計算機輔助物理化學(xué)實驗課程教學(xué)探討*

高書燕

(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)實驗是化學(xué)專業(yè)的一門理論和實踐性很強的基礎(chǔ)課程，側(cè)重于定量解釋化學(xué)過程的規(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]。

作為獨立一門課程，物理化學(xué)實驗涉及的內(nèi)容較廣，涵蓋了熱、電、光、聲、磁等諸多物理學(xué)內(nèi)容；實驗方法具有多樣性和獨立性的特點，相對于其他實驗課程難度較大。同時，與理論教學(xué)相對應(yīng)的驗證性實驗在實驗教學(xué)中所占的比例也較大。因此，在教學(xué)過程中存在以下兩方面問題：(1)在以往的傳統(tǒng)教學(xué)模式中，物理化學(xué)實驗是按以下過程進行的：學(xué)生預(yù)習(xí)，教師講解和演示，學(xué)生模仿或操作。這樣做會使有些學(xué)生不愿多動腦筋思考，收不到預(yù)想的實驗效果。另外，由于實驗儀器較多，且實驗儀器的重復(fù)性較小，學(xué)生難以了解儀器的性能及使用，往往是做完實驗后方了解實驗儀器的構(gòu)造、性能、操作以及相關(guān)的注意事項；學(xué)生未能在實驗前對整個實驗過程進行全面了解，也基本沒有機會進一步強化所獲得的實驗技能。所以，很自然的結(jié)果是學(xué)生對做過的物理化學(xué)實驗基本沒有印象，更談不上用學(xué)過的物理化學(xué)實驗解決現(xiàn)實問題。(2)物理化學(xué)實驗內(nèi)容多為驗證性的，這種單一的實驗教學(xué)模式影響學(xué)生參與實驗的積極性，對學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)是不利的。另外，物理化學(xué)實驗需要測試的數(shù)據(jù)較多，測試數(shù)據(jù)的精度及時效性要求較高。傳統(tǒng)的方法是用手工處理，不僅速度慢而且準確度不高，這會導(dǎo)致工作效率較低、誤差較大，影響學(xué)生的積極性。

計算機的普及和發(fā)展為解決以上問題提供了可能。把計算機及有關(guān)軟件引入到物理化學(xué)實驗教學(xué)中，可以使教學(xué)水平、測試技術(shù)、實驗數(shù)據(jù)處理的準確性、實驗效率和實驗效果得到較大的提高和改進。

1 將計算機技術(shù)應(yīng)用于實驗教學(xué)

由于物理化學(xué)實驗涉及的實驗儀器較多且較為復(fù)雜，我們在物理化學(xué)實驗教學(xué)中使用了CAI課件，利用計算機進行實驗過程的模擬，將實驗原理、儀器內(nèi)部構(gòu)造、儀器組裝、儀器使用以及非常規(guī)操作的錯誤結(jié)果都以生動的動畫展示出來，向?qū)W生介紹如何使用該實驗中所用到的儀器，展示如何組裝裝置，講解實驗步驟并模擬實驗過程，警示學(xué)生避免錯誤操作以防止發(fā)生危險。通過動畫,使學(xué)生眼、耳、手、腦協(xié)同動作，從而大大增加了理解程度。如：在飽和蒸氣壓測定實驗中，儀器安裝的順序、緩沖瓶的位置、體系真空度的控制是整個實驗的關(guān)鍵操作。在學(xué)生模擬實驗時，如果有一種儀器安裝的順序不對或者真空度未滿足要求，電腦就會發(fā)出重新安裝的警告。每一步驟只有達到了要求，軟件才會發(fā)出“OK”信號，允許進行下一步操作。又如在燃燒熱的測定實驗過程中，我們發(fā)現(xiàn)有一個細節(jié)經(jīng)常被學(xué)生忽視：在測試過外桶溫度后，感溫探頭沒有移到內(nèi)桶中。這看似很小的失誤卻會導(dǎo)致整個實驗的失敗。為了避免出現(xiàn)問題，我們在講解時通過動畫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,設(shè)計錯誤預(yù)警機制能避免實驗過程中一些錯誤帶來的麻煩。通過課件將實驗原理和儀器使用以生動的動畫展示出來，可使實驗過程更直觀，學(xué)生也可以隨時調(diào)看實驗內(nèi)容，做好充分的預(yù)習(xí)工作；這也使學(xué)生能在實驗過程中及時查漏補缺，提高學(xué)習(xí)興趣與學(xué)習(xí)效率，并培養(yǎng)自學(xué)能力。教師可以通過在實驗前檢查預(yù)習(xí)報告以及提問等方式檢查學(xué)生的預(yù)習(xí)情況，并指導(dǎo)學(xué)生在系統(tǒng)上進行模擬實驗，對實際動手的實驗進行及時指導(dǎo)及有效補充。教師講實驗時，把重點放在各類實驗及儀器的原理及應(yīng)用范圍方面，讓學(xué)生了解各類儀器的構(gòu)造、性能和正確使用方法。這既可以增強和擴展實驗教學(xué)效果和培養(yǎng)實驗技能，又能調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和求知欲，并能防止在真實實驗中因誤操作帶來的各種危險。

2 用計算機自動控制實驗操作

對于物理化學(xué)實驗，傳統(tǒng)的方法是人工對實驗數(shù)據(jù)進行讀取和記錄，這一過程會引入人為的誤差，并且有些實驗數(shù)據(jù)的讀取相當(dāng)繁瑣。為減少實驗過程中的人為操作誤差，我們在物理化學(xué)實驗教學(xué)改革中，結(jié)合所開設(shè)的實驗內(nèi)容，對部分可計算機化的基礎(chǔ)實驗進行了計算機化處理[2]。如燃燒熱的測定實驗，傳統(tǒng)的實驗方法是用氧彈量熱計手工操作儀器來測定萘的燃燒熱，存在以下不盡如人意的地方：① 實驗是用貝克曼溫度計來測量溫度的，該溫度計不僅調(diào)整難度較大，且易讀錯實驗數(shù)值。② 貝克曼溫度計的材質(zhì)是玻璃，易被碰碎，導(dǎo)致汞污染，增加實驗的安全隱患。③ 在點火后的很短時間內(nèi)，溫度升高較快，但是傳統(tǒng)的計時法是用秒表人工計時，會使讀數(shù)產(chǎn)生滯后現(xiàn)象，導(dǎo)致讀出的溫度數(shù)值比實際值高，造成數(shù)據(jù)處理誤差。鑒于此，我們引進了WR多控型熱量計測試系統(tǒng)。它能自動控制實驗的點火操作，并提示點火失敗等信息，還能利用溫度傳感器結(jié)合計算機技術(shù)，自動、連續(xù)地記錄實驗初期至末期的實時體系溫度，這樣學(xué)生可以直觀地看到溫度隨時間的變化曲線，能有效節(jié)省實驗時間。在此條件下，可適當(dāng)增加實驗內(nèi)容，擴大學(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，而且計算機測量的數(shù)據(jù)精確度高，有助于減少人為誤差。

3 用計算機自動處理實驗數(shù)據(jù)

大多數(shù)物理化學(xué)實驗是要測出相關(guān)數(shù)據(jù)，通過不同變量的關(guān)系繪制出它們之間的關(guān)系曲線，再應(yīng)用該曲線進行計算,得出實驗結(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，即使是同一個學(xué)生處理同一組數(shù)據(jù)，其結(jié)果也會受其心理和外界因素的影響而有所波動。這些會使實驗結(jié)果不能很好地解釋和驗證物理化學(xué)的理論。于是，我們將計算機引入實驗數(shù)據(jù)處理的過程，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理自動化和“原位”分析實驗數(shù)據(jù)，旨在提高實驗數(shù)據(jù)處理的精確度,減少實驗誤差；同時也可以及時有效糾正實驗過程中的異常現(xiàn)象，提高實驗效率。例如：在碳鋼在碳酸銨溶液中極化曲線的測定實驗中，傳統(tǒng)的實驗方法是間隔一定的時間由人工記錄數(shù)據(jù)，實驗完畢后在坐標(biāo)紙上作出極化曲線圖。但往往整個圖形與所期望的圖形相差甚遠，誤差較大，實驗的精度也常常達不到實驗要求，而且整個實驗的數(shù)據(jù)收集處理過程費時費力，用傳統(tǒng)的方法收集一個實驗數(shù)據(jù)并進行處理大約需要6小時以上，如果從實驗預(yù)習(xí)開始到數(shù)據(jù)處理結(jié)束，大約需要兩天[3]。又如在凝固點降低法測定溶質(zhì)的摩爾質(zhì)量實驗中，數(shù)據(jù)收集過程的起始點和終止點很難用肉眼判斷，在數(shù)據(jù)處理過程中，曲線拐點的處理誤差很大；而采用 Excel軟件對實驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計處理，能方便快速地輸出數(shù)據(jù)曲線和處理結(jié)果、實驗誤差等信息，并可以與標(biāo)準曲線進行對比，不僅能節(jié)省實驗數(shù)據(jù)處理的時間，提高實驗數(shù)據(jù)處理的精確度，減少實驗誤差，而且能及時糾正實驗過程中的異常現(xiàn)象，提高實驗效率。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)越性和較好的時效性，同時也能使學(xué)生較早使用到數(shù)據(jù)分析軟件，為將來的科研做積淀。

除了上面介紹的幾點實踐外,我們也認識到：計算機輔助物理化學(xué)實驗教學(xué)的領(lǐng)域非常廣闊，還可以進行誤差分析、設(shè)計試驗等工作，這些有待于今后繼續(xù)研究探索。

參 考 文 獻

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

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

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