備利用率高，設(shè)備老化、部分損壞嚴(yán)重。鑒于此，學(xué)校及時(shí)更新了大部分實(shí)驗(yàn)設(shè)備，包括液體飽和蒸氣壓的測(cè)定、低共熔點(diǎn)金屬相圖的繪制、揮發(fā)性雙液系T-X相圖的繪制、液體表面張力的測(cè)定、蔗糖水解反應(yīng)速率常數(shù)的測(cè)定及希托夫法測(cè)定離子遷移數(shù)等實(shí)驗(yàn)的設(shè)備。如沸點(diǎn)儀和表面張力儀更新后，節(jié)省了化學(xué)試劑，減小試劑揮發(fā)造成的環(huán)境危害。另外，通過新舊儀器的對(duì)比使用和總結(jié)，探究實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的不確定性和過程影響因素，開展多因素、復(fù)雜條件下的探究實(shí)驗(yàn)。這樣既拓展了學(xué)生的知識(shí)面，打開新視角，又能培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維。

2.2內(nèi)容整合與優(yōu)化

2.2.1驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。我校開設(shè)的經(jīng)典驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)有：液體飽和蒸氣壓的測(cè)定，溶液的吸附作用和表面張力的測(cè)定，揮發(fā)性雙液系相圖的繪制等。最具代表性的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容是測(cè)定環(huán)己烷的飽和蒸氣壓和正丁醇溶液的表面張力。但是環(huán)己烷難聞且易揮發(fā)，正丁醇讓人反胃，長(zhǎng)時(shí)間實(shí)驗(yàn)造成整個(gè)實(shí)驗(yàn)室都有刺鼻的味道，實(shí)驗(yàn)環(huán)境不好，也帶來健康隱患。經(jīng)物理化學(xué)課題組教師分析、討論及實(shí)驗(yàn)論證后，決定采用無水乙醇取代環(huán)己烷和正丁醇。在保證實(shí)驗(yàn)精度的前提下，即解決了實(shí)驗(yàn)味道難聞的問題，又符合綠色化學(xué)原則，減少了對(duì)教師和學(xué)生的身體健康的危害。對(duì)于揮發(fā)性雙液系相圖的繪制，采用改進(jìn)后的半微量沸點(diǎn)儀，極大地減少了試劑的用量；并且采用試劑回收，循環(huán)利用的方式，實(shí)現(xiàn)了節(jié)約試劑、避免浪費(fèi)和保護(hù)環(huán)境的目的；通過新教學(xué)方法和模式，將綠色環(huán)保理念和創(chuàng)新思維逐步根植于學(xué)生的腦海里。2.2.2綜合實(shí)驗(yàn)。綜合實(shí)驗(yàn)是在經(jīng)典驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合專業(yè)和實(shí)際應(yīng)用特點(diǎn)。通常將兩個(gè)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)整合在一起，旨在培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)的能力，做到舉一反三、觸類旁通。例如，原電池電動(dòng)勢(shì)的測(cè)定實(shí)驗(yàn)比較簡(jiǎn)單，改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)要求同時(shí)測(cè)定電動(dòng)勢(shì)和原電池溫度系數(shù)。這樣，在原有實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備的基礎(chǔ)上，還必須配套和搭建變溫實(shí)驗(yàn)裝置，增加實(shí)驗(yàn)過程變量；不僅培養(yǎng)了學(xué)生的實(shí)踐設(shè)計(jì)和科研創(chuàng)新能力，也加深了學(xué)生對(duì)電化學(xué)熱力學(xué)的理解。界面化學(xué)中通過測(cè)定液體表面張力來計(jì)算單分子橫截面面積。在綜合實(shí)驗(yàn)中，采用最大氣泡法和鉑片法分別測(cè)定不同濃度的乙醇、甘油和正丁醇溶液，綜合比較實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析討論兩套實(shí)驗(yàn)和兩種方法的優(yōu)缺點(diǎn)。在儀器和試劑的選擇上給學(xué)生更大主動(dòng)權(quán)，不斷增加課程的實(shí)用性，極大地提高了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)積極性和探究性學(xué)習(xí)的興趣。2.2.3設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。在老師的指導(dǎo)和條件允許的情況下，要求學(xué)生從設(shè)計(jì)方案，選擇儀器、設(shè)備和試劑，實(shí)驗(yàn)操作步驟及撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告等環(huán)節(jié)均由學(xué)生獨(dú)自完成。教師需提前1周給出待選的實(shí)驗(yàn)題目，備齊實(shí)驗(yàn)儀器和試劑，明確具體要求，然后由學(xué)生查閱文獻(xiàn)資料、獨(dú)立設(shè)計(jì)方案，單獨(dú)開展實(shí)驗(yàn)；允許學(xué)生自由發(fā)揮，以此鍛煉學(xué)生的知識(shí)綜合運(yùn)用能力和提高其創(chuàng)新思維。開設(shè)的實(shí)驗(yàn)有：希托夫法測(cè)定離子遷移數(shù)、表面活性劑對(duì)蔗糖水解準(zhǔn)一級(jí)反應(yīng)速率的影響等。

2.3課程考核方式改革

在以往的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中發(fā)現(xiàn)部分同學(xué)只是機(jī)械地做實(shí)驗(yàn)，毫不在意為什么去做，怎么做才能使得到的結(jié)論更準(zhǔn)確。鑒于此，實(shí)驗(yàn)前要求學(xué)生認(rèn)真學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)講義、熟悉實(shí)驗(yàn)相關(guān)的原理和知識(shí)背景，能夠熟練使用儀器設(shè)備，可以排除實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)的一般性故障[9]。實(shí)驗(yàn)課上，教師以現(xiàn)場(chǎng)提問的方式考察學(xué)生實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)效果，并增加課程總評(píng)成績(jī)中考察、提問環(huán)節(jié)所占的比例。對(duì)于回答有誤，甚至不明所以、答非所問的同學(xué)給低分或零分，讓他們感知有不及格的可能。只有拿起考核的法寶，讓學(xué)生有了重修風(fēng)險(xiǎn)和憂患意識(shí)時(shí)，他們才會(huì)更加重視課前預(yù)習(xí)，提高學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性。2.3.1注重?cái)?shù)據(jù)記錄和實(shí)驗(yàn)操作。實(shí)驗(yàn)教學(xué)要注重培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)態(tài)度和實(shí)驗(yàn)操作能力。物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)主要涉及到各種儀器設(shè)備的使用，如恒溫槽、超級(jí)恒溫水浴、分光光度計(jì)、電遷移數(shù)裝置、旋光儀、阿貝折射儀、電導(dǎo)率儀，沸點(diǎn)儀、電泳等實(shí)驗(yàn)裝置[10]。教師要嚴(yán)格把關(guān)儀器、設(shè)備操作規(guī)范，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并糾正不當(dāng)操作。要求學(xué)生認(rèn)真觀察現(xiàn)象和如實(shí)記錄數(shù)據(jù)，確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性和準(zhǔn)確性，并在實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)簽字確認(rèn)。通過過程考核的方式，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)事求是、科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)風(fēng)。2.3.2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理手段的現(xiàn)代化。為了培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)和撰寫本科畢業(yè)論文的能力，借助微信、QQ或釘釘通訊軟件，在線培訓(xùn)Origin和Excel辦公軟件使用方法和技巧，并統(tǒng)一要求采用列表、繪圖的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。經(jīng)過科學(xué)、合理的數(shù)據(jù)分析和處理，探討可能的影響因素，查找誤差產(chǎn)生原因，盡量減少實(shí)驗(yàn)誤差。為防止學(xué)生套用和打印他人數(shù)據(jù)，進(jìn)行嚴(yán)格分組管理；打印出的數(shù)據(jù)要注明同組人員的姓名和分工情況，附上原始數(shù)據(jù)；并事前聲明數(shù)據(jù)不實(shí)、不相符者，將認(rèn)定實(shí)驗(yàn)成績(jī)不及格。2.3.3建全和完善考核辦法。以往考核辦法中實(shí)驗(yàn)報(bào)告成績(jī)所占比值過大，容易導(dǎo)致學(xué)生做實(shí)驗(yàn)時(shí)敷衍了事，實(shí)際實(shí)驗(yàn)操作不夠認(rèn)真、仔細(xì)；實(shí)驗(yàn)流程混亂不清，僅僅注重實(shí)驗(yàn)報(bào)告的規(guī)整和書寫認(rèn)真方面，甚至有抄襲現(xiàn)象；無法突出學(xué)生的實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力和數(shù)據(jù)分析處理水平。針對(duì)這類問題，物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)組教師提議完善考核辦法，將成績(jī)考核改革為：學(xué)期總成績(jī)=參與性成績(jī)×30%+過程性成績(jī)×40%+課終成績(jī)×30%。參與成績(jī)=預(yù)習(xí)成績(jī)×50%+課堂提問×50%，參與成績(jī)包括基本實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵蟆⒃砗筒襟E、思考題以及實(shí)驗(yàn)室安全知識(shí)和注意事項(xiàng)。過程性成績(jī)包括實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)培養(yǎng)達(dá)成度(10％)、實(shí)驗(yàn)流程和操作(30％)、實(shí)驗(yàn)室安全和衛(wèi)生(10％)、實(shí)驗(yàn)報(bào)告中實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象觀察、記錄和數(shù)據(jù)處理、制表和繪圖(30％)、結(jié)果分析與討論(20％)。期末成績(jī)包括實(shí)驗(yàn)期末知識(shí)測(cè)試(50％)和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的操作成績(jī)(50％)兩部分。設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)操作采用隨機(jī)抽取已做過的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，期末知識(shí)測(cè)試內(nèi)容主要包括基本原理、實(shí)驗(yàn)要點(diǎn)和思考題、實(shí)驗(yàn)室安全知識(shí)和注意事項(xiàng)等。教師根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的難度、實(shí)驗(yàn)操作的規(guī)范、問題的分析、討論和總結(jié)情況，給予合理的分?jǐn)?shù)。只有這樣才能鼓勵(lì)學(xué)生大膽嘗試、勇于創(chuàng)新，提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)教學(xué)的興趣，進(jìn)而達(dá)到開拓學(xué)生視野，提升其綜合能力的培養(yǎng)目標(biāo)。

作者:常貫儒 單位:黃山學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院