物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)引導(dǎo)式教學(xué)法應(yīng)用

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[摘要]針對(duì)傳統(tǒng)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)中的若干突出問(wèn)題，本文以《電動(dòng)勢(shì)法測(cè)pH和Ksp》實(shí)驗(yàn)為例，闡述了問(wèn)題引導(dǎo)式教學(xué)法在物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用。該方法充分彰顯實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)中學(xué)生的主體地位，顯著提升學(xué)生的參與感和積極性。引導(dǎo)學(xué)生思考、討論、總結(jié)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容與化學(xué)相關(guān)學(xué)科知識(shí)及應(yīng)用的內(nèi)在聯(lián)系，深化實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，有效促進(jìn)相關(guān)學(xué)科知識(shí)的學(xué)習(xí)，為高質(zhì)量人才的培養(yǎng)奠定基礎(chǔ)。

[關(guān)鍵詞]物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)；教學(xué)改革；引導(dǎo)式教學(xué)

物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程是化學(xué)、化工、藥學(xué)、醫(yī)學(xué)等相關(guān)專業(yè)的一門重要基礎(chǔ)課程，是物理化學(xué)理論體系不可或缺的組成部分，是一門綜合運(yùn)用物理、化學(xué)和數(shù)學(xué)的原理、技術(shù)、方法、儀器的實(shí)踐課程，為化學(xué)相關(guān)領(lǐng)域的研究提供了基本的工具和方法[1]。2020年9月11日，習(xí)在科學(xué)家座談會(huì)上講到：“加強(qiáng)創(chuàng)新人才教育培養(yǎng)。要把教育擺在更加重要位置，全面提高教育質(zhì)量，注重培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力。要加強(qiáng)數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、生物等基礎(chǔ)學(xué)科建設(shè)，鼓勵(lì)具備條件的高校積極設(shè)置基礎(chǔ)研究、交叉學(xué)科相關(guān)專業(yè)，加強(qiáng)基礎(chǔ)學(xué)科本科生培養(yǎng)……”。創(chuàng)新人才的培養(yǎng)是新時(shí)代高等教育的根本導(dǎo)向，“基礎(chǔ)課程”教學(xué)在高校創(chuàng)新教育中的重要地位無(wú)可替代。作為現(xiàn)行教學(xué)模式下主要載體，課堂教學(xué)的效率一直是教學(xué)改革的核心，如何在有限的課時(shí)內(nèi)，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生主觀能動(dòng)性，讓學(xué)生獲取更為全面嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿嫛⒎椒ê椭R(shí)，激發(fā)學(xué)生求知欲，培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)，提高學(xué)生認(rèn)識(shí)問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，向課堂要效率，是廣大一線教育工作者永無(wú)止境的追求[2]。

1物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)現(xiàn)存的兩個(gè)突出問(wèn)題

1.1學(xué)生對(duì)物理化學(xué)理論知識(shí)的儲(chǔ)備及對(duì)化學(xué)相關(guān)知識(shí)的融會(huì)貫通能力不足物理化學(xué)理論體系自身抽象又嚴(yán)謹(jǐn)?shù)奶攸c(diǎn)，常給學(xué)生一種“概念多，公式多，應(yīng)用條件多變等”刻板印象，學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的深入理解普遍有待提升。另外，還有部分班級(jí)的物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)課，幾乎與物理化學(xué)理論課程、有機(jī)化學(xué)理論課程、分析化學(xué)理論課程等同期開課，會(huì)有未經(jīng)學(xué)習(xí)相應(yīng)理論知識(shí)而先進(jìn)行實(shí)驗(yàn)實(shí)踐的尷尬，造成學(xué)生對(duì)將要開展的物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)不知其所以然。鑒于此，學(xué)生在物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)前的預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)常常差強(qiáng)人意，表現(xiàn)出“看過(guò)了”即為“預(yù)習(xí)過(guò)了”的無(wú)奈。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，常有“照虎畫貓”的現(xiàn)象，極大地降低了課堂教學(xué)的效果，背離高素質(zhì)人才培養(yǎng)的初衷。另外，物理化學(xué)作為化學(xué)學(xué)科的理論支撐，它所提供的研究方法和實(shí)驗(yàn)手段，是化學(xué)研究通行的基本策略，對(duì)化學(xué)相關(guān)的研究都有重要的參考意義。而作為教學(xué)課程，化學(xué)相關(guān)的各學(xué)科課程又是相對(duì)獨(dú)立的，學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中，鮮有將物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)方法與解決眾多相關(guān)學(xué)科問(wèn)題相關(guān)聯(lián)起來(lái)，這在化學(xué)學(xué)科相關(guān)人才的培養(yǎng)上應(yīng)引起足夠的重視。

1.2教學(xué)方法相對(duì)單一，缺乏相關(guān)知識(shí)應(yīng)用的縱橫聯(lián)系物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)傳統(tǒng)的教學(xué)方式包括：學(xué)生預(yù)習(xí)；教師講解；學(xué)生動(dòng)手實(shí)驗(yàn)采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告[3]。這種教學(xué)模式能夠確保在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成教學(xué)任務(wù)，但學(xué)生學(xué)習(xí)效果卻有較大提升空間，很難滿足新時(shí)代高素質(zhì)大學(xué)生培養(yǎng)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(shí)驗(yàn)原理-實(shí)驗(yàn)內(nèi)容-儀器使用規(guī)范-實(shí)驗(yàn)注意問(wèn)題-數(shù)據(jù)處理，進(jìn)行逐一講授，與學(xué)生互動(dòng)少，屬傳統(tǒng)課堂“灌輸式”教學(xué)，學(xué)生被動(dòng)學(xué)習(xí)，主觀能動(dòng)性無(wú)法得到彰顯。特別是實(shí)驗(yàn)原理部分，有很多的公式推導(dǎo)和表達(dá)式的變形，蘊(yùn)含著大量的學(xué)科信息，這使得，一方面，學(xué)生聽課的過(guò)程中無(wú)法與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)時(shí)聯(lián)系在一起，從而產(chǎn)生無(wú)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(jìn)行升華總結(jié)，不利于科學(xué)知識(shí)的縱橫聯(lián)結(jié)，使得物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)效果大打折扣。

2引導(dǎo)式實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法初探

為了彌補(bǔ)前述問(wèn)題的缺陷，本人結(jié)合多年教學(xué)實(shí)踐，以我校物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)中《電動(dòng)勢(shì)法測(cè)pH和Ksp》[5]的教學(xué)為例，淺談下引導(dǎo)式教學(xué)方法的應(yīng)用。《電動(dòng)勢(shì)法測(cè)pH和Ksp》是經(jīng)典的物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容之一，涵蓋了物理化學(xué)課程電化學(xué)章節(jié)中可逆電池、電動(dòng)勢(shì)的測(cè)量、電極電勢(shì)、能斯特方程、電解質(zhì)活度，以及化學(xué)平衡章節(jié)中平衡常數(shù)等重要內(nèi)容。本實(shí)驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)共4學(xué)時(shí)，其中指導(dǎo)教師的引導(dǎo)1學(xué)時(shí)，學(xué)生動(dòng)手實(shí)驗(yàn)記錄數(shù)據(jù)3學(xué)時(shí)。本文著眼于前1個(gè)學(xué)時(shí)，分為三個(gè)部分，整體設(shè)計(jì)如圖1所示。其中教師講解約20分鐘，教師引導(dǎo)下學(xué)生交流討論總結(jié)約占25分鐘。

2.1直接拋出擬解決的問(wèn)題，分析問(wèn)題本質(zhì)，用時(shí)5分鐘本次實(shí)驗(yàn)需要測(cè)量待測(cè)溶液的氫離子濃度指數(shù)pH值(式1)和難溶鹽AgCl的溶度積Ksp(式2)。式中ax表示化學(xué)物質(zhì)x的活度，即“有效濃度”，根據(jù)溶液相關(guān)理論，活度可以濃度與活度系數(shù)γ的乘積表示，如式(3)所示。活度系數(shù)γ表征的是化學(xué)物質(zhì)對(duì)其理想行為的偏離程度，對(duì)于理想溶液或稀溶液的溶質(zhì)，γ=1。某溶質(zhì)活度系數(shù)的大小受諸多因素影響，如溫度、溶劑性質(zhì)、濃度等。活度系數(shù)的數(shù)值可由實(shí)驗(yàn)測(cè)定或查閱標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)手冊(cè)獲得。由此，實(shí)驗(yàn)測(cè)量待測(cè)液pH值及難溶鹽溶度積Ksp，實(shí)際上對(duì)相關(guān)物質(zhì)濃度的研究。

2.2引導(dǎo)式擴(kuò)展教學(xué)內(nèi)容，用時(shí)25分鐘引導(dǎo)學(xué)生思考、交流討論已學(xué)過(guò)、用過(guò)或見過(guò)的研究物質(zhì)濃度的實(shí)驗(yàn)方法。此部分是物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)中學(xué)生主體地位的重要體現(xiàn)，是引導(dǎo)式教學(xué)中較發(fā)散，需要指導(dǎo)教師靈活掌控的環(huán)節(jié)。指導(dǎo)教師應(yīng)充分鼓勵(lì)和保護(hù)學(xué)生參與教學(xué)交流的意愿。學(xué)生交流討論內(nèi)容的全面性和準(zhǔn)確性是次要目標(biāo)。根據(jù)學(xué)生交流討論內(nèi)容，指導(dǎo)教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行歸納總結(jié)，必要時(shí)加以補(bǔ)充。濃度的研究方法通常可分為化學(xué)法和物理法兩類。化學(xué)法是直接測(cè)量體系中物質(zhì)濃度的實(shí)驗(yàn)方法，如酸堿滴定、絡(luò)合滴定、氧化還原滴定、電導(dǎo)滴定、電位滴定等。該方法常需要通過(guò)驟冷，稀釋等手段處理后，使混合體系各組份相對(duì)含量保持不變，然后測(cè)定相應(yīng)組份濃度；物理分析法是通過(guò)與濃度有關(guān)的物理量，如《二元液態(tài)混合物的氣-液平衡相圖》實(shí)驗(yàn)中用到的折射率，《蔗糖轉(zhuǎn)化速率常數(shù)的測(cè)定》實(shí)驗(yàn)中用到的旋光度，《乙酸乙酯皂化反應(yīng)速率常數(shù)的測(cè)定中》用到的電導(dǎo)率，《大孔樹脂吸附動(dòng)力學(xué)》實(shí)驗(yàn)中用到的吸光度，以及本實(shí)驗(yàn)用到的原電池電動(dòng)勢(shì)等物理量的測(cè)量，間接得到相應(yīng)物質(zhì)濃度的信息。該方法不干擾被測(cè)量體系，可連續(xù)在線檢測(cè)，利于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的大批量自動(dòng)采集，但局限性在于需要明確所測(cè)物理量與被研究體系物質(zhì)濃度之間的具體的函數(shù)關(guān)系。本實(shí)驗(yàn)采用測(cè)量電池電動(dòng)勢(shì)的方法，引導(dǎo)學(xué)生復(fù)習(xí)波根多夫(Poggendorff)對(duì)消法測(cè)原電池電動(dòng)勢(shì)的基本原理，并進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生討論、總結(jié)電池電動(dòng)勢(shì)E的重要應(yīng)用[5]，如可用于：(1)測(cè)量電化學(xué)反應(yīng)摩爾吉布斯自由能變，摩爾熵變，摩爾焓變，電化學(xué)反應(yīng)熱效應(yīng)；(2)判斷化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的方向；(3)求化學(xué)反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)平衡常數(shù)，所有可以設(shè)計(jì)成可逆電池的化學(xué)反應(yīng)的平衡常數(shù)均可由此法求得；(4)求難溶鹽溶度積；(5)測(cè)定溶液pH值；(6)測(cè)定電解質(zhì)平均活度系數(shù)等。這部分內(nèi)容涵蓋了物理化學(xué)理論課程中電化學(xué)章節(jié)教學(xué)的大部分重點(diǎn)內(nèi)容，通過(guò)本次實(shí)驗(yàn)教學(xué)，可有效幫助同學(xué)們梳理相應(yīng)理論知識(shí)，在體現(xiàn)促進(jìn)提高理論教學(xué)效果的同時(shí)，增強(qiáng)同學(xué)們對(duì)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)手段強(qiáng)大功能的認(rèn)知。

2.3回歸實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，用時(shí)15分鐘在同學(xué)們討論結(jié)果的基礎(chǔ)之上，進(jìn)一步夯實(shí)電池電動(dòng)勢(shì)法在測(cè)量pH值和Ksp中的具體應(yīng)用細(xì)節(jié)，如幾種常見的氫離子可逆電極：玻璃電極、標(biāo)準(zhǔn)氫電極和醌氫醌電極，鹽橋的使用及其注意事項(xiàng)，可逆電池的組裝等。此部分著重講解學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中易出錯(cuò)的環(huán)節(jié)，宜簡(jiǎn)化公式的推導(dǎo)與演算，避免大篇幅理論講解，盡可能呼應(yīng)同學(xué)們討論中談到的相關(guān)理論問(wèn)題。

3總結(jié)

本文針對(duì)傳統(tǒng)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程中若干環(huán)節(jié)的突出問(wèn)題，以《電動(dòng)勢(shì)法測(cè)pH和Ksp》實(shí)驗(yàn)為例，探索了問(wèn)題引導(dǎo)式實(shí)驗(yàn)教學(xué)的新思路。本實(shí)驗(yàn)教學(xué)法中，一方面，充分彰顯了學(xué)生的主體地位，學(xué)生參與感、主動(dòng)性和積極性得到顯著提升，有效規(guī)避“填鴨式”教學(xué)的弊端。在指導(dǎo)教師的引導(dǎo)下，同學(xué)們之間的充分交流、討論并歸納總結(jié)，從而對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容有更加深刻的認(rèn)識(shí)，提升了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。另一方面，本實(shí)驗(yàn)教學(xué)法中，使得實(shí)驗(yàn)教學(xué)“目的-方法-原理-實(shí)施”主線更加清晰，以點(diǎn)帶面，由單個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，引申眾多相關(guān)知識(shí)，啟發(fā)學(xué)生在今后學(xué)習(xí)過(guò)程中不斷總結(jié)歸納各知識(shí)之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，融會(huì)貫通，為高素質(zhì)化學(xué)相關(guān)人才的培養(yǎng)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

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作者：雷運(yùn)濤 靳麗麗 單位：中國(guó)藥科大學(xué)