物理化學實驗數(shù)據(jù)處理教學微課應用
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摘要:物理化學實驗數(shù)據(jù)的處理和分析能夠幫助學生加深對物理化學理論知識的理解、學會實驗數(shù)據(jù)的表示方法，繼而提高學生從事科學實踐探究的能力。采用微課這一新的教學模式進行實驗數(shù)據(jù)處理的教學，能夠讓學生通過可視化的方式學習實驗數(shù)據(jù)的處理和分析。文章通過“金屬相圖”這一實驗為例，詳細講述了微課在實驗數(shù)據(jù)處理教學中的應用。
關鍵詞:實驗數(shù)據(jù);處理與分析;微課
物理化學實驗是教育部規(guī)定高校理科化學專業(yè)必須獨立開設的一門實驗課程［1］，是相關專業(yè)的學生在學習完無機化學、分析化學、有機化學及儀器分析等實驗課程之后，在高年級開設的一門化學基礎實驗課。物理化學實驗要求學生綜合運用物理和化學的理論原理，通過各種儀器測量體系各種物理量的變化，再利用數(shù)學方法對所得的數(shù)據(jù)進行處理和綜合運算，達到加深對化學基本理論知識理解的目的，是一門理論性、實踐性和綜合性都很強的課程，在化學、應用化學、材料、環(huán)境等專業(yè)的人才培養(yǎng)中占有重要的地位［2］。
1實驗數(shù)據(jù)處理教學的現(xiàn)狀
在相關化學專業(yè)的學習中，其它的實驗課程并不需要處理大量的實驗數(shù)據(jù)，只有物理化學實驗涉及到大量的實驗數(shù)據(jù)，因此對所得實驗數(shù)據(jù)的處理也是物理化學實驗中非常重要的一個環(huán)節(jié)。實驗數(shù)據(jù)的處理不僅可以考察學生對實驗原理的理解，還可以讓學生學習用圖表來表達實驗數(shù)據(jù)，并進行回歸分析、誤差分析等數(shù)據(jù)的后續(xù)處理。這些數(shù)據(jù)處理的實踐可以為本科的畢業(yè)設計以及今后的研究工作打下堅實的基礎。但是在現(xiàn)階段，物理化學實驗課的實際教學過程一般包括以下三個步驟:第一，教師在課堂上講解實驗目的、基本原理、實驗步驟、儀器使用方法和實驗操作中需注意的事項;第二，學生根據(jù)教師講解的實驗步驟進行實驗操作并記錄實驗數(shù)據(jù);第三，學生課后對實驗數(shù)據(jù)進行處理并完成實驗報告，教師批改實驗報告得到學生實驗效果的信息反饋［3］。由于實驗課時少，在課堂上教師沒時間詳細講解實驗數(shù)據(jù)處理方面的知識，從而導致學生在寫實驗報告時不會處理實驗數(shù)據(jù)、不會作圖、不能進行數(shù)據(jù)分析等問題。如“金屬相圖”這一經(jīng)典的物理化學實驗，要求學生記錄4種不同配比組成的Sn－Pb樣品管在加熱熔融之后溫度隨時間的變化，由于4個樣品管是一起加熱，一起冷卻，因此記錄的時間點是一樣的。在處理數(shù)據(jù)的時候，學生沒能合理的將4個樣品記錄的時間點分開，從而導致4個樣品的步冷曲線重疊在一起的，如圖1所示。結果導致學生無法找出每一條步冷曲線上的“拐點”和“平臺”相對應的溫度，無法按實驗要求畫出相圖。另外，通過這些年的授課和帶本科生畢業(yè)論文發(fā)現(xiàn)學生在用圖表來表達實驗結果的時候，總是做得很不規(guī)范，主要存在以下問題:橫、縱坐標比例失調;沒有橫、縱坐標的標題;沒有標明相關的單位;沒有標上圖例或圖例不清晰等。由此可見，在物理化學實驗課程中，實驗數(shù)據(jù)處理方面的知識，傳統(tǒng)的授課效果非常不理想。
2微課在實驗數(shù)據(jù)處理教學中的優(yōu)勢
微課是一種以學習某個知識點為目的，通過短小精悍的小視頻向學生深入講解該知識的教學資源［4］。由于教師在物理化學實驗正常教學的課堂上，很難有時間將實驗數(shù)據(jù)的記錄和處理的全過程詳細地講解一遍，但如果采用微課這種教學形式就能很好地做到這一點。微課在物理化學實驗數(shù)據(jù)處理教學中有以下幾點優(yōu)勢。(1)微課內容短小精悍。一節(jié)微課的時間一般是控制在10min之內，有研究表明這個學習時長最容易被學生接受且學習效果最好［5］。一個微課只講解一個實驗數(shù)據(jù)的記錄和處理，知識點授遞簡潔明了，容易讓學生接受。(2)學習時間靈活且可反復觀看。教師將每個物理化學實驗的數(shù)據(jù)記錄和處理整個過程制成微課，可讓學生利用課余時間反復觀看、練習，熟悉實驗數(shù)據(jù)記錄和處理的每個過程，提高學生實驗數(shù)據(jù)處理和分析的能力。(3)微課與Excel軟件、Origin軟件的結合。微課可以很方便和Excel軟件或Origin軟件的使用緊密地結合在一起。在一節(jié)微課中可以詳細地向學生展示如何使用Excel軟件或Origin軟件來收集、整理實驗數(shù)據(jù)，如何將這些實驗數(shù)據(jù)用規(guī)范的圖表清晰地展現(xiàn)出來，這些都是傳統(tǒng)的物理化學實驗課堂教學無法比擬的。
3微課在物理化學實驗數(shù)據(jù)處理教學中的應用
在物理化學實驗中要求學生掌握的數(shù)據(jù)收集與處理能力主要包括以下4個方面的能力:數(shù)據(jù)的收集、數(shù)據(jù)的整理、數(shù)據(jù)的表達和數(shù)據(jù)的分析［6］，其中最重要是要求學生學會分析數(shù)據(jù)的能力。詳細分析數(shù)據(jù)的能力其實就是要求學生能夠使用計算機，綜合運用數(shù)字、圖形、表格等各種數(shù)據(jù)表達形式，運用一定的數(shù)學方法處理實驗數(shù)據(jù)，并從中提取出有效的信息，對實驗數(shù)據(jù)是否合理、正確作出判斷，為實驗結果提供有力的支撐。利用1個手機架和1只手機，教師可以將每個物理化學實驗整個數(shù)據(jù)處理過程拍攝下來，邊處理邊講解，制成小視頻后，可上傳至超星等學習平臺，也可發(fā)送至學生的QQ班群或微信班群，讓學生自行觀看學習。微課案例:《金屬相圖》的實驗數(shù)據(jù)處理(1)實驗數(shù)據(jù)的收集。首先打開電腦上Excel軟件或者Origin軟件，把Excel表中的第一列作為樣品管1號(含Sn20%)時間t的變量，第二列作為相應的樣品管溫度T的變量，輸錄相應的實驗數(shù)據(jù)。其它3支樣品管的實驗數(shù)據(jù)按照上面的格式依次輸入。結果如圖2所示。(2)實驗數(shù)據(jù)的整理。在Excel表格中，為了將4個樣品的步冷曲線分散開來，需要對樣品的記錄時間點進行合理化的處理。在這里就要求學生要清楚地了解實驗的原理，步冷曲線是記錄樣品在加熱熔融之后溫度隨時間的變化，只要記錄溫度間隔的時間是保持不變的，溫度在表示的時候從哪個時間點開始對繪制步冷曲線是沒有影響的。學生只有掌握了這個知識點，才能對實驗數(shù)據(jù)進行整理。例如每個記錄的時間點均加上500s，整理后結果如圖3所示。(3)實驗數(shù)據(jù)的表達。根據(jù)整理之后的數(shù)據(jù)，在Excel的“圖表向導”中選擇“XY散點圖”中的“無數(shù)據(jù)點折線散點圖”，點擊“下一步”，選擇“系列”，點擊“添加”。在出現(xiàn)的界面中“名稱”選擇“樣品1(含Sn20%)”，“X值”選擇第1列數(shù)據(jù)，“Y值”選擇第2列數(shù)據(jù)，點擊“下一步”。在出現(xiàn)的界面中“圖表標題”輸入“4個樣品的步冷曲線圖”，“數(shù)值X軸”輸入“t/s”，“數(shù)值Y軸”輸入“T/℃”，點擊“下一步”，再點擊“完成”。接著對所得到的圖進行適當?shù)男薷模热缛サ艋疑谋尘吧途W(wǎng)格線、改變X軸Y軸數(shù)值的刻度范圍和字體、修改圖例在圖中的位置等。修改的4個樣品的步冷曲線如圖4所示。(3)實驗數(shù)據(jù)的分析。從4個樣品的步冷曲線圖并結合實驗數(shù)據(jù)，分別找出每一條步冷曲線上出現(xiàn)“拐點”和“平臺”所對應的溫度。從4個樣品的步冷曲線上可以看出，每個樣品出現(xiàn)“平臺”的溫度很接近，但并不完全相同。這時就要求學生要掌握在樣品管3中，Sn的含量是61.5%，這是Sn和Pb的組成恰為最低共熔混合物的情況，所以“平臺”對應的溫度應該要以樣品3為準。在已知純Sn的熔點為232℃，純Pb的熔點為328℃的情況下，在Excel中畫出錫和鉛兩中金屬的相圖，修改整理后如圖5所示。在處理完數(shù)據(jù)后，要求學生在實驗報告中要對所得的相圖進行分析，標明相圖中各個相區(qū)的含義，并與文獻的相圖進行對比，分析討論實驗成敗的影響因素以及實驗可能改進的地方。
4結語
實驗數(shù)據(jù)的處理作為理科化學相關專業(yè)中一項重要的技能，其實用性和實操性均非常強，傳統(tǒng)的教學模式已經(jīng)不能滿足學生的需要。微課這種新穎的教學模式，不僅讓教師有時間將整個實驗數(shù)據(jù)處理的過程講解清楚并示范，也讓學生有足夠的時間反復學習、實踐，從而真正提高學生處理和分析實驗數(shù)據(jù)的能力，為今后的畢業(yè)設計和科學研究打下堅實的基礎。
參考文獻
［1］教育部理科化學教材編審委員會.物理化學實驗教學大綱［M］．北京:人民教育出版社，1980.
［2］郭婷，孟濤，方伊，等.“理論、實踐與科研三位一體”物理化學實驗教學改革［J］．實驗室研究與探索，2015，34(5):138－140，162.
［3］胡俊平，劉妍，畢慧敏，等.基于微課的“物理化學實驗”翻轉課堂教學案例設計［J］．化學教育，2016，37(14):45－48.
［4］王歲花，王娜，馮曉林.“助學型”微課在作業(yè)講評中的應用———以數(shù)據(jù)結構課程為例［J］．教育現(xiàn)代化，2019(31):160－162.
［5］黃曉冰，胡鐵生.“助學型”微課教學設計策略［J］數(shù)字教育，2019，2(4):64－70.
［6］崔麗娟，朱夢楚，郝銀超，等.微課提高大學生數(shù)據(jù)收集與處理能力的案例解析———以一道高等數(shù)學習題的微課為例［J］．河北學業(yè)大學學報(農(nóng)林教育版)，2017，19(2):41－44.
作者：陳宜菲 邱罡 林燕如 單位：韓山師范學院化學與環(huán)境工程學院
