向天成 趙艷茹

[摘要] 針對目前物理化學實驗教學中的問題,本文提出了虛擬物理化學實驗室的的課程教學計劃。通過網(wǎng)絡多媒體工具建立網(wǎng)絡虛擬實驗室,克服傳統(tǒng)物理化學實驗教學時間少,實驗設備不足的現(xiàn)狀;提高學生的創(chuàng)造能力,有利于實驗教學質(zhì)量的提高,真正實現(xiàn)物理化學實驗教學的全部目標。

[關(guān)鍵詞] 物理化學實驗 虛擬實驗室 學生

物理化學實驗是一門理論和實踐性很強的基礎(chǔ)實驗課程,與其它化學實驗課程(無機化學實驗、分析化學實驗、有機化學實驗)相比,其實驗內(nèi)容更側(cè)重于定量地解釋化學過程的規(guī)律,實驗手段基本是采用各種各樣的實驗儀器,涉及到熱、電、光、聲、磁等物理方面的內(nèi)容較多,這要求學生掌握一些儀器的操作,同時更注重培養(yǎng)學生解決問題時的研究方法和思路。該課程的特點決定了其在培養(yǎng)學生實驗基本技能、獨立操作能力、綜合實驗能力以及創(chuàng)新能力方面的特殊意義。相對于其它化學實驗來說,物理化學實驗顯得更為抽象和復雜。

近年來,各種先進的物理化學研究手段和儀器設備發(fā)展迅速,尤其是計算機技術(shù)的發(fā)展使物理化學實驗技術(shù)的更新逐年增大,但目前物理化學實驗內(nèi)容大多仍在沿用經(jīng)典教材。這直接導致目前物理化學實驗教學中普遍存在如下的問題:

1.學生操作儀器時間較少

物化實驗的特點是使用電子儀器多,而前幾門化學實驗課大多用玻璃儀器,所以學生對所使用儀器陌生;在預習實驗中,學生僅在教材中看到儀器的草圖,對儀器的整體構(gòu)造,沒有大致了解;而且相當大部分的儀器只在一個實驗中使用,在反復壓縮課時的情況下,實驗時間又少,實驗拖堂是無法避免的問題。盡管教師延長教學時間,但使學生在有限的實驗時間內(nèi),熟練掌握所用的各種儀器仍是難題。因此物化實驗普遍存在學生不能熟練掌握所用儀器。

2.實驗儀器不足

物理化學實驗大都需要使用比較精密的儀器,價格比較昂貴,因此儀器的數(shù)量就受到了一定的限制,一些大型儀器只能多人組開設,使部分學生動手機會少;有些實驗因為儀器價格太高,在教學中只能選擇放棄,這都影響了實驗教學效果。

3.實驗教學形式單一

物理化學實驗教學模式通常是學生預習,教師現(xiàn)場講解,學生再進行實驗。學生在整個實驗過程沒有發(fā)揮主體作用,缺乏學習的主動性和積極性,對實驗課不重視,教學效果差, 達不到實驗教學的目的。

4.物理化學理論教學內(nèi)容與實驗內(nèi)容不同步

物理化學實驗教學中, 普遍存在教學內(nèi)容落后于實驗內(nèi)容的情況。學生還沒有學到相關(guān)方面的基礎(chǔ)理論知識, 就要開始這方面的實驗, 學生要在不知道實驗理論基礎(chǔ)、沒見過實驗儀器的情況下完成實驗。這樣做既不利于學生實驗思維能力的提高, 也不能激發(fā)學生的積極性和創(chuàng)造性, 更不能將所學理論知識通過實驗進一步消化理解。

正是由于這些問題的存在制約了物理化學實驗的教學?；诖?構(gòu)建現(xiàn)代物理化學實驗教學新體系勢在必行,我們提出了虛擬物理化學實驗室的的課程教學計劃。該課程計劃的目的是通過網(wǎng)絡多媒體工具與建立網(wǎng)絡虛擬實驗室,使學生能在實際操作之外更多地學習和鞏固物理化學實驗的相關(guān)理論和操作;克服傳統(tǒng)物理化學實驗教學時間少, 緩解實驗設備不足的現(xiàn)狀;提高學生的創(chuàng)造能力,使學生獲得了更多的實驗信息,從而有利于實驗教學質(zhì)量的提高,真正實現(xiàn)物理化學實驗教學的全部目標。該課程教學計劃包括:(1)修訂完善編制的物化教材與網(wǎng)上教學資料;(2)根據(jù)本校實驗儀器錄制實驗教學片;(3)制作部分仿真實驗;(4)開設開放性實驗。

1.全新的物理化學實驗教材

現(xiàn)有物理化學實驗教材的編寫通常是依據(jù)編者所在單位的儀器設備條件而定的,而我院實驗室的實際儀器裝備條件不可能與其完全一致。而且隨著科技的進步,新型設備的不斷引入,也會出現(xiàn)部分實驗步驟不一致的情況。目前,我們已經(jīng)編制適合現(xiàn)代物理化學實驗儀器的實驗教材。該教材的電子版可以在網(wǎng)站上瀏覽,更與利于學生的自學,同時可以根據(jù)實驗設備的更新而同步更新。該教材更新的主要部分有:(1)計算機輔助開放性的物理化學實驗,有燃燒熱,熔解熱,金屬二元相圖,凝固點降低法測物質(zhì)的摩爾質(zhì)量。在整個實驗過程中,利用計算機進行實驗記錄和數(shù)據(jù)處理。修訂了原有的實驗操作步驟使之與新設備吻合。(2)增加了分子結(jié)構(gòu)的構(gòu)建與模擬實驗。利用免費的分子模擬軟件以及我院購買版權(quán)的量子化學軟件,增加了小分子分子結(jié)構(gòu)的設計以及分子軌道、振動頻率、偶極距等計算。使學生一方面對分子的結(jié)構(gòu)有直觀的認識,進而對物質(zhì)結(jié)構(gòu)方面實驗有一些理論上的了解;另一方面,可以讓學生對物理化學科學前沿的發(fā)展有一個簡單的了解。(3)針對不同專業(yè)方向的設計實驗,例如燃燒熱實驗,化工專業(yè)可以選擇化工產(chǎn)品,食品專業(yè)可以選擇食物。解決了實驗內(nèi)容的更新慢而且與專業(yè)聯(lián)系不足的缺點。

2.利用新設備制作操作實驗錄像

利用實驗室近幾年更新的計算機控制處理的實驗設備,重新錄制比較標準的實驗教學錄像片。該教學片系統(tǒng)地講授物理化學實驗技術(shù)以及每個實驗的實驗原理、具體的操作步驟、正確的實驗現(xiàn)象。學生在實驗前通過觀看教學錄像,了解所用實驗儀器的原理和操作方法、實驗中的現(xiàn)象,使學生在進入實驗室后,能在有限的實驗教學時間內(nèi),熟悉所用儀器,加深對物理化學研究方法的了解,拓寬學生知識面,增強學生學習興趣,完善學生的知識結(jié)構(gòu),全面理解實驗的各個步驟,進而熟練的進行實驗操作。同時可以在某種程度上緩解實驗設備不足的現(xiàn)狀。

3.多媒體與虛擬仿真實驗

把一些驗證性的實驗和設備價值較高無法開設的實驗改成仿真摸擬實驗, 幫助理解物化理論知識, 使學生對物化實驗及儀器使用有一個感性認識。可以通過校園網(wǎng)絡, 開設實驗教學網(wǎng)站,制作仿真實驗軟件, 讓學生能根據(jù)理論課進度, 進行模擬仿真實驗, 這樣, 提高了學生對理論課知識的理解和對實驗的興趣,還可為學生提供現(xiàn)有的各種儀器的工作原理和使用說明, 使他們通過網(wǎng)絡熟悉儀器, 產(chǎn)生感性認識, 為必修實驗打下基礎(chǔ)。同時,生活生產(chǎn)中與物理化學實驗相關(guān)的材料也可以以多媒體的形式掛在網(wǎng)站上,開闊學生的眼界。通過仿真模擬實驗, 實現(xiàn)了物理化學實驗的第一層次要求, 既使學生對物化實驗產(chǎn)生了興趣, 又使學生獲得了更多的實驗信息, 從而有利于實驗教學質(zhì)量的提高。

4.開設開放性實驗

在學生有了一定的實驗操作動手能力、調(diào)動起了學習積極性的基礎(chǔ)上,可以進行開放性實驗探討。開設開放性大多為具有一定深度和前沿性的小課題或直接參與老師的科研項目,學生自己查閱相關(guān)資料、設計實驗方案, 確定實驗內(nèi)容和實驗時間,自己動手做一切與實驗相關(guān)的工作。以學生為主體的開放性實驗, 學生自主學習, 獨立思考, 自由發(fā)揮, 從而激發(fā)學生的創(chuàng)造性思維和探索精神, 培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力,實驗室與實驗設備也得到充分利用,學生通過對實驗結(jié)果的檢測, 使用到大型的精密儀器設備, 學以致用, 更進一步激發(fā)學生對實驗的興趣。

整個課程教學改革計劃四部分內(nèi)容是一個有機的整體,學生學習物理化學實驗的步驟按照:實驗教材中的實驗→對應的實驗錄像→多媒體與虛擬仿真實驗→實驗室操作,開放性實驗則是最后的檢驗環(huán)節(jié)。該計劃可以一方面解決目前物理化學實驗教學中普遍存在的多種問題,全面實現(xiàn)物理化學實驗教學目的;另一方面可以在有限的實驗教學時間內(nèi),擴大學生的知識面,使學生了解物理化學實驗與實際生產(chǎn)的聯(lián)系,激發(fā)學生們的求知欲望和探索精神, 提高了學生的創(chuàng)造能力。

結(jié)論:

該課程計劃首次把多媒體技術(shù),電影,虛擬仿真技術(shù)聯(lián)合應用到物理化學實驗教學上,構(gòu)建一個完整的虛擬物理化學實驗室。其目的是使學生能掌握物理化學實驗的基本方法和技能,從而能根據(jù)所學原理設計實驗,選擇和使用儀器,培養(yǎng)動手能力,鍛煉學生的觀察能力,正確記錄數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)、分析實驗結(jié)果的能力,培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神以及嚴肅認真、事實求是的科學態(tài)度和作風。其特色和創(chuàng)新之處在于:

1.多媒體技術(shù)+電影+仿真技術(shù)有機結(jié)合的虛擬實驗室。可以更新的電子版實驗書以及相關(guān)的多媒體資料,使學生了解原理的同時開闊眼界,標準的實驗錄像使學生對實驗有一個直觀的了解,易于掌握實驗的標準化操作。仿真實驗使學生利用電腦模擬真實環(huán)境,并根據(jù)真實環(huán)境中的理論和實際操作情況在虛擬的環(huán)境中進行操作、驗證、設計、運行。在此基礎(chǔ)上,學生進入實驗室進行操作。優(yōu)點:投資小,收效高;維護簡單,更新方便;資源豐富,適用面廣;提高設備利用效率,使用靈活;利于學生自主學習,提高學習效率。

2.真正的開放性實驗。虛擬實驗室的建立不僅節(jié)省了學生的學習時間,節(jié)約了設備的投入,關(guān)鍵是培養(yǎng)了學生自己學習設計實驗,選擇和使用儀器和進行開放性實驗的能力。

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