物理化學實驗課程改革實踐及構想
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摘要:物理化學實驗是具有承上啟下橋梁作用的重要基礎實驗課程。該課程一般要使用多種常規物理化學實驗儀器，測量體系物理量的變化，綜合分析得出實驗結論。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方式的影響，使得學生普遍反饋該課程難學，任課教師同樣反饋該課程難教。為盡量克服以上不利影響，提高實驗教學質量，課程教學小組對物理化學實驗課程作出多處改革并付諸實踐，同時指出該課程現存的不足之處，提出今后課程改革發展構想。
“物理化學實驗”是面向化學、近化學專業本科生開設的一門必修基礎實驗課程，同時也是學生第一次接觸較多種類常規物理化學實驗儀器的綜合性實驗課程。在“物理化學實驗”學習過程中，學生一般需依靠常規物理化學實驗儀器測量體系的某些物理量，結合物理化學領域涉及的基本研究方法對物質的物理化學性質或反應規律得出定量的描述，往往還需要通過數學方法擬合處理實驗數據，最后得出實驗結論［1］。由此可見該課程的教學重點如下:(1)需掌握多種物理化學常規實驗儀器的使用方法;(2)需綜合分析、研究物理化學領域理論與實踐的關系;(3)需掌握科學有效的數據處理方法。近年來，在化學教學實驗中心的統一部署下，課程教學小組緊緊圍繞上述三個教學重點，結合西安交通大學(以下簡稱:我校)實驗教學實際，對課程進行了全面的改革;同時，為解決課程教學中現存的薄弱環節，提出前瞻性構想。
1物理化學實驗課程教改實踐
1．1積極改進實驗項目編排次序
在物理化學實驗室常規實驗儀器種類和數量有限的前提下，為充分提高儀器設備的利用率，國內外物理化學實驗課程多采用區塊化實驗模式，即一節實驗課一個班同時進行多個實驗項目［2－3］。為提高實驗教學效果，優化現有實驗項目編排順序，盡量克服同時進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塊中的實驗項目在物理化學原理上有互通點，學生在進行不同實驗時能夠融會貫通的理解物理化學原理，鍛煉學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系，組份保持恒定。在實驗預期和誤差分析方面，兩個實驗可以相互為證。將這兩個實驗編排到一起進行有利于學生充分理解影響汽、液平衡的主要因素及相平衡的普遍規律［5］。
1．2推進物理化學實驗課程體系建設
隨著我校專業數量及規模的不斷擴大，傳統的物理化學實驗項目及課程體系已不能滿足各專業的具體要求。依據不同專業特點和要求，結合國內外“物理化學實驗課”程最新的發展動向，我們將課程體系細分為兩個實驗基礎平臺:物理化學實驗I和物理化學實驗II。物理化學實驗II包含與物質結構實驗相關的內容，比物理化學實驗I綜合性要求更高，主要面向化學專業學生開課。在建立新型物理化學實驗基礎平臺的同時，對每個實驗項目從實驗目的、原理到總結之間的各個教學環節進行重新評估和擴展，淘汰老舊實驗項目，適當增加與新興科學發展相關聯的實驗項目。目的是使課程體系更貼合時展，為各專業學生后續進一步學習專業知識和從事專業研究打下一定的基礎。改革后課程呈現如下特點:(1)形成驗證型、綜合型、設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量大于實驗計劃項目數量，根據專業需求不同選擇不同的實驗項目。從整個化學實驗中心管理角度來看，物理化學實驗基礎平臺也可以在聯合其它化學實驗課程，改革綜合化學實驗方面做出試點，為化學專業實驗改革及實現實驗室全面開放提供實踐經驗。有針對性地增加實驗內容和項目，建設和發展物理化學基礎實驗平臺，是因材施教的需要，是提高學生主觀學習能力的需要，是化學實驗中心實現全面開放的需要，同時更是實驗課程體系順應時展的需要［6］。
1．3積極推進課程教材建設
“物理化學實驗”是一門綜合性較強的實驗課程，它的研究領域涉及熱力學原理、電化學原理、光化學原理及結構化學等相關知識。我校“物理化學實驗”課程通過長期發展已形成一套完整而獨立的的教學體系。國內的物理化學實驗教材有多種不同版本，且其中實驗內容彼此差別較大，不同學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實際的物理化學實驗教材。從1998年開始，面對當時物理化學實驗的特點和發展趨勢，相關教師就開始編寫適合我校教學實際的實驗教材。2013年9月教材正式出版。該教材較詳細地介紹了國內最新物理化學常規實驗儀器，在實驗數據處理特別是非線性擬合方面作了詳細介紹［7］，受到了國內同行的廣泛關注。
1．4提高學生實驗數據處理能力
實驗數據處理是物理化學實驗教學中非常重要的一個環節。為加強實驗數據處理能力的培養，我們不但要求學生在實驗數據記錄與整理中要仔細、嚴謹，更要引導學生在完成實驗報告過程中應用更為有效的方法來分析和處理實驗數據［8］。在進行實驗數據處理時建議學生盡量利用計算機進行線性或非線性擬合，由擬合結果求得需要的參數。例如在“液體表面張力測定”實驗數據處理時需要學生進行微商－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據，經常出現條狀圖高低異常的情況，給手工繪圖帶來很大困難，實驗結果誤差往往很大。實驗教師經過查找資料［9］制定出用origin軟件進行非線性擬合來處理實驗數據的操作流程。此流程詳細的介紹了從實驗數據輸入，到建立數學模型，再到最后得出實驗結果的具體操作。通過幾屆學生使用，總結得出如此處理實驗數據得到的實驗結果與標準值吻合度非常高。
2物理化學實驗課程教學中存在的薄弱
環節“物理化學實驗”課程在不斷發展的同時，目前同樣存在的一些薄弱環節急需改進。
2．1實驗教學體系需進一步完善
在物理化學實驗設計及開放實驗設置方面，相比國內同類大學存在明顯不足。由于實驗空間和儀器設備限制，目前僅有少量設計型開放性實驗，在設計型開放性實驗項目編寫和教學環節設計等方面應該重視和加強。
2．2學生實驗預習及課后輔導環節需進一步改善
“物理化學實驗”涉及到的實驗原理與“物理化學”課程息息相關，而且難度較大;實驗課與課堂教學通常很難做到密切配合，有時實驗課會走到理論教學的前面;再者，物理化學實驗的教學模式為區塊化，同時開設多個實驗，教師講解和輔導不可能做到面面俱到，“抓重點”往往又忽視了學生的個體差異，教學效果很難保證做到最好。在這種情況下，實驗的預習和課后輔導就顯的格外重要。目前所用的傳統的預習報告、抽查、答疑等教學方法急需進一步改善。
3物理化學實驗課程發展的前瞻構想
針對上述“物理化學實驗”課程的短板與不足，我們結合多年的教學經驗總結出如下的工作思路。
3．1加強設計型開放性實驗建設
培養學生創新能力是“物理化學實驗”教學的重要任務之一，也是學生參與社會競爭的重要技能之一。如何從實驗教學角度出發，來提高學生的創新能力，這是每一位從事“物理化學實驗”教學的教師應該認真考慮的一個問題。結合國內外物理化學實驗發展經驗，加強設計型開放性實驗建設主要存在兩種形式:在現有實驗項目上進行擴展和建立全新的設計型開放性實驗模塊。大量實踐證明此兩者結合起來效果最好［10］。在“物理化學實驗設計型開放性實驗”教學環節中，應讓學生自己查閱文獻資料、尋找實驗方法、設計實驗方案，包括實驗原理、實驗步驟、實驗流程裝置、儀器藥品等，使用必要的儀器設備對物質的物理化學性質進行測試，有意識的引導學生進行實驗創新能力訓練［11］。
3．2推進物理化學實驗網上預習及答疑系統建設
物理化學實驗網絡教學平臺利用計算機技術、網絡技術、多媒體技術三合一進行實驗教學活動，以校園網為載體，構建雙向互動新型教學形式。該平臺具備預習和答疑兩方面重要功能。加強實驗前的預習是能否順利完成實驗的前提，而提供網上答疑系統能增加師生聯系途徑，增強師生互動，有效增加師生學習交流頻率，能切實提高實驗教學效果［12］。學校互聯網絡系統很發達，學生可以在不同場合用不同的方式方便地訪問互聯網。通過網絡把文字、圖片、視頻等計算機多媒體技術引入到物理化學實驗教學中，可以方便學生自主學習，提高學習主觀能動性。
4結語
“物理化學實驗”課程改革與發展關系整個高等教育化學、近化學專業學生實踐教學質量的提升。每學期課程教學小組都對學習物理化學實驗課程的學生進行問卷調查。從問卷調查表統計結果及學生課前預習、實驗操作、實驗報告的撰寫等各教學環節對比來看，課程改革后教學質量和效果有了明顯提高。當代科技發展不斷的提升著人們的認知水平，同時也有力的推動了“物理化學實驗課”程的發展。為進一步提高學生的實驗操作能力、創新能力和綜合應用能力，為后續的專業學習和獨立開展科研工作打下一定的基礎，緊扣時代脈搏不斷探索物理化學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
