高書(shū)燕

(河南師范大學(xué)化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院 河南新鄉(xiāng) 453007)

物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)是化學(xué)專(zhuān)業(yè)的一門(mén)理論和實(shí)踐性很強(qiáng)的基礎(chǔ)課程，側(cè)重于定量解釋化學(xué)過(guò)程的規(guī)律，是物理化學(xué)課程教學(xué)的重要組成部分，是培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力和科學(xué)研究能力的重要環(huán)節(jié)，具有理論課教學(xué)起不到的作用[1]。

作為獨(dú)立一門(mén)課程，物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)涉及的內(nèi)容較廣，涵蓋了熱、電、光、聲、磁等諸多物理學(xué)內(nèi)容；實(shí)驗(yàn)方法具有多樣性和獨(dú)立性的特點(diǎn)，相對(duì)于其他實(shí)驗(yàn)課程難度較大。同時(shí)，與理論教學(xué)相對(duì)應(yīng)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中所占的比例也較大。因此，在教學(xué)過(guò)程中存在以下兩方面問(wèn)題：(1)在以往的傳統(tǒng)教學(xué)模式中，物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)是按以下過(guò)程進(jìn)行的：學(xué)生預(yù)習(xí)，教師講解和演示，學(xué)生模仿或操作。這樣做會(huì)使有些學(xué)生不愿多動(dòng)腦筋思考，收不到預(yù)想的實(shí)驗(yàn)效果。另外，由于實(shí)驗(yàn)儀器較多，且實(shí)驗(yàn)儀器的重復(fù)性較小，學(xué)生難以了解儀器的性能及使用，往往是做完實(shí)驗(yàn)后方了解實(shí)驗(yàn)儀器的構(gòu)造、性能、操作以及相關(guān)的注意事項(xiàng)；學(xué)生未能在實(shí)驗(yàn)前對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行全面了解，也基本沒(méi)有機(jī)會(huì)進(jìn)一步強(qiáng)化所獲得的實(shí)驗(yàn)技能。所以，很自然的結(jié)果是學(xué)生對(duì)做過(guò)的物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)基本沒(méi)有印象，更談不上用學(xué)過(guò)的物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)解決現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。(2)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容多為驗(yàn)證性的，這種單一的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式影響學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的積極性，對(duì)學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)是不利的。另外，物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)需要測(cè)試的數(shù)據(jù)較多，測(cè)試數(shù)據(jù)的精度及時(shí)效性要求較高。傳統(tǒng)的方法是用手工處理，不僅速度慢而且準(zhǔn)確度不高，這會(huì)導(dǎo)致工作效率較低、誤差較大，影響學(xué)生的積極性。

計(jì)算機(jī)的普及和發(fā)展為解決以上問(wèn)題提供了可能。把計(jì)算機(jī)及有關(guān)軟件引入到物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，可以使教學(xué)水平、測(cè)試技術(shù)、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的準(zhǔn)確性、實(shí)驗(yàn)效率和實(shí)驗(yàn)效果得到較大的提高和改進(jìn)。

1 將計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)

由于物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)涉及的實(shí)驗(yàn)儀器較多且較為復(fù)雜，我們?cè)谖锢砘瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中使用了CAI課件，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)過(guò)程的模擬，將實(shí)驗(yàn)原理、儀器內(nèi)部構(gòu)造、儀器組裝、儀器使用以及非常規(guī)操作的錯(cuò)誤結(jié)果都以生動(dòng)的動(dòng)畫(huà)展示出來(lái)，向?qū)W生介紹如何使用該實(shí)驗(yàn)中所用到的儀器，展示如何組裝裝置，講解實(shí)驗(yàn)步驟并模擬實(shí)驗(yàn)過(guò)程，警示學(xué)生避免錯(cuò)誤操作以防止發(fā)生危險(xiǎn)。通過(guò)動(dòng)畫(huà),使學(xué)生眼、耳、手、腦協(xié)同動(dòng)作，從而大大增加了理解程度。如：在飽和蒸氣壓測(cè)定實(shí)驗(yàn)中，儀器安裝的順序、緩沖瓶的位置、體系真空度的控制是整個(gè)實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵操作。在學(xué)生模擬實(shí)驗(yàn)時(shí)，如果有一種儀器安裝的順序不對(duì)或者真空度未滿(mǎn)足要求，電腦就會(huì)發(fā)出重新安裝的警告。每一步驟只有達(dá)到了要求，軟件才會(huì)發(fā)出“OK”信號(hào)，允許進(jìn)行下一步操作。又如在燃燒熱的測(cè)定實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)有一個(gè)細(xì)節(jié)經(jīng)常被學(xué)生忽視：在測(cè)試過(guò)外桶溫度后，感溫探頭沒(méi)有移到內(nèi)桶中。這看似很小的失誤卻會(huì)導(dǎo)致整個(gè)實(shí)驗(yàn)的失敗。為了避免出現(xiàn)問(wèn)題，我們?cè)谥v解時(shí)通過(guò)動(dòng)畫(huà)的形式展示這一失誤引起的后果，使學(xué)生獲得非常直觀的印象；同時(shí),設(shè)計(jì)錯(cuò)誤預(yù)警機(jī)制能避免實(shí)驗(yàn)過(guò)程中一些錯(cuò)誤帶來(lái)的麻煩。通過(guò)課件將實(shí)驗(yàn)原理和儀器使用以生動(dòng)的動(dòng)畫(huà)展示出來(lái)，可使實(shí)驗(yàn)過(guò)程更直觀，學(xué)生也可以隨時(shí)調(diào)看實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，做好充分的預(yù)習(xí)工作；這也使學(xué)生能在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中及時(shí)查漏補(bǔ)缺，提高學(xué)習(xí)興趣與學(xué)習(xí)效率，并培養(yǎng)自學(xué)能力。教師可以通過(guò)在實(shí)驗(yàn)前檢查預(yù)習(xí)報(bào)告以及提問(wèn)等方式檢查學(xué)生的預(yù)習(xí)情況，并指導(dǎo)學(xué)生在系統(tǒng)上進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，對(duì)實(shí)際動(dòng)手的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行及時(shí)指導(dǎo)及有效補(bǔ)充。教師講實(shí)驗(yàn)時(shí)，把重點(diǎn)放在各類(lèi)實(shí)驗(yàn)及儀器的原理及應(yīng)用范圍方面，讓學(xué)生了解各類(lèi)儀器的構(gòu)造、性能和正確使用方法。這既可以增強(qiáng)和擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果和培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)技能，又能調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和求知欲，并能防止在真實(shí)實(shí)驗(yàn)中因誤操作帶來(lái)的各種危險(xiǎn)。

2 用計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)操作

對(duì)于物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)，傳統(tǒng)的方法是人工對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取和記錄，這一過(guò)程會(huì)引入人為的誤差，并且有些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的讀取相當(dāng)繁瑣。為減少實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的人為操作誤差，我們?cè)谖锢砘瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革中，結(jié)合所開(kāi)設(shè)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，對(duì)部分可計(jì)算機(jī)化的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了計(jì)算機(jī)化處理[2]。如燃燒熱的測(cè)定實(shí)驗(yàn)，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法是用氧彈量熱計(jì)手工操作儀器來(lái)測(cè)定萘的燃燒熱，存在以下不盡如人意的地方：① 實(shí)驗(yàn)是用貝克曼溫度計(jì)來(lái)測(cè)量溫度的，該溫度計(jì)不僅調(diào)整難度較大，且易讀錯(cuò)實(shí)驗(yàn)數(shù)值。② 貝克曼溫度計(jì)的材質(zhì)是玻璃，易被碰碎，導(dǎo)致汞污染，增加實(shí)驗(yàn)的安全隱患。③ 在點(diǎn)火后的很短時(shí)間內(nèi)，溫度升高較快，但是傳統(tǒng)的計(jì)時(shí)法是用秒表人工計(jì)時(shí)，會(huì)使讀數(shù)產(chǎn)生滯后現(xiàn)象，導(dǎo)致讀出的溫度數(shù)值比實(shí)際值高，造成數(shù)據(jù)處理誤差。鑒于此，我們引進(jìn)了WR多控型熱量計(jì)測(cè)試系統(tǒng)。它能自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)的點(diǎn)火操作，并提示點(diǎn)火失敗等信息，還能利用溫度傳感器結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)，自動(dòng)、連續(xù)地記錄實(shí)驗(yàn)初期至末期的實(shí)時(shí)體系溫度，這樣學(xué)生可以直觀地看到溫度隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)，能有效節(jié)省實(shí)驗(yàn)時(shí)間。在此條件下，可適當(dāng)增加實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，擴(kuò)大學(xué)習(xí)信息量。這不僅能減少繁瑣的讀數(shù)、記數(shù)和處理工作，而且計(jì)算機(jī)測(cè)量的數(shù)據(jù)精確度高，有助于減少人為誤差。

3 用計(jì)算機(jī)自動(dòng)處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

大多數(shù)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)是要測(cè)出相關(guān)數(shù)據(jù)，通過(guò)不同變量的關(guān)系繪制出它們之間的關(guān)系曲線(xiàn)，再應(yīng)用該曲線(xiàn)進(jìn)行計(jì)算,得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理方法是手工在坐標(biāo)紙上描點(diǎn)作圖，同一組數(shù)據(jù)由不同的學(xué)生去處理，得到的結(jié)果也有差異，即使是同一個(gè)學(xué)生處理同一組數(shù)據(jù)，其結(jié)果也會(huì)受其心理和外界因素的影響而有所波動(dòng)。這些會(huì)使實(shí)驗(yàn)結(jié)果不能很好地解釋和驗(yàn)證物理化學(xué)的理論。于是，我們將計(jì)算機(jī)引入實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的過(guò)程，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理自動(dòng)化和“原位”分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，旨在提高實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的精確度,減少實(shí)驗(yàn)誤差；同時(shí)也可以及時(shí)有效糾正實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的異?，F(xiàn)象，提高實(shí)驗(yàn)效率。例如：在碳鋼在碳酸銨溶液中極化曲線(xiàn)的測(cè)定實(shí)驗(yàn)中，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法是間隔一定的時(shí)間由人工記錄數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)完畢后在坐標(biāo)紙上作出極化曲線(xiàn)圖。但往往整個(gè)圖形與所期望的圖形相差甚遠(yuǎn)，誤差較大，實(shí)驗(yàn)的精度也常常達(dá)不到實(shí)驗(yàn)要求，而且整個(gè)實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)收集處理過(guò)程費(fèi)時(shí)費(fèi)力，用傳統(tǒng)的方法收集一個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理大約需要6小時(shí)以上，如果從實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)開(kāi)始到數(shù)據(jù)處理結(jié)束，大約需要兩天[3]。又如在凝固點(diǎn)降低法測(cè)定溶質(zhì)的摩爾質(zhì)量實(shí)驗(yàn)中，數(shù)據(jù)收集過(guò)程的起始點(diǎn)和終止點(diǎn)很難用肉眼判斷，在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，曲線(xiàn)拐點(diǎn)的處理誤差很大；而采用 Excel軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理，能方便快速地輸出數(shù)據(jù)曲線(xiàn)和處理結(jié)果、實(shí)驗(yàn)誤差等信息，并可以與標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)進(jìn)行對(duì)比，不僅能節(jié)省實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的時(shí)間，提高實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的精確度，減少實(shí)驗(yàn)誤差，而且能及時(shí)糾正實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的異常現(xiàn)象，提高實(shí)驗(yàn)效率。這與傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理方法以及手工作圖相比較有較大的優(yōu)越性和較好的時(shí)效性，同時(shí)也能使學(xué)生較早使用到數(shù)據(jù)分析軟件，為將來(lái)的科研做積淀。

除了上面介紹的幾點(diǎn)實(shí)踐外,我們也認(rèn)識(shí)到：計(jì)算機(jī)輔助物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的領(lǐng)域非常廣闊，還可以進(jìn)行誤差分析、設(shè)計(jì)試驗(yàn)等工作，這些有待于今后繼續(xù)研究探索。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 王祥洪,胡武洪,秦宗會(huì).科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào),2009(2):138

[2] 王蘇文,袁立新,徐達(dá)圣,等.南京師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),1994,17(2):40

[3] 龐承新.廣西師范學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2004,21(z1):78