陳義剛

(山西師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，山西 太原 030031)

物理化學(xué)實驗通過物理的方法手段分析研究物理化學(xué)性質(zhì)及其與化學(xué)反應(yīng)之間的關(guān)系，使學(xué)生掌握物理化學(xué)的實驗方法和技術(shù)，增強學(xué)生對相關(guān)物理化學(xué)理論知識的理解掌握，對培養(yǎng)學(xué)生分析解決問題和邏輯思維能力具有重要意義[1]。物理化學(xué)是近代化學(xué)原理的基礎(chǔ)核心，其基本原理知識對研究化學(xué)及其相關(guān)科研領(lǐng)域提供重要理論方法和實驗技術(shù)手段支持，要求學(xué)生不僅掌握物理化學(xué)基本理論知識和其中蘊含的本質(zhì)規(guī)律及科學(xué)方法，而且能夠分析解決實際問題[2]。物理化學(xué)實驗?zāi)軌蜻M一步增強學(xué)生對物理化學(xué)本質(zhì)規(guī)律和科學(xué)方法的理解掌握和直觀應(yīng)用訓(xùn)練，對于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)實踐能力及創(chuàng)新能力等素質(zhì)起著重要作用，其教學(xué)質(zhì)量可以直接體現(xiàn)專業(yè)人才創(chuàng)新的培養(yǎng)水平高度[3]。教育部正積極推進一流學(xué)科建設(shè)，旨在培養(yǎng)科學(xué)基礎(chǔ)堅實、實踐能力強、綜合素質(zhì)高且富有創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)精神的復(fù)合型人才，打造創(chuàng)新經(jīng)濟發(fā)展的強大引擎[4]。創(chuàng)新驅(qū)動的本質(zhì)是人才驅(qū)動，只有培養(yǎng)高水平的創(chuàng)新人才，才可能產(chǎn)生一流的創(chuàng)新成果。一流學(xué)科建設(shè)不僅對高等學(xué)校人才個性化培養(yǎng)提出更高要求，同時對課程教學(xué)工作提出全新挑戰(zhàn)[5]。此外，科技的快速發(fā)展使傳統(tǒng)課堂教學(xué)面臨越來越多的挑戰(zhàn)，比如實驗設(shè)備的快速更新和實驗教材滯后的矛盾，實驗數(shù)據(jù)處理工具的現(xiàn)代化和傳統(tǒng)教學(xué)教師參與實驗后續(xù)工作不足之間的矛盾等。本文針對我?；瘜W(xué)學(xué)科人才培養(yǎng)要求以及學(xué)生基礎(chǔ)相對薄弱的特點，結(jié)合一流學(xué)科建設(shè)背景下對物理化學(xué)實驗教學(xué)的要求，以《液體飽和蒸氣壓的測定》實驗為例[6]，探討如何對物理化學(xué)實驗課程進行教學(xué)改革，提升教學(xué)效果和人才培養(yǎng)質(zhì)量。

1 物理化學(xué)實驗教學(xué)現(xiàn)狀及問題

1.1 理論知識障礙和課前預(yù)習(xí)不足

物理化學(xué)實驗的基礎(chǔ)知識主要源于物理化學(xué)理論知識，物理化學(xué)理論課抽象，邏輯性強。同時理論課學(xué)時不斷壓縮更加劇老師教學(xué)和學(xué)生學(xué)習(xí)的難度，導(dǎo)致學(xué)生物理化學(xué)理論學(xué)習(xí)看不透，知識不會靈活運用。不同學(xué)生基礎(chǔ)知識差別較大，我校這種情況尤為明顯。課堂教學(xué)有限的課時很難兼顧學(xué)生的個體差異，教師為達到較好的教學(xué)效果，只能進行僵化填鴨式的知識灌輸，很難提高學(xué)生對物理化學(xué)的學(xué)習(xí)興趣和自主學(xué)習(xí)能力。此外，物理化學(xué)理論課和實驗課在我校是各自獨立上課，經(jīng)常存在教學(xué)進度差異，導(dǎo)致實驗課教學(xué)常常走在理論課的前面。雖然老師在實驗課程中進行相關(guān)理論知識的講解，但是也很難讓學(xué)生在短時間內(nèi)消化理解并運用到相應(yīng)的實驗過程中。比如，在講解《液體飽和蒸氣壓的測定》實驗時，理論課尚未進行到相平衡這一章節(jié)，學(xué)生不熟悉飽和蒸汽壓與溫度的關(guān)系以及克勞修斯-克拉佩龍方程等相關(guān)知識和專業(yè)名詞，嚴(yán)重影響學(xué)生的課前預(yù)習(xí)積極性以及自主實驗操作和創(chuàng)新思維培養(yǎng)。同時，教師講解演示實驗過程時，不少學(xué)生存在聽不清看不見等問題，致使對實驗操作一知半解甚至完全不理解。實驗過程只能機械重復(fù)模仿，嚴(yán)重依賴?yán)蠋煟緵]有主動參與度，也不能激起學(xué)生主觀能動性和探索創(chuàng)新精神。

1.2 實驗教材單一僵化與實際脫軌

現(xiàn)代科技和理論的快速發(fā)展也帶來了物理化學(xué)實驗課程設(shè)計理念的不斷進步和發(fā)展，實驗專業(yè)設(shè)備隨之不斷更新?lián)Q代推陳出新，但是物理化學(xué)實驗課的教材內(nèi)容更新因為需要考慮嚴(yán)謹(jǐn)性和普適性而往往跟不上實驗內(nèi)容的發(fā)展周期，因此實際實驗教學(xué)內(nèi)容常常存在和教材內(nèi)容脫軌情況。比如我校進行《液體飽和蒸氣壓的測定》實驗授課中，壓力計已經(jīng)被精密數(shù)字壓力計取代，用更安全的蒸餾水取代乙醇作為測試對象，水浴改為硫酸鎂溶液等。但是學(xué)生在利用通用教材預(yù)習(xí)時并不知情，造成學(xué)生被動化接受老師機械式教學(xué)，大大降低學(xué)生主動參與實驗的積極性，嚴(yán)重影響學(xué)生積極主動的獨立思考及探索精神。此外，物理化學(xué)實驗作為一門基礎(chǔ)課，在我校其它相關(guān)專業(yè)都有授課，不同專業(yè)有不同的學(xué)生培養(yǎng)方案和要求，實驗授課內(nèi)容也有差異，通用教材很難滿足不同層次的授課需求。實驗教材和實際實驗內(nèi)容的不一致，學(xué)生在預(yù)習(xí)階段無法融入，造成學(xué)生對實驗設(shè)備及教學(xué)理念變化認知脫軌，不利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

1.3 教師課下參與不足和學(xué)生數(shù)據(jù)處理手段滯后

學(xué)生在課堂實驗操作完成并記錄實驗數(shù)據(jù)，課下處理數(shù)據(jù)并撰寫實驗報告。但是老師常常不參與課下學(xué)生的活動，老師和學(xué)生處于教和學(xué)分離的狀態(tài)。造成老師不了解學(xué)生在課堂的學(xué)習(xí)情況及對知識內(nèi)化程度，不利于后續(xù)實驗教學(xué)方式方法的調(diào)整改進。學(xué)生也不能在數(shù)據(jù)分析過程中就遇到的問題和老師及時溝通，影響學(xué)生對相關(guān)知識內(nèi)化吸收效果和學(xué)習(xí)的積極態(tài)度。通常存在的現(xiàn)象是，不少學(xué)生經(jīng)常按照通用教材內(nèi)容進行照搬照抄實驗過程和報告，致使實驗報告內(nèi)容和實際實驗操作出入很大。比如我校化學(xué)專業(yè)的《液體飽和蒸氣壓的測定》實驗課，研究對象實際用的是蒸餾水，但是不少學(xué)生報告依然是乙醇，實驗裝置圖不加改動照搬教材。有個別學(xué)生甚至篡改實驗結(jié)果從而和乙醇的沸點和汽化焓接近，這就不僅達不到培養(yǎng)學(xué)生的目的，而且還可能造成惡劣影響。另一方面，不少學(xué)生處理數(shù)據(jù)依舊是利用手動處理數(shù)據(jù)并畫圖，不會使用或者不熟練基本的Origin、Excel等軟件，不僅處理數(shù)據(jù)費時費力，而且實驗結(jié)果誤差較大，影響原因分析和對相關(guān)知識的理解。這些情況和新時代一流學(xué)科建設(shè)目標(biāo)嚴(yán)重背離，嚴(yán)重影響培養(yǎng)高水平的創(chuàng)新人才。

表1 創(chuàng)新驅(qū)動的物理化學(xué)實驗教學(xué)改革策略案例設(shè)計Table 1 Experimental design of the innovation-driven teaching method

2 創(chuàng)新驅(qū)動的物理化學(xué)實驗教學(xué)改革策略

2.1 混合激發(fā)式課前預(yù)習(xí)策略

基于我?；瘜W(xué)類專業(yè)物理化學(xué)實驗課特點，每個實驗三套實驗裝置，每套2個學(xué)生總計6人，提前一周確定上課人員并分3組，并建立網(wǎng)絡(luò)在線學(xué)習(xí)群。預(yù)先學(xué)習(xí)相關(guān)的理論知識并討論，以《液體飽和蒸氣壓的測定》實驗為例，首先了解什么是蒸氣壓，和壓力、溫度之間的關(guān)系。沸點原理并舉例子?？藙谛匏?克拉佩龍方程本質(zhì)是什么，能夠解決什么問題？然后3個小組進行學(xué)習(xí)討論，查閱實驗?zāi)康谋热缑鞔_純液體飽和蒸汽壓和蒸汽壓的概念及其與溫度的關(guān)系，理解勞修斯-克拉貝龍方程式；靜態(tài)法測定純液體飽和蒸汽壓的原理及方法，如何用圖解法求純液體的平均并學(xué)會由圖解法求其平均摩爾氣化熱和正常沸點；初步理解常用的氣壓計的使用及校正的方法，了解真空實驗技術(shù)等，然后將結(jié)果在線提交。然后3個小組互相分享集體討論，加深知識理解和吸收。老師將該實驗的原理、等壓計的構(gòu)造及精密數(shù)字溫度壓力計、緩沖瓶使用方法及不同于教材的實驗改動部分分別制成獨立的3～5 min短視頻上傳學(xué)習(xí)群，讓3個小組利用課余時間自由學(xué)習(xí)討論。老師提出問題，比如實驗要注意的事項？可不可以自己嘗試具體設(shè)計實驗流程并改進？通過混合激發(fā)式預(yù)習(xí)，不僅能使學(xué)生對相關(guān)知識和實驗過程有充分的理解，而且大大激發(fā)學(xué)生的主觀能動性和探索創(chuàng)新精神。

2.2 混合激發(fā)式課中實驗教學(xué)策略

實驗課堂教學(xué)中，老師將精力集中于學(xué)生預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)的普遍性問題解答及實驗操作的重點和難點分析。對實驗中所涉及的重點及難點知識進行激發(fā)式討論并實踐分析。例如：等壓計的設(shè)計原理是什么？利用等壓計如何判斷沸點、升溫和降溫II球和III球的現(xiàn)象是什么？隨機挑選學(xué)生進行實驗原理、儀器及操作實踐演示，鼓勵其他學(xué)生參與討論補充，老師參與總結(jié)講解，比如，減壓系統(tǒng)不能漏氣，否則抽氣時達不到本實驗要求的真空度；抽氣速度要合適，必須防止平衡管內(nèi)液體沸騰過劇，致使等壓計內(nèi)液體快速蒸發(fā)；實驗過程中，必須充分排除管內(nèi)液體之間空間中全部空氣，使下液面上空只含液體的蒸氣分子；等壓計兩個平衡小球必須放置于恒溫水浴中的水面以下，否則其溫度與水浴溫度不同等。學(xué)生實驗操作過程出現(xiàn)問題或者疑惑，實驗小組內(nèi)可討論分析或者直接詢問老師。老師及時處理實驗過程中的問題，確保實驗課堂學(xué)生充滿主動性和探索精神。學(xué)生很好參與課堂討論，合作完成實驗操作并記錄實驗結(jié)果。

2.3 混合激發(fā)式課后實驗教學(xué)策略

老師利用網(wǎng)絡(luò)在線學(xué)習(xí)群參與學(xué)生的課后學(xué)習(xí)。發(fā)布實驗數(shù)據(jù)處理方法如Origin、Excel等專業(yè)軟件視頻和講解。學(xué)生通過專業(yè)軟件處理實驗數(shù)據(jù)，提高實驗結(jié)果的準(zhǔn)確性。比如，根據(jù)測量數(shù)據(jù)，將校正壓力p取對數(shù)值lnp作為縱坐標(biāo)，以開氏溫度倒數(shù)1/T作為橫坐標(biāo)，繪制散點圖。由出lnp-1/T關(guān)系圖可以看出，如果直線相關(guān)性較高，線性較好，那么斜率較為準(zhǔn)確，可以用進行平均摩爾汽化熱與正常沸點T正常的代入計算，通過計算并與文獻值比較，分析實驗數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性及誤差。實驗數(shù)據(jù)中的異常問題開展小組討論。無法解決的問題，老師參與交流分析，引導(dǎo)學(xué)生獨立思考分析，幫助學(xué)生更好地完成知識的內(nèi)化。教師針對性地推送課后思考題，例如，實驗前如何檢查并保證體系不漏氣？測試摩爾汽化焓與文獻值經(jīng)常不一致的原因？實驗操作有沒有改善方法和策略？引導(dǎo)學(xué)生實驗結(jié)果的討論和分析，反思實驗結(jié)果，提出改進實驗的方法和策略。對參與討論的學(xué)生給予加分獎勵，強化激勵學(xué)生的主動性和探索創(chuàng)新精神。老師根據(jù)學(xué)生的課堂參與度、實驗操作及實驗報告等對教學(xué)活動進行評價和總結(jié)，改善后續(xù)教學(xué)。

3 結(jié) 語

創(chuàng)新驅(qū)動的本質(zhì)是人才驅(qū)動，只有培養(yǎng)高水平的創(chuàng)新人才，才可能產(chǎn)生一流的創(chuàng)新成果。物理化學(xué)實驗?zāi)軌蜻M一步增強學(xué)生對物理化學(xué)本質(zhì)規(guī)律和科學(xué)方法的理解掌握和直觀應(yīng)用訓(xùn)練，對于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)實踐能力及創(chuàng)新能力等素質(zhì)起著重要作用，其教學(xué)質(zhì)量可以直接體現(xiàn)專業(yè)人才創(chuàng)新的培養(yǎng)水平高度。針對物理化學(xué)實驗課程的特點及新時代教學(xué)要求，本文提出一種人才創(chuàng)新驅(qū)動的物理化學(xué)實驗教學(xué)改革思想及其應(yīng)用探討。以《液體飽和蒸氣壓的測定》實驗為例，創(chuàng)新驅(qū)動的物理化學(xué)實驗教學(xué)改革策略包括混合激發(fā)式課前、課中及課后三個環(huán)節(jié)，具有線上和線下雙重教學(xué)優(yōu)勢，不僅提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和積極性、提升實驗操作質(zhì)量及改善實驗結(jié)果，而且能夠促進知識的內(nèi)化并激發(fā)學(xué)生的探索創(chuàng)新精神，推動 “以學(xué)生為中心”的教學(xué)思想轉(zhuǎn)變。本研究提出的人才創(chuàng)新驅(qū)動的物理化學(xué)實驗教學(xué)改革思想為實驗類課程學(xué)生中心教學(xué)模式提供可選擇范例。