工程認證背景下物理化學實驗課程建設的探索

(北京工業大學 環境與能源工程學院 化學化工系 綠色催化與分離北京市重點實驗室，北京 100124)

工程教育專業認證是國際通行的工程教育質量保證制度，是實現工程教育國際互認和工程師資格國際互認的重要基礎[1-3]。2015年年初，我校環境工程專業順利通過工程教育專業認證。工程教育專業認證更注重學生工程實踐能力的培養，強調對教育體系的持續改進[4]。

物理化學是環境科學專業的一門重要基礎課，在人才培養方案中先修的課程包括無機及分析化學、大學物理、高等數學等[5]，并為后續的環境工程原理、水質工程學、大氣污染控制工程等課程提供支持。而實驗教學是物理化學學科體系中重要的教學環節，因其綜合性更強，使其對培養學生的創新思維、實踐動手能力和應用能力起著至關重要的作用。合理設置實驗內容，運用好實驗這個教學環節不僅能加深學生對理論知識的理解，更能使學生掌握一定的實驗技能，培養解決問題的思路，并能初步解決實際工程問題[6]。高校學生的實驗能力可概括為基本能力和高級能力。前者主要包括實驗操作能力、觀察能力、思維能力、數據處理能力和儀器設備的應用能力；后者主要包括分析和解決問題的能力、研究能力、綜合能力和創新能力[7]。但目前高校物理化學實驗教學在培養學生能力方面仍存在諸多問題，在實驗內容方面主要體現在實驗題目簡單，驗證性實驗偏多，綜合性、研究型性實驗偏少，限制了學生獨立思考的空間[8]。在工程認證背景下，更加注重以學生為中心，強調學生對知識的主動探索、主動發現和對所學知識意義的主動建構[9]，提高解決實際問題的能力。因此，物理化學實驗課程持續改進的重要性不言而喻。筆者將從豐富及更新實驗內容，構建具有基礎性、綜合性和研究應用性等多層次實驗體系方面提出建議。主要包括豐富驗證性實驗內容、開設大型儀器虛擬仿真實驗、綜合性實驗以及研究性實驗。

1 驗證性實驗的改革

在物理化學實驗中， 驗證性實驗一般是若干個具有代表性的必修實驗，目的是培養學生數據處理及分析能力，并通過實驗加深對理論知識的理解，主要目的為鍛煉學生的基本能力。目前來看，我們所開設的必修實驗內容較單一，數據處理過程及分析過程也略顯單薄，尚需精心設計和豐富內容才能達到實驗目的。例如，對于飽和蒸氣壓的測定，往往單一選用靜態法或者動態法進行實驗，學生通過實驗對氣-液平衡和克勞修斯-克拉貝龍方程等概念的理解不夠深入，在數據處理及分析方面得到的鍛煉不足。因此，我們建議將兩種方法都提供給學生進行嘗試和比較，通過對一個問題的多方面考證與分析，鍛煉學生的思維及動手能力。

首先通過兩種方法的實驗操作鍛煉學生的動手能力，通過實際體驗分析兩種方法在操作難易方面的優缺點，并能體會出實驗設計的思路，比如如何控制汽液平衡，如何操作能夠靈敏地調整控制條件。其次，用數據處理軟件如origin處理由兩種方法得到的兩套數據，擬合直線方程，給出方程表達式，根據克勞修斯-克拉貝龍方程確定在實驗溫度(或壓力)范圍內乙醇的平均摩爾蒸發熱。并與理論值相對比，分析兩種方法在準確度方面的不同。這樣的數據處理與分析過程就比較豐富，能夠使學生得到充分鍛煉。最后，綜合分析兩種方法的特點，鼓勵學生給出對測量裝置的改進建議，提高學生解決實際問題的能力。如此下來，我們通過對一個問題的多角度分析，采用控制不同因素來達到同一個目的，并采用對比手段進行分析，雖然在課時上增加了一些，但卻能大大提高學生的應用能力。

2 開設大型儀器虛擬仿真實驗

虛擬仿真實驗借助于圖形圖像、Flash動畫等現代技術構建高度仿真的虛擬實驗環境和實驗對象， 在計算機環境中建立逼真可視化的實驗操作環境。突破傳統實驗教學模式限制，將抽象的內容具體化、形象化，學生可以運用各種虛擬實驗儀器和設備高效、安全、經濟的完成各種預定的實驗項目[10]。近年來，物化實驗的儀器發展迅速，越來越先進，掌握一些常用大型儀器的操作與結果解析，對學生將來從事實踐、科研都大有裨益。而大型儀器臺由于套數和實際教學學時限制，學生在每一個短短的教學單元內很難做到熟練操作儀器、并深刻理解儀器工作原理。因此開設大型儀器虛擬仿真實驗十分必要。我們擬開設X-射線衍射儀(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)、比表面測試儀(BET)以及熱重-差熱熱分析儀(TG-)的虛擬仿真實驗。

例如，對于XRD虛擬仿真實驗來說，模擬X-射線衍射儀(XRD)基本工作原理，模擬儀器的基本結構及工作過程，以幫助學生對儀器工作原理有個基本理解，設計人機交互式樣品預處理環節，使學生對樣品預處理過程有大致了解，設計并模擬每一步的操作過程，使學生在計算機上完成每一步操作。最后根據模擬的譜圖，對學生進行簡單的圖譜解析訓練，使其能夠利用數據庫數據解析出樣品的構成，并要求學生完成并提交實驗報告。

在虛擬的儀器分析環節，學生可以對每個步驟進行仿真操作，最后，學生通過整理相關實驗數據，完成并提交實驗報告。這些是對真實實驗內容的重要擴展。

3 開設綜合性實驗實際接觸先進測試手段

在上面我們提到的虛擬仿真實驗可以面向全部學生開放，學生在電腦上可以熟悉大型儀器的使用。由于北京工業大學具有大型儀器共享平臺，具有較為充足的資源，可以滿足部分對科研懷有興趣的同學。具體方式可以采用選修綜合性實驗的方式，教師設計一些小課題，指導學生實際使用這些先進的測試手段。比如，Ti4O7是一種活性很強的新能源功能材料，晶體結構為氯化鈉型立方晶型和金紅石型正方晶型的混合粉末，在電池領域、環保行業及水處理領域等具有重要的應用。設計實驗如下，采用不同質量比的碳的前驅體聚乙烯醇(PVA)與TiO2混合，在氮氣中加熱到1100℃得到各種不同Ti-O化合物(Ti4O7，Ti5O9、Ti6O11)。利用X-射線衍射儀鑒定物質的結構，并得出結論在二者質量比為1∶1時獲得Ti4O7[11]。采用SEM觀測燒結前后的TiO2和Ti-O化合物粒徑與粒子團聚狀況。進一步采用BET手段測得Ti-O化合物的比表面積，以判斷其是否適合作為電催化劑的載體。教師可以根據自己的研究方向，結合具體實驗條件，設計各種小課題來進行綜合性實驗，課時數控制在16學時之內。使學生們用較少的時間接觸到本科階段很少涉獵的前沿科學研究方法，激發其科研興趣。

4 開設研究性實驗激發學生的創造性

上面談到的綜合性實驗還是以教師作為主體，主要目的是讓學生熟悉大型儀器的使用方法及功能。還可以進一步設計研究性實驗，以一年為研究周期，選擇具有一定深度和前沿性的小課題或者直接參與老師的科研項目，面向有強烈科研意愿的同學。這些實驗可與學校的大學生創新訓練計劃相結合，以學生為主體，學生通過自己查閱文獻、自主設計實驗方案和實驗內容，教師組織具有豐富科研經歷的老師和研究生參加方案合理性論證會，方案通過后學生自己動手做實驗工作，在實驗過程中充分發揮學生的積極主動性和創造性。若方案未通過，在教師指導下進行修正。這樣的“研究性實驗”以學生為主體，通過學生的獨立思考，自主學習，鼓勵其自由發揮，激發學生的探索精神和創造性思維，培養學生在實驗過程中發現分析問題并且解決問題的能力[12]。開設研究性實驗，可以充分利用各課題組的實驗室與實驗設備，進一步對在之前驗證性實驗、虛擬仿真實驗及綜合性實驗中所學到的各種儀器操作鞏固提高；學生通過研究性實驗的訓練，熟悉前沿科學研究方法，提高高級能力，為學生將來做畢業設計或者進一步深造奠定基礎，并為我校研究生后備人才進行儲備。物理化學實驗教學改進提高是一項長期的任務。在工程認證的背景下，筆者提出了一些粗淺的建議，希望能給同行們以參考，為共同提高物理化學實驗課程的教學質量而努力。