以創(chuàng)新、環(huán)保為導向的物理化學實驗改革與問題剖析

徐彩霞，馬存花，肖芙蓉，陳宏偉,楊紅兵

(石河子大學 化學化工學院，新疆 石河子 832003)

0 引 言

基于現(xiàn)代社會對人才的需求[1-2]，我校化學化工學院制訂了立足新疆，面向西部，服務于區(qū)域經(jīng)濟建設和大化工行業(yè)發(fā)展，培養(yǎng)具有良好的安全、健康、環(huán)境意識，良好的職業(yè)道德和社會責任感，掌握化工生產(chǎn)工藝過程和設備的基本規(guī)律和原理的人才培養(yǎng)目標。作為一門專業(yè)基礎課，物理化學實驗在培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維、創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力，通過實驗積累、培養(yǎng)科學研究的綜合能力方面具有重要作用[3-5]。為了將學院人才培養(yǎng)目標落到實處，結合學院實際情況，物理化學課程組從實驗設備更新、實驗內容的優(yōu)化與整合、物理化學實驗與大學生研究訓練計劃相結合、實驗數(shù)據(jù)處理手段的現(xiàn)代化4個方面入手，對物理化學實驗進行了一系列以創(chuàng)新、環(huán)保為導向的改革實踐，提升了物理化學實驗的教學質量，進一步促進課程在培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維、創(chuàng)新能力、環(huán)保理念等綜合素質方面所發(fā)揮的作用[6-9]。并根據(jù)目前課程的現(xiàn)狀，剖析了課程中存在的問題，通過對問題的剖析找出產(chǎn)生問題的根源，并提出了可行的解決方案。

1 物理化學實驗的改革實踐

1.1 更新實驗設備

物理化學實驗是化學化工學院和藥學院各專業(yè)包括應用化學、材料科學與工程、化學工程與技術、環(huán)境科學與工程、化學、藥學和制藥工程等的專業(yè)基礎課程，因此每年實驗課程工作量大，實驗設備利用率高，導致設備維持性能完好的時間短。為了能更好地呈現(xiàn)實驗效果，提高學生學習的積極性和主動性,學校2016年更新了大部分實驗設備，包括燃燒熱的測定、凝固點降低法測定分子量、液體飽和蒸氣壓的測定、低共熔相圖的繪制、雙液系相圖的繪制、電導的測定及應用、蔗糖轉化、電動勢的測定及應用和液體表面張力的測定等實驗設備。設備更新后，不僅提高了實驗效率，還節(jié)省了化學試劑，減小了對環(huán)境的危害。比如燃燒熱測定中的壓片，以前的實驗裝置要求將燃燒絲壓入藥片中，可是學生在壓片的過程中經(jīng)常會出現(xiàn)金屬磨具將燃燒絲割斷而需要重新壓片的情況，而現(xiàn)在的新設備無需將燃燒絲壓入，極大減少了壓片失敗的情況；液體表面張力測定實驗中，以前的儀器測試時需要溶液至少10 mL，而現(xiàn)在的新設備僅需要2 mL左右。再比如凝固點降低法測分子量的實驗，以往實驗需要至少3人才能完成，而且基本都是重復機械地攪拌操作，更新后需要操作的人少了，學生也不用重復一些機械的攪拌操作，而是把精力更多地放在了對實驗操作、實驗現(xiàn)象和實驗原理的理解與思考上，很好地提高了教學質量。教師通過對新舊設備的對比講解，開拓了學生的創(chuàng)新思維，同時教師借此鼓勵學生要大膽創(chuàng)新。

1.2 實驗內容優(yōu)化與整合

以前，難溶鹽溶解度的測定和醋酸解離度與解離常數(shù)的測定兩個實驗是獨立的，但它們所涉及的理論知識類似，所用儀器相同，實驗操作相對簡單，因此將兩個實驗整合在一起，縮短了時間，提高了學生的學習效率。液體飽和蒸氣壓的測定，液體表面張力的測定，低共熔相圖的繪制都屬于物理化學實驗中的經(jīng)典實驗。原來液體飽和蒸氣壓的測定所用的試劑是苯，表面張力實驗所用的液體是正丁醇的溶液，低共熔相圖繪制實驗采用的體系是萘和苯酚。但是苯的毒性很大，萘和苯酚在實驗過程中揮發(fā)量大，造成整個實驗室味道難聞，而且長時間無法散去，正丁醇的味道會讓人反胃，這種試劑的毒性和味道不僅會影響學生的身體健康，而且極大地影響了學生對實驗的興趣和積極性，同時也給環(huán)境造成了不良的影響。因此現(xiàn)在將苯和正丁醇都改為乙醇，而將萘和苯酚改為金屬鉍和錫，改為金屬鉍和錫后，即解決了實驗味道難聞的問題，同時金屬可重復多次使用，減少了試劑的用量，對于實驗經(jīng)費的節(jié)約和環(huán)境保護都很有利，并通過這種方式逐步樹立學生牢固的綠色環(huán)保理念和培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維與能力。

在設計實驗的開設過程中，采用提前1周給學生安排實驗題目、實驗的目的以及實驗提供的儀器和試劑，并根據(jù)實驗的難易程度，給學生提供一些設計思路,然后由學生進行設計。實驗中先由每個組選出代表講解自己的實驗方案，然后同組同學可對方案進行補充。老師根據(jù)實驗方案做出點評，指出實驗方案中存在的問題。然后由學生補充完善實驗方案，最后進行實驗。設計實驗從資料的查閱、方案的設計與完善到實驗的開展過程中給學生充分的空間去發(fā)揮與培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維、創(chuàng)新能力以及對知識綜合運用的能力。

1.3 物理化學實驗與大學生研究訓練計劃相結合

物理化學實驗課時有限，為了進一步提高學生綜合應用知識能力和培養(yǎng)創(chuàng)新思維、創(chuàng)新能力,引導學有余力的學生申請大學生研究訓練計劃(SRP)。在完成SRP項目期間，老師的主要作用是引導學生，學生要自己查閱文獻，制定實驗方案，購買試劑，配制溶液，完成實驗和撰寫結題報告等，在實驗中肯定會遇到一些困難和難題，甚至失敗，學生要自己想方設法克服困難和難題。經(jīng)過多年實踐，參與過SRP項目的學生在查閱資料、動手能力、論文撰寫、創(chuàng)新思維、創(chuàng)新能力方面遠遠高于沒有參與過SRP項目的學生。比如我院2012級一同學在開展負載型MnO2催化氧化脫硫研究項目期間，較熟練地掌握了催化劑的制備、脫硫實驗、催化劑性能評價、催化劑的表征等方面的工作，該同學經(jīng)過這一系統(tǒng)的訓練，對科研工作產(chǎn)生了濃厚的興趣，因此利用寒暑假和周末時間很早就投入到畢業(yè)論文實驗工作當中，實驗取得了很好的結果，論文被評為大學優(yōu)秀畢業(yè)論文，他被保送為985高校的研究生。

1.4 實驗數(shù)據(jù)處理手段的現(xiàn)代化

以前在數(shù)據(jù)處理方面，通常要求學生采用手工作圖，其主要目的是為了防止學生偷懶、抄襲。但是手工作圖也有很多缺陷，比如費時、費力、結果準確性差等問題。為了便于今后學生進行本科畢業(yè)論文的撰寫，工作后能熟練應用Origin和Excel等辦公軟件[10-11]，快速融入工作環(huán)境，提升學生職場競爭力，現(xiàn)在提倡學生采用計算機軟件進行數(shù)據(jù)處理，但是要求每個學生必須獨立完成整個數(shù)據(jù)處理過程，規(guī)定一旦發(fā)現(xiàn)學生直接套用別人的處理過程或者打印別人的處理結果，將會按照本次實驗不及格處理。軟件的使用要求學生自學，學生在自學軟件使用和利用計算機處理數(shù)據(jù)的過程，對學生自學能力的培養(yǎng)、創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)都具有積極的促進作用。

2 存在問題的剖析與解決方案

盡管物理化學實驗開設了很多年，期間也在不斷改進[12-14],但是實驗教學中仍然發(fā)現(xiàn)存在諸多問題[15-16]。

(1)不重視實驗預習。物理化學實驗原理難懂，操作復雜。如果課前沒有很好地預習，即使課前老師進行詳細地講解原理和實驗操作，很多同學聽完還是一頭霧水，不知道實驗到底要干什么？怎么做？實驗數(shù)據(jù)如何處理等？實驗結束后還是有很多問題沒弄清楚。因此課前預習是所有老師都要求的，但是在實踐中發(fā)現(xiàn)即使強調預習何等重要，課前必須寫好預習報告，老師要進行提問等，學生仍然不夠重視，預習報告就是抄實驗書，提問時簡單問題也回答不上的情況頻頻出現(xiàn)，很多學生認為回答不上問題，老師也不能把他們怎樣，所以無論老師如何強調預習，學生還是不重視。有鑒于此，可以加大提問在課程總評成績中的比例，對于回答不上問題的同學要勇于給零分，讓他們存在掛科的可能，只有讓同學們意識到回答不上問題就可能存在掛科風險時，他們一定會重視課前預習，這樣才能提高學生的學習主動性。除此之外，應該加強計算機輔助教學在實驗預習中的作用。比如利用仿真軟件，讓學生在實驗前就能通過電腦直觀地看到實驗的整個操作過程、實驗細節(jié)和實驗的現(xiàn)象等，這對于學生理解實驗原理，提高對實驗的興趣和學習積極性都具有很大的促進作用，這也一改以往教師一味抽象講解的局面。這種教學模式的轉變，對學生創(chuàng)新思維與能力的培養(yǎng)具有重要作用。

(2)設計性實驗受到諸多限制。雖然課程有開設設計性實驗，但是離期望的設計實驗差距還很大。比如實驗室只有物理化學實驗中用到的常規(guī)儀器和試劑，而采購常用試劑至少需要1周時間，采購非常用試劑和儀器時間更長、成本更高，導致學生的實驗方案范圍會極大地受到實驗儀器和試劑的限制，學生沒有充分發(fā)揮的余地，所以設計的方法基本一樣，很難調動學生的學習積極性和主動性，從而失去了設計實驗本身的意義。因此為了開好設計實驗，學院應該做好實驗室儀器和試劑共享平臺。學生在設計方案時，只要共享平臺中有的儀器和試劑，均可通過履行正常的借用手續(xù)后使用，而不再僅僅局限于物理化學實驗室，這樣就可極大的拓寬學生設計實驗方案時的范圍，真正起到充分調動學生學習積極性和主動性，發(fā)揮主觀能動性，培養(yǎng)創(chuàng)新思維與創(chuàng)新能力的目的。

(3)考核方式不完善。以前實驗課程結束后會進行考試，考試題目采用抽題卡的方式進行。題卡中有問答題和實驗操作兩部分。但是考試時發(fā)現(xiàn)好多學生平時表現(xiàn)很好，可是一到抽題卡考試，緊張得什么都不知道了，而且物理化學實驗中很多儀器只用一次，學期結束時考核學生操作，很多學生都是靠死記，這種考核意義不是很大，后來將期末考核改為設計實驗進行考核的辦法，雖然設計實驗有很多好處，但是發(fā)現(xiàn)沒有期末考核后，學生對實驗課程的重視程度明顯下降，而且很多同學都抱著只要實驗做完就可以的心態(tài)，至于怎么做，為什么這么做等毫不在意。所以在以后的實驗中，在設計實驗考核的基礎上，還應該增加期末考核。具體的成績構成比例為：提問20%，操作技能20%，數(shù)據(jù)及處理20%，設計實驗20%，期末考核10%，實驗態(tài)度和考勤10%。并且設計實驗也要一改”以數(shù)據(jù)”論英雄的做法，應該允許學生犯錯誤。如果學生用心設計、用心實驗，但是實驗數(shù)據(jù)問題很大，對于這樣的同學，如果他們能對錯誤進行認真分析、討論，教師要根據(jù)實驗設計的用心程度和對錯誤分析討論情況給予合理的分數(shù)。只有這樣學生才愿意大膽創(chuàng)新，而不用擔心萬一設計實驗失敗成績會受很大影響的問題。

3 結 語

在物理化學實驗的教學過程中，針對存在的問題一直在進行各種嘗試，然后將成功的嘗試逐漸推廣。通過實踐發(fā)現(xiàn)，改革受到了同學們的歡迎和支持，也取得了一定成效。這也激勵物理化學實驗的教師不斷進行新的嘗試，以期能夠探索出與快速發(fā)展的社會相適宜的教學模式與方法，從而培養(yǎng)出具有過硬綜合素質的高水平人才。物理化學實驗教學的改革實踐，永遠在路上。