物理化學實驗教學的創新研究*

陳永寶 訾學紅 劉淑珍

(北京工業大學環境與能源工程學院 北京100124)

物理化學是重要的化學化工專業基礎課，其基本原理和相關知識可在諸多領域得到應用，如化工(熱力學和動力學)、材料(表面和膠體化學)、藥物(熱力學)、冶金、電池(熱力學、電化學)、電鍍(電化學)等［1］。物理化學實驗是物理化學課程教學的重要組成部分，是培養學生物理化學基本素質、動手能力和科研能力的重要教學環節［2-4］。但現有的實驗教學模式未能充分體現對學生自主實驗能力的培養，導致學生實驗的積極性不高、依賴心強，教學效果不理想［5］。學生預習流于形式，過分依賴于指導書和指導教師的課堂講解、實驗指導，對做過的實驗沒有深入認識，不能主動地用學過的物化知識解決現實問題。據此，我們在教學中著眼于對學生創新能力的培養，堅持以學生興趣為出發點，讓學生將學到的理論知識用于解決生活中遇到的問題，選擇一些傳統的熱力學實驗(燃燒熱的測定)、電化學實驗(醋酸電離常數的測定)和表面化學實驗(表面張力的測定)，進行教學改革和創新，收到了良好的教學效果。介紹如下。

(1)實驗內容與生活相結合，激發學生的實驗興趣。

興趣是個體行動的巨大動力。實驗興趣是指學生對實驗所產生的積極的、帶有選擇性和傾向性的態度和情緒，它影響著實驗教學的效果，決定著實驗教學的成敗。只有學生對實驗感興趣，才能主動去了解實驗、探索實驗，積極思考和實踐，并在此過程中產生愉快的情緒和體驗，這樣才能產生良好的教學效果。相反，如果學生沒有實驗興趣，就會尋找各種理由來應付實驗。

在燃燒熱測定實驗教學中，我們從“人為什么要吃飯?”這一基本問題入手，引導學生意識到人體同樣遵循熱力學第一定律，認識到能量過?；蛉狈淼挠绊懞徒Y果，以引起學生的關注和興趣，從而去測量日常所吃食物的熱量，進而解決“怎樣吃才健康?”的問題。在醋酸電離常數測定實驗教學中，我們從食用醋“勾兌門”這一社會熱點問題入手，引導學生比較釀造醋、配制醋和假醋的區別，了解醋的食用價值和營養成分;然后通過讓學生測量日常食用醋的導電能力，進而解決“怎樣鑒別食用醋?”的問題。對于表面張力測定實驗，我們從荷葉上的露水、美麗的肥皂泡等生活現象入手，引導學生關注表面現象，了解表面張力和表面活性劑;然后通過讓學生測量日常洗滌用品的表面張力，進而解決“怎樣洗東西才干凈?”的問題。

將測量對象與日常生活相結合的教學改革和創新，實現了實驗內容的自主選擇，激起了學生的實驗興趣，學生主動要求測量米飯、饅頭、白菜、水果、干果等食品的熱量，檢測白醋、陳醋、香醋、米醋、餃子醋、蘋果醋、保健醋、食用醋精等食用醋的導電性能，測定市售雕牌速溶快潔、奧妙凈藍全效無磷、汰漬凈白去漬無磷等洗衣粉和雕牌超能、奧妙超效、汰漬三重功效等洗衣皂的表面張力。

(2)制作實驗教學片，培養學生的操作技能。

燃燒熱、電離常數和表面張力的測定實驗能幫助學生掌握和理解熱力學第一定律、系統與環境、狀態函數、恒容熱效應、反應進度，電導率、摩爾電導率、電離度、電離平衡常數和表面吸附、表面張力、表面自由能、吉布斯吸附量、表面張力與吸附的關系等熱力學、電化學和表面化學的基本概念和知識，訓練學生操作使用量熱計、數字溫差儀(替代貝克曼溫度計)、微壓差測量儀、恒溫水浴、信號發生器、分析天平、萬用表、壓片機、臺秤、充氧儀、氧氣鋼瓶、減壓閥、簡易電橋、電極、容量瓶、移液管、表面張力儀等儀器設備，具有內容抽象、儀器種類多、操作較復雜的特點。

如果學生僅靠實驗指導書進行預習，往往理解不透，抄預習報告應付檢查的現象很普遍，基本達不到教學要求的預習效果;僅靠實驗課上教師的示范講解，則很難在短時間內完全掌握所用儀器的使用方法和實驗的關鍵操作，實驗中難免會出現種種問題，甚至導致實驗失敗。為此，我們讓具有豐富實驗教學經驗的一線教師親自設計、操作演示實驗;由專業人員拍攝并制作實驗教學片;采用特寫鏡頭對實際操作過程和儀器狀態進行了細微的記錄，使關鍵步驟得以強調，過程生動而直觀。將制成的實驗教學片放在校園網上供學生自主學習使用。

有了教學片的幫助，學生在預習時就不會感到“摸不著頭腦”;加上實驗時教師的講解和演示，就能使學生很快掌握實驗要領和儀器操作，大大減少實驗問題，實驗成功率也大幅提高，燃燒熱測定實驗的點火成功率接近100%，很受學生歡迎。更為重要的是，借助于教學片，能夠將教師從實驗和操作的示范講解中解脫出來，有更多時間去發現學生實驗中的問題，并啟發學生分析問題、解決問題，培養學生勤于思考、善于思考、創新思維的能力［6］。

(3)采用案例分析教學法，培養學生的科研素養。

案例分析教學法就是把實際實驗中出現的情況和問題作為案例，交給學生研究分析，培養學生發現問題、分析問題和解決問題的能力。在案例分析教學時，教師扮演設計者和激勵者的角色，鼓勵學生獨立思考、積極參與討論;引導學生不僅要注重知識的積累，更要重視知識的運用;在學生主動思考、提出問題、想出解決方案后，進行引導和總結。這樣做不僅能夠調動學生的學習主動性，培養學生的基本科研素養，增強學生的創新意識和能力，而且能夠發現教師自身的弱點和不足。

為了有效培養學生的科研素養，我們首先以過去的燃燒熱、電離常數和表面張力等實驗的學生報告作為實例，讓學生進行討論，指出報告中的問題，分析原因并給出正確的解決辦法;重點解決實驗過程是否正確、原始記錄是否準確、數據處理是否有誤等問題;然后以特定的日常生活用品作為研究對象，討論具體的物性測量問題，培養學生實驗方法和技術的綜合運用能力。以蘋果燃燒熱的測定為例，學生要考慮含水量、形態對測定的影響，選擇測定方法(傳統的量熱法或成分分析法或差熱分析法)，明確每種方法所測得的結果是低熱值、高熱值、總熱值中的哪一個，并為食用提供能量參考。又如山西老陳醋電離常數的測定，學生要考慮醋中各種成分的影響，選擇簡易電橋法或電導率儀來測量溶液的導電能力，同時要測定醋的濃度，明確總酸、揮發性酸、不揮發性酸的概念，并為不同種類食用醋的鑒別提供實驗依據。再如，雕牌速溶快潔洗衣粉表面張力的測定，學生要考慮洗衣粉溶液濃度對表面張力的影響，明確臨界膠束濃度(CMC)的概念，測量CMC時要選擇是使用最大氣泡法，還是電導法或者熒光光度法，并驗證溶液濃度達到CMC時去污能力是否也達到最強。

(4)開放實驗室，培養學生的實驗自主性。

在強調素質教育和創新教育的今天，實驗室的開放已成為普遍認可的實驗教學創新模式。為了培養高素質應用型創新人才，配合物理化學實驗的創新教學，滿足學生的實驗需求，我們全面開放了物理化學實驗室，給學生充分自我展示、自我發展的機會和空間，以達到培養學生自主實驗、科學實驗和創新實驗的目的。

學生在掌握了基本的實驗技能和儀器操作，完成了教學實驗案例分析并經過實驗室安全培訓之后，就可以自主使用物理化學實驗室。在時間上，學生只要通過預約，就能隨時進入實驗室做實驗。在內容上，只要與物理化學實驗相關，學生就可以自主確定測定對象;在保證安全的前提下，測量哪種食物的熱量、研究哪種食用醋、評價哪種洗衣粉或肥皂，都由學生自己做主。在資源供給上，優先使用實驗室的現有資源，不足部分從其他實驗室進行調劑;對于無法調劑的資源則外購，若購置經費不足，則建議學生更改實驗思路。

(5)實驗報告論文化，訓練學生的科學思維。

傳統的教學實驗完成后，通常要求學生交一份規定格式的實驗報告，主要包括實驗目的、實驗原理、實驗儀器與藥品、實驗步驟、數據處理、思考題和總結分析。對于實驗報告的前4項內容，學生往往習慣于照抄實驗指導書;對后面的幾項內容也多是相互借鑒完成，難以達到提高學生分析總結能力、訓練學生科學思維的目的。

我們將實驗的總結報告論文化，要求學生按科學論文的格式寫實驗報告，全面訓練學生的科學思維。論文前面要有摘要和關鍵詞。論文主體要說清楚3個問題:一是為什么要做實驗，即實驗的意義;二是自己怎么做的實驗，包括實驗數據的分析處理;三是得出了什么結論，并指出需要努力的方向。在論文最后面要列出參考文獻。學生在提交實驗小論文后，還需要向其他同學和教師匯報實驗情況，完成相互交流、共同提高的教學環節。

近年來的物理化學實驗教學創新和改革實踐已經展示出培養學生實驗能力、科研素養和創新能力方面的魅力，參與創新實驗教學的學生，普遍感到很有收獲，學會了主動思考、自主實驗、科學總結，初步掌握了分析問題和解決問題的基本方法，具備了一定的創新意識和能力。當然，這種教學創新還需要進一步研究和實踐，解決實驗教學時間偏長等問題;在不斷完善、不斷優化、不斷拓展中，全面提高物理化學實驗教學的水平和質量，為培養高素質應用型創新人才提供一條新途徑。

［1］李學峰，趙艷茹.大學化學，2012，27(5):14

［2］鄭傳明，呂桂琴，王良玉.實驗技術與管理，2008，25(1):132

［3］高書燕.大學化學，2011，26(5):52

［4］唐業倉.廣東化工，2011，38(4):249

［5］陳永寶，徐慶輝，夏定國，等.中國現代教育裝備，2010(21):84

［6］白廣梅，王小逸，陳永寶，等.中國現代教育裝備，2011(15):141