物理化學實驗教學引導式教學法應用

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[摘要]針對傳統物理化學實驗課程教學中的若干突出問題，本文以《電動勢法測pH和Ksp》實驗為例，闡述了問題引導式教學法在物理化學實驗教學中的應用。該方法充分彰顯實驗課程教學中學生的主體地位，顯著提升學生的參與感和積極性。引導學生思考、討論、總結實驗教學內容與化學相關學科知識及應用的內在聯系，深化實驗教學質量，有效促進相關學科知識的學習，為高質量人才的培養奠定基礎。

[關鍵詞]物理化學實驗；教學改革；引導式教學

物理化學實驗課程是化學、化工、藥學、醫學等相關專業的一門重要基礎課程，是物理化學理論體系不可或缺的組成部分，是一門綜合運用物理、化學和數學的原理、技術、方法、儀器的實踐課程，為化學相關領域的研究提供了基本的工具和方法[1]。2020年9月11日，習在科學家座談會上講到：“加強創新人才教育培養。要把教育擺在更加重要位置，全面提高教育質量，注重培養學生創新意識和創新能力。要加強數學、物理、化學、生物等基礎學科建設，鼓勵具備條件的高校積極設置基礎研究、交叉學科相關專業，加強基礎學科本科生培養……”。創新人才的培養是新時代高等教育的根本導向，“基礎課程”教學在高校創新教育中的重要地位無可替代。作為現行教學模式下主要載體，課堂教學的效率一直是教學改革的核心，如何在有限的課時內，充分調動學生主觀能動性，讓學生獲取更為全面嚴謹的邏輯、方法和知識，激發學生求知欲，培養創新意識，提高學生認識問題、分析問題、解決問題的能力，向課堂要效率，是廣大一線教育工作者永無止境的追求[2]。

1物理化學實驗課堂教學現存的兩個突出問題

1.1學生對物理化學理論知識的儲備及對化學相關知識的融會貫通能力不足物理化學理論體系自身抽象又嚴謹的特點，常給學生一種“概念多，公式多，應用條件多變等”刻板印象，學生對理論知識的深入理解普遍有待提升。另外，還有部分班級的物理化學實驗課，幾乎與物理化學理論課程、有機化學理論課程、分析化學理論課程等同期開課，會有未經學習相應理論知識而先進行實驗實踐的尷尬，造成學生對將要開展的物理化學實驗不知其所以然。鑒于此，學生在物理化學實驗前的預習環節常常差強人意，表現出“看過了”即為“預習過了”的無奈。在實驗過程中，常有“照虎畫貓”的現象，極大地降低了課堂教學的效果，背離高素質人才培養的初衷。另外，物理化學作為化學學科的理論支撐，它所提供的研究方法和實驗手段，是化學研究通行的基本策略，對化學相關的研究都有重要的參考意義。而作為教學課程，化學相關的各學科課程又是相對獨立的，學生在學習過程中，鮮有將物理化學實驗方法與解決眾多相關學科問題相關聯起來，這在化學學科相關人才的培養上應引起足夠的重視。

1.2教學方法相對單一，缺乏相關知識應用的縱橫聯系物理化學實驗傳統的教學方式包括：學生預習；教師講解；學生動手實驗采集實驗數據；提交實驗報告[3]。這種教學模式能夠確保在規定時間內完成教學任務，但學生學習效果卻有較大提升空間，很難滿足新時代高素質大學生培養的根本需求。在教師課堂講授部分中，教師往往依照指定教材所列順序：實驗原理-實驗內容-儀器使用規范-實驗注意問題-數據處理，進行逐一講授，與學生互動少，屬傳統課堂“灌輸式”教學，學生被動學習，主觀能動性無法得到彰顯。特別是實驗原理部分，有很多的公式推導和表達式的變形，蘊含著大量的學科信息，這使得，一方面，學生聽課的過程中無法與實驗內容實時聯系在一起，從而產生無所適從的感覺，另一方面，教師也很難面面俱到的把這些信息進行升華總結，不利于科學知識的縱橫聯結，使得物理化學實驗課程的教學效果大打折扣。

2引導式實驗教學方法初探

為了彌補前述問題的缺陷，本人結合多年教學實踐，以我校物理化學實驗中《電動勢法測pH和Ksp》[5]的教學為例，淺談下引導式教學方法的應用。《電動勢法測pH和Ksp》是經典的物理化學實驗教學內容之一，涵蓋了物理化學課程電化學章節中可逆電池、電動勢的測量、電極電勢、能斯特方程、電解質活度，以及化學平衡章節中平衡常數等重要內容。本實驗時長共4學時，其中指導教師的引導1學時，學生動手實驗記錄數據3學時。本文著眼于前1個學時，分為三個部分，整體設計如圖1所示。其中教師講解約20分鐘，教師引導下學生交流討論總結約占25分鐘。

2.1直接拋出擬解決的問題，分析問題本質，用時5分鐘本次實驗需要測量待測溶液的氫離子濃度指數pH值(式1)和難溶鹽AgCl的溶度積Ksp(式2)。式中ax表示化學物質x的活度，即“有效濃度”，根據溶液相關理論，活度可以濃度與活度系數γ的乘積表示，如式(3)所示。活度系數γ表征的是化學物質對其理想行為的偏離程度，對于理想溶液或稀溶液的溶質，γ=1。某溶質活度系數的大小受諸多因素影響，如溫度、溶劑性質、濃度等。活度系數的數值可由實驗測定或查閱標準數據手冊獲得。由此，實驗測量待測液pH值及難溶鹽溶度積Ksp，實際上對相關物質濃度的研究。

2.2引導式擴展教學內容，用時25分鐘引導學生思考、交流討論已學過、用過或見過的研究物質濃度的實驗方法。此部分是物理化學實驗課程教學中學生主體地位的重要體現，是引導式教學中較發散，需要指導教師靈活掌控的環節。指導教師應充分鼓勵和保護學生參與教學交流的意愿。學生交流討論內容的全面性和準確性是次要目標。根據學生交流討論內容，指導教師引導學生進行歸納總結，必要時加以補充。濃度的研究方法通常可分為化學法和物理法兩類。化學法是直接測量體系中物質濃度的實驗方法，如酸堿滴定、絡合滴定、氧化還原滴定、電導滴定、電位滴定等。該方法常需要通過驟冷，稀釋等手段處理后，使混合體系各組份相對含量保持不變，然后測定相應組份濃度；物理分析法是通過與濃度有關的物理量，如《二元液態混合物的氣-液平衡相圖》實驗中用到的折射率，《蔗糖轉化速率常數的測定》實驗中用到的旋光度，《乙酸乙酯皂化反應速率常數的測定中》用到的電導率，《大孔樹脂吸附動力學》實驗中用到的吸光度，以及本實驗用到的原電池電動勢等物理量的測量，間接得到相應物質濃度的信息。該方法不干擾被測量體系，可連續在線檢測，利于實驗數據的大批量自動采集，但局限性在于需要明確所測物理量與被研究體系物質濃度之間的具體的函數關系。本實驗采用測量電池電動勢的方法，引導學生復習波根多夫(Poggendorff)對消法測原電池電動勢的基本原理，并進一步引導學生討論、總結電池電動勢E的重要應用[5]，如可用于：(1)測量電化學反應摩爾吉布斯自由能變，摩爾熵變，摩爾焓變，電化學反應熱效應；(2)判斷化學反應進行的方向；(3)求化學反應的標準平衡常數，所有可以設計成可逆電池的化學反應的平衡常數均可由此法求得；(4)求難溶鹽溶度積；(5)測定溶液pH值；(6)測定電解質平均活度系數等。這部分內容涵蓋了物理化學理論課程中電化學章節教學的大部分重點內容，通過本次實驗教學，可有效幫助同學們梳理相應理論知識，在體現促進提高理論教學效果的同時，增強同學們對物理化學實驗手段強大功能的認知。

2.3回歸實驗教學內容，用時15分鐘在同學們討論結果的基礎之上，進一步夯實電池電動勢法在測量pH值和Ksp中的具體應用細節，如幾種常見的氫離子可逆電極：玻璃電極、標準氫電極和醌氫醌電極，鹽橋的使用及其注意事項，可逆電池的組裝等。此部分著重講解學生在實驗過程中易出錯的環節，宜簡化公式的推導與演算，避免大篇幅理論講解，盡可能呼應同學們討論中談到的相關理論問題。

3總結

本文針對傳統物理化學實驗課程中若干環節的突出問題，以《電動勢法測pH和Ksp》實驗為例，探索了問題引導式實驗教學的新思路。本實驗教學法中，一方面，充分彰顯了學生的主體地位，學生參與感、主動性和積極性得到顯著提升，有效規避“填鴨式”教學的弊端。在指導教師的引導下，同學們之間的充分交流、討論并歸納總結，從而對實驗內容有更加深刻的認識，提升了實驗教學效果。另一方面，本實驗教學法中，使得實驗教學“目的-方法-原理-實施”主線更加清晰，以點帶面，由單個實驗教學內容，引申眾多相關知識，啟發學生在今后學習過程中不斷總結歸納各知識之間的內在關聯，融會貫通，為高素質化學相關人才的培養打下堅實基礎。

參考文獻

[1]夏海濤．物理化學實驗(第二版)[M]．南京：南京大學出版社，2014．

[2]秦鸝，毛曉明，李慧，等．基于能力培養的物理化學綜合設計型實驗教學改革策略[J]．廣東化工，2020，47(15)：215-216．

[3]何田，胡自強，邊界，等．淺談物理化學實驗課程的教學改革[J]．廣東化工，2019，46(15)：206．

[4]徐開俊，胡芳，阮秀琴，等．物理化學實驗與指導(第二版)[M]．北京：中國醫藥科技出版社，2015．

[5]李三鳴，劉艷，紹偉，等．物理化學(第八版)[M]．北京：人民衛生出版社，2016．

作者：雷運濤 靳麗麗 單位：中國藥科大學