環保創新下物理化學實驗教學淺析

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摘要：為滿足新時期培養創新型人才的需要，從更新實驗設備、優化與整合實驗內容、健全和完善課程考核方式等方面對物理化學實驗進行了基于科研創新、環境保護為目標的教學改革實踐。教學改革不僅提高了實驗教學質量，還增強了學生的自主創新能力和環保意識，促進了創新綜合型人才的培養。

關鍵詞：物理化學實驗；教學改革；創新能力；環保意識

物理化學實驗是一門集理論性、實踐性和研究性于一體的綜合性課程，需要綜合運用化學理論方法和技術、物理儀器、數學運算工具[1]，在高校化工、應化、制藥、材料、生命、環境等專業的人才培養中占有重要的地位。其自身具有理論性強、儀器設備多、涉及知識面廣等特點[2]。物理化學實驗的培養目標注重提升學生動手實驗的綜合能力，強調實驗教學、科研鍛煉以及實際生產相結合，旨在培養學生理論聯系實際的邏輯思維、創新能力和實驗技能。然而，當前普通高校的實驗教學難以充分反映學科發展前沿和科學研究動向，不能滿足新時期新形勢下培養創新型人才的需要[3,4]。

1物理化學實驗教學存在的問題

以黃山學院為例，物理化學實驗主要教學問題有：（1）理論為主、實驗為輔，實驗教學只是驗證一些基礎的物理化學知識，缺乏對實驗內容的優化、整合與設計。實驗教學尚不能反映學科發展前沿和研究最新動向，不能體現學科在創新型人才培養中的重要性[5]；另一方面，實驗內容也沒有考慮專業特色，不具有專業針對性。（2）實驗教學與實際應用及能力培養脫節，實用性不強。實驗教學過程中，實驗教師通常強調儀器的原理、使用和維護，重點講解實驗注意事項和數據處理環節，確保讓學生能夠按部就班地順利完成實驗。如此教學的明顯后果就是實驗內容和操作過程重復不變，教學模式單一，實驗結果和實驗報告嚴重教條化[6]。雖然這些教學方法也能鍛煉學生的實驗動手能力，但也嚴重抑制了學生的實驗興趣，束縛了學生的主動性和創造力。另外，在問題提出、探究以及結果分析方面趨于形式僵化和流程固化，缺少可變因素和過程變量，實用性和針對性不強，實踐過程中當學生遇到未知情況時手足無措[7]。針對上述問題，結合學校實際情況和人才培養目標以及作者近年來在物理化學實驗教學和科研工作方面的經驗，本文從更新實驗設備、優化與整合實驗內容、健全和完善課程考核方式等方面，對課程進行改革實踐，以提升教學質量，進一步發揮課程在培養具有環保意識、創新思維和科研型綜合人才方面發揮的重要作用[8,9]。

2物理化學實驗教學改革探索

2.1設備升級更新

物理化學實驗是我校化學相關專業的基礎課程，包括應用化學、材料科學與工程、化學工程與工藝、環境科學、制藥工程等。因此，實驗課程工作量大，儀器設備利用率高，設備老化、部分損壞嚴重。鑒于此，學校及時更新了大部分實驗設備，包括液體飽和蒸氣壓的測定、低共熔點金屬相圖的繪制、揮發性雙液系T-X相圖的繪制、液體表面張力的測定、蔗糖水解反應速率常數的測定及希托夫法測定離子遷移數等實驗的設備。如沸點儀和表面張力儀更新后，節省了化學試劑，減小試劑揮發造成的環境危害。另外，通過新舊儀器的對比使用和總結，探究實驗系統的不確定性和過程影響因素，開展多因素、復雜條件下的探究實驗。這樣既拓展了學生的知識面，打開新視角，又能培養學生的創新思維。

2.2內容整合與優化

2.2.1驗證實驗。我校開設的經典驗證性實驗有：液體飽和蒸氣壓的測定，溶液的吸附作用和表面張力的測定，揮發性雙液系相圖的繪制等。最具代表性的實驗內容是測定環己烷的飽和蒸氣壓和正丁醇溶液的表面張力。但是環己烷難聞且易揮發，正丁醇讓人反胃，長時間實驗造成整個實驗室都有刺鼻的味道，實驗環境不好，也帶來健康隱患。經物理化學課題組教師分析、討論及實驗論證后，決定采用無水乙醇取代環己烷和正丁醇。在保證實驗精度的前提下，即解決了實驗味道難聞的問題，又符合綠色化學原則，減少了對教師和學生的身體健康的危害。對于揮發性雙液系相圖的繪制，采用改進后的半微量沸點儀，極大地減少了試劑的用量；并且采用試劑回收，循環利用的方式，實現了節約試劑、避免浪費和保護環境的目的；通過新教學方法和模式，將綠色環保理念和創新思維逐步根植于學生的腦海里。2.2.2綜合實驗。綜合實驗是在經典驗證實驗的基礎上，結合專業和實際應用特點。通常將兩個相關的實驗整合在一起，旨在培養學生綜合運用所學知識的能力，做到舉一反三、觸類旁通。例如，原電池電動勢的測定實驗比較簡單，改進后的實驗要求同時測定電動勢和原電池溫度系數。這樣，在原有實驗儀器和設備的基礎上，還必須配套和搭建變溫實驗裝置，增加實驗過程變量；不僅培養了學生的實踐設計和科研創新能力，也加深了學生對電化學熱力學的理解。界面化學中通過測定液體表面張力來計算單分子橫截面面積。在綜合實驗中，采用最大氣泡法和鉑片法分別測定不同濃度的乙醇、甘油和正丁醇溶液，綜合比較實驗結果，分析討論兩套實驗和兩種方法的優缺點。在儀器和試劑的選擇上給學生更大主動權，不斷增加課程的實用性，極大地提高了學生的實驗積極性和探究性學習的興趣。2.2.3設計性實驗。在老師的指導和條件允許的情況下，要求學生從設計方案，選擇儀器、設備和試劑，實驗操作步驟及撰寫實驗報告等環節均由學生獨自完成。教師需提前1周給出待選的實驗題目，備齊實驗儀器和試劑，明確具體要求，然后由學生查閱文獻資料、獨立設計方案，單獨開展實驗；允許學生自由發揮，以此鍛煉學生的知識綜合運用能力和提高其創新思維。開設的實驗有：希托夫法測定離子遷移數、表面活性劑對蔗糖水解準一級反應速率的影響等。

2.3課程考核方式改革

在以往的實驗教學中發現部分同學只是機械地做實驗，毫不在意為什么去做，怎么做才能使得到的結論更準確。鑒于此，實驗前要求學生認真學習實驗講義、熟悉實驗相關的原理和知識背景，能夠熟練使用儀器設備，可以排除實驗過程中出現的一般性故障[9]。實驗課上，教師以現場提問的方式考察學生實驗預習效果，并增加課程總評成績中考察、提問環節所占的比例。對于回答有誤，甚至不明所以、答非所問的同學給低分或零分，讓他們感知有不及格的可能。只有拿起考核的法寶，讓學生有了重修風險和憂患意識時，他們才會更加重視課前預習，提高學習的主觀能動性。2.3.1注重數據記錄和實驗操作。實驗教學要注重培養學生的科學嚴謹態度和實驗操作能力。物理化學實驗主要涉及到各種儀器設備的使用，如恒溫槽、超級恒溫水浴、分光光度計、電遷移數裝置、旋光儀、阿貝折射儀、電導率儀，沸點儀、電泳等實驗裝置[10]。教師要嚴格把關儀器、設備操作規范，及時發現并糾正不當操作。要求學生認真觀察現象和如實記錄數據，確保實驗數據的可靠性和準確性，并在實驗結束時簽字確認。通過過程考核的方式，培養學生實事求是、科學嚴謹的學風。2.3.2實驗數據處理手段的現代化。為了培養學生設計和撰寫本科畢業論文的能力，借助微信、QQ或釘釘通訊軟件，在線培訓Origin和Excel辦公軟件使用方法和技巧，并統一要求采用列表、繪圖的方法進行數據處理。經過科學、合理的數據分析和處理，探討可能的影響因素，查找誤差產生原因，盡量減少實驗誤差。為防止學生套用和打印他人數據，進行嚴格分組管理；打印出的數據要注明同組人員的姓名和分工情況，附上原始數據；并事前聲明數據不實、不相符者，將認定實驗成績不及格。2.3.3建全和完善考核辦法。以往考核辦法中實驗報告成績所占比值過大，容易導致學生做實驗時敷衍了事，實際實驗操作不夠認真、仔細；實驗流程混亂不清，僅僅注重實驗報告的規整和書寫認真方面，甚至有抄襲現象；無法突出學生的實驗動手能力和數據分析處理水平。針對這類問題，物理化學實驗組教師提議完善考核辦法，將成績考核改革為：學期總成績=參與性成績×30%+過程性成績×40%+課終成績×30%。參與成績=預習成績×50%+課堂提問×50%，參與成績包括基本實驗目的和要求、原理和步驟、思考題以及實驗室安全知識和注意事項。過程性成績包括實驗目標培養達成度(10％)、實驗流程和操作(30％)、實驗室安全和衛生(10％)、實驗報告中實驗現象觀察、記錄和數據處理、制表和繪圖(30％)、結果分析與討論(20％)。期末成績包括實驗期末知識測試(50％)和設計性實驗的操作成績(50％)兩部分。設計性實驗操作采用隨機抽取已做過的設計性實驗，期末知識測試內容主要包括基本原理、實驗要點和思考題、實驗室安全知識和注意事項等。教師根據實驗設計的難度、實驗操作的規范、問題的分析、討論和總結情況，給予合理的分數。只有這樣才能鼓勵學生大膽嘗試、勇于創新，提高學生實驗教學的興趣，進而達到開拓學生視野，提升其綜合能力的培養目標。

作者:常貫儒 單位:黃山學院化學化工學院