物理化學(xué)實驗課程改革實踐及構(gòu)想
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摘要:物理化學(xué)實驗是具有承上啟下橋梁作用的重要基礎(chǔ)實驗課程。該課程一般要使用多種常規(guī)物理化學(xué)實驗儀器，測量體系物理量的變化，綜合分析得出實驗結(jié)論。此類實驗具有綜合性強、知識點多及能力要求高的特點再加上分組化教學(xué)方式的影響，使得學(xué)生普遍反饋該課程難學(xué)，任課教師同樣反饋該課程難教。為盡量克服以上不利影響，提高實驗教學(xué)質(zhì)量，課程教學(xué)小組對物理化學(xué)實驗課程作出多處改革并付諸實踐，同時指出該課程現(xiàn)存的不足之處，提出今后課程改革發(fā)展構(gòu)想。
關(guān)鍵詞:教學(xué)重點;教改實踐;薄弱環(huán)節(jié);前瞻構(gòu)想
“物理化學(xué)實驗”是面向化學(xué)、近化學(xué)專業(yè)本科生開設(shè)的一門必修基礎(chǔ)實驗課程，同時也是學(xué)生第一次接觸較多種類常規(guī)物理化學(xué)實驗儀器的綜合性實驗課程。在“物理化學(xué)實驗”學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生一般需依靠常規(guī)物理化學(xué)實驗儀器測量體系的某些物理量，結(jié)合物理化學(xué)領(lǐng)域涉及的基本研究方法對物質(zhì)的物理化學(xué)性質(zhì)或反應(yīng)規(guī)律得出定量的描述，往往還需要通過數(shù)學(xué)方法擬合處理實驗數(shù)據(jù)，最后得出實驗結(jié)論［1］。由此可見該課程的教學(xué)重點如下:(1)需掌握多種物理化學(xué)常規(guī)實驗儀器的使用方法;(2)需綜合分析、研究物理化學(xué)領(lǐng)域理論與實踐的關(guān)系;(3)需掌握科學(xué)有效的數(shù)據(jù)處理方法。近年來，在化學(xué)教學(xué)實驗中心的統(tǒng)一部署下，課程教學(xué)小組緊緊圍繞上述三個教學(xué)重點，結(jié)合西安交通大學(xué)(以下簡稱:我校)實驗教學(xué)實際，對課程進(jìn)行了全面的改革;同時，為解決課程教學(xué)中現(xiàn)存的薄弱環(huán)節(jié)，提出前瞻性構(gòu)想。
1物理化學(xué)實驗課程教改實踐
1．1積極改進(jìn)實驗項目編排次序
在物理化學(xué)實驗室常規(guī)實驗儀器種類和數(shù)量有限的前提下，為充分提高儀器設(shè)備的利用率，國內(nèi)外物理化學(xué)實驗課程多采用區(qū)塊化實驗?zāi)Ｊ?，即一?jié)實驗課一個班同時進(jìn)行多個實驗項目［2－3］。為提高實驗教學(xué)效果，優(yōu)化現(xiàn)有實驗項目編排順序，盡量克服同時進(jìn)行不同實驗項目可能帶來的不利影響，形成了頗具特色的實驗編排體系。其特點是使在同一區(qū)塊中的實驗項目在物理化學(xué)原理上有互通點，學(xué)生在進(jìn)行不同實驗時能夠融會貫通的理解物理化學(xué)原理，鍛煉學(xué)生從不同角度考慮問題，采用不同方法研究問題的能力［4］。如實驗“液體飽和蒸汽壓測定”和實驗“雙液系氣、液平衡相圖的繪制”，兩個實驗都涉及到液體沸點的測定，雖然實驗試劑不同，但沸點、組成及壓力之間的相互作用規(guī)律是相似的。前者偏重研究體系汽、液平衡時溫度與組份的相互關(guān)系，體系壓力保持恒定;而后者偏重研究體系汽、液平衡時溫度與壓力的相互關(guān)系，組份保持恒定。在實驗預(yù)期和誤差分析方面，兩個實驗可以相互為證。將這兩個實驗編排到一起進(jìn)行有利于學(xué)生充分理解影響汽、液平衡的主要因素及相平衡的普遍規(guī)律［5］。
1．2推進(jìn)物理化學(xué)實驗課程體系建設(shè)
隨著我校專業(yè)數(shù)量及規(guī)模的不斷擴大，傳統(tǒng)的物理化學(xué)實驗項目及課程體系已不能滿足各專業(yè)的具體要求。依據(jù)不同專業(yè)特點和要求，結(jié)合國內(nèi)外“物理化學(xué)實驗課”程最新的發(fā)展動向，我們將課程體系細(xì)分為兩個實驗基礎(chǔ)平臺:物理化學(xué)實驗I和物理化學(xué)實驗II。物理化學(xué)實驗II包含與物質(zhì)結(jié)構(gòu)實驗相關(guān)的內(nèi)容，比物理化學(xué)實驗I綜合性要求更高，主要面向化學(xué)專業(yè)學(xué)生開課。在建立新型物理化學(xué)實驗基礎(chǔ)平臺的同時，對每個實驗項目從實驗?zāi)康?、原理到總結(jié)之間的各個教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行重新評估和擴展，淘汰老舊實驗項目，適當(dāng)增加與新興科學(xué)發(fā)展相關(guān)聯(lián)的實驗項目。目的是使課程體系更貼合時展，為各專業(yè)學(xué)生后續(xù)進(jìn)一步學(xué)習(xí)專業(yè)知識和從事專業(yè)研究打下一定的基礎(chǔ)。改革后課程呈現(xiàn)如下特點:(1)形成驗證型、綜合型、設(shè)計型及研究型等不同層次實驗項目;(2)可開出的實驗項目數(shù)量大于實驗計劃項目數(shù)量，根據(jù)專業(yè)需求不同選擇不同的實驗項目。從整個化學(xué)實驗中心管理角度來看，物理化學(xué)實驗基礎(chǔ)平臺也可以在聯(lián)合其它化學(xué)實驗課程，改革綜合化學(xué)實驗方面做出試點，為化學(xué)專業(yè)實驗改革及實現(xiàn)實驗室全面開放提供實踐經(jīng)驗。有針對性地增加實驗內(nèi)容和項目，建設(shè)和發(fā)展物理化學(xué)基礎(chǔ)實驗平臺，是因材施教的需要，是提高學(xué)生主觀學(xué)習(xí)能力的需要，是化學(xué)實驗中心實現(xiàn)全面開放的需要，同時更是實驗課程體系順應(yīng)時展的需要［6］。
1．3積極推進(jìn)課程教材建設(shè)
“物理化學(xué)實驗”是一門綜合性較強的實驗課程，它的研究領(lǐng)域涉及熱力學(xué)原理、電化學(xué)原理、光化學(xué)原理及結(jié)構(gòu)化學(xué)等相關(guān)知識。我?！拔锢砘瘜W(xué)實驗”課程通過長期發(fā)展已形成一套完整而獨立的的教學(xué)體系。國內(nèi)的物理化學(xué)實驗教材有多種不同版本，且其中實驗內(nèi)容彼此差別較大，不同學(xué)校的硬件條件也是千差萬別，可開出的實驗項目各不相同，故很難找到一本適合我校實驗教學(xué)實際的物理化學(xué)實驗教材。從1998年開始，面對當(dāng)時物理化學(xué)實驗的特點和發(fā)展趨勢，相關(guān)教師就開始編寫適合我校教學(xué)實際的實驗教材。2013年9月教材正式出版。該教材較詳細(xì)地介紹了國內(nèi)最新物理化學(xué)常規(guī)實驗儀器，在實驗數(shù)據(jù)處理特別是非線性擬合方面作了詳細(xì)介紹［7］，受到了國內(nèi)同行的廣泛關(guān)注。
1．4提高學(xué)生實驗數(shù)據(jù)處理能力
實驗數(shù)據(jù)處理是物理化學(xué)實驗教學(xué)中非常重要的一個環(huán)節(jié)。為加強實驗數(shù)據(jù)處理能力的培養(yǎng)，我們不但要求學(xué)生在實驗數(shù)據(jù)記錄與整理中要仔細(xì)、嚴(yán)謹(jǐn)，更要引導(dǎo)學(xué)生在完成實驗報告過程中應(yīng)用更為有效的方法來分析和處理實驗數(shù)據(jù)［8］。在進(jìn)行實驗數(shù)據(jù)處理時建議學(xué)生盡量利用計算機進(jìn)行線性或非線性擬合，由擬合結(jié)果求得需要的參數(shù)。例如在“液體表面張力測定”實驗數(shù)據(jù)處理時需要學(xué)生進(jìn)行微商－自變量圖形擬合。以前的做法是利用等面積圖解微分法手工繪圖來處理數(shù)據(jù)，經(jīng)常出現(xiàn)條狀圖高低異常的情況，給手工繪圖帶來很大困難，實驗結(jié)果誤差往往很大。實驗教師經(jīng)過查找資料［9］制定出用origin軟件進(jìn)行非線性擬合來處理實驗數(shù)據(jù)的操作流程。此流程詳細(xì)的介紹了從實驗數(shù)據(jù)輸入，到建立數(shù)學(xué)模型，再到最后得出實驗結(jié)果的具體操作。通過幾屆學(xué)生使用，總結(jié)得出如此處理實驗數(shù)據(jù)得到的實驗結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值吻合度非常高。
2物理化學(xué)實驗課程教學(xué)中存在的薄弱
環(huán)節(jié)“物理化學(xué)實驗”課程在不斷發(fā)展的同時，目前同樣存在的一些薄弱環(huán)節(jié)急需改進(jìn)。
2．1實驗教學(xué)體系需進(jìn)一步完善
在物理化學(xué)實驗設(shè)計及開放實驗設(shè)置方面，相比國內(nèi)同類大學(xué)存在明顯不足。由于實驗空間和儀器設(shè)備限制，目前僅有少量設(shè)計型開放性實驗，在設(shè)計型開放性實驗項目編寫和教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計等方面應(yīng)該重視和加強。
2．2學(xué)生實驗預(yù)習(xí)及課后輔導(dǎo)環(huán)節(jié)需進(jìn)一步改善
“物理化學(xué)實驗”涉及到的實驗原理與“物理化學(xué)”課程息息相關(guān)，而且難度較大;實驗課與課堂教學(xué)通常很難做到密切配合，有時實驗課會走到理論教學(xué)的前面;再者，物理化學(xué)實驗的教學(xué)模式為區(qū)塊化，同時開設(shè)多個實驗，教師講解和輔導(dǎo)不可能做到面面俱到，“抓重點”往往又忽視了學(xué)生的個體差異，教學(xué)效果很難保證做到最好。在這種情況下，實驗的預(yù)習(xí)和課后輔導(dǎo)就顯的格外重要。目前所用的傳統(tǒng)的預(yù)習(xí)報告、抽查、答疑等教學(xué)方法急需進(jìn)一步改善。
3物理化學(xué)實驗課程發(fā)展的前瞻構(gòu)想
針對上述“物理化學(xué)實驗”課程的短板與不足，我們結(jié)合多年的教學(xué)經(jīng)驗總結(jié)出如下的工作思路。
3．1加強設(shè)計型開放性實驗建設(shè)
培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力是“物理化學(xué)實驗”教學(xué)的重要任務(wù)之一，也是學(xué)生參與社會競爭的重要技能之一。如何從實驗教學(xué)角度出發(fā)，來提高學(xué)生的創(chuàng)新能力，這是每一位從事“物理化學(xué)實驗”教學(xué)的教師應(yīng)該認(rèn)真考慮的一個問題。結(jié)合國內(nèi)外物理化學(xué)實驗發(fā)展經(jīng)驗，加強設(shè)計型開放性實驗建設(shè)主要存在兩種形式:在現(xiàn)有實驗項目上進(jìn)行擴展和建立全新的設(shè)計型開放性實驗?zāi)K。大量實踐證明此兩者結(jié)合起來效果最好［10］。在“物理化學(xué)實驗設(shè)計型開放性實驗”教學(xué)環(huán)節(jié)中，應(yīng)讓學(xué)生自己查閱文獻(xiàn)資料、尋找實驗方法、設(shè)計實驗方案，包括實驗原理、實驗步驟、實驗流程裝置、儀器藥品等，使用必要的儀器設(shè)備對物質(zhì)的物理化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行測試，有意識的引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實驗創(chuàng)新能力訓(xùn)練［11］。
3．2推進(jìn)物理化學(xué)實驗網(wǎng)上預(yù)習(xí)及答疑系統(tǒng)建設(shè)
物理化學(xué)實驗網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺利用計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體技術(shù)三合一進(jìn)行實驗教學(xué)活動，以校園網(wǎng)為載體，構(gòu)建雙向互動新型教學(xué)形式。該平臺具備預(yù)習(xí)和答疑兩方面重要功能。加強實驗前的預(yù)習(xí)是能否順利完成實驗的前提，而提供網(wǎng)上答疑系統(tǒng)能增加師生聯(lián)系途徑，增強師生互動，有效增加師生學(xué)習(xí)交流頻率，能切實提高實驗教學(xué)效果［12］。學(xué)?；ヂ?lián)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)很發(fā)達(dá)，學(xué)生可以在不同場合用不同的方式方便地訪問互聯(lián)網(wǎng)。通過網(wǎng)絡(luò)把文字、圖片、視頻等計算機多媒體技術(shù)引入到物理化學(xué)實驗教學(xué)中，可以方便學(xué)生自主學(xué)習(xí)，提高學(xué)習(xí)主觀能動性。
4結(jié)語
“物理化學(xué)實驗”課程改革與發(fā)展關(guān)系整個高等教育化學(xué)、近化學(xué)專業(yè)學(xué)生實踐教學(xué)質(zhì)量的提升。每學(xué)期課程教學(xué)小組都對學(xué)習(xí)物理化學(xué)實驗課程的學(xué)生進(jìn)行問卷調(diào)查。從問卷調(diào)查表統(tǒng)計結(jié)果及學(xué)生課前預(yù)習(xí)、實驗操作、實驗報告的撰寫等各教學(xué)環(huán)節(jié)對比來看，課程改革后教學(xué)質(zhì)量和效果有了明顯提高。當(dāng)代科技發(fā)展不斷的提升著人們的認(rèn)知水平，同時也有力的推動了“物理化學(xué)實驗課”程的發(fā)展。為進(jìn)一步提高學(xué)生的實驗操作能力、創(chuàng)新能力和綜合應(yīng)用能力，為后續(xù)的專業(yè)學(xué)習(xí)和獨立開展科研工作打下一定的基礎(chǔ)，緊扣時代脈搏不斷探索物理化學(xué)實驗課程改革勢在必行。
作者：王耿 朱敏 向丹 白艷紅 張志成 單位：西安交通大學(xué)
