物化實(shí)驗(yàn)教學(xué)的教法探索

任淑霞，孫 英，邊 剛，馬 剛

（1. 河北大學(xué) 化學(xué)國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心, 河北 保定 071002；2. 河北大學(xué) 科技處，河北 保定 071002）

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高校教學(xué)的重要組成部分，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)以鞏固理論知識(shí)、掌握實(shí)驗(yàn)方法為目的。隨著國(guó)家提出建設(shè)創(chuàng)新型國(guó)家的目標(biāo)要求，培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新能力成為高校的重要任務(wù)。如何有效地為國(guó)家輸送“創(chuàng)新智力人才”成為高校教學(xué)研究的熱點(diǎn)[1-4]。由于理論與實(shí)踐相結(jié)合的特性，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力、工程實(shí)踐能力的重要途徑，是創(chuàng)新人才培養(yǎng)中不可缺少的環(huán)節(jié)。如何提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)成效，充分培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，是高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的重點(diǎn)[5-6]。

1 重新構(gòu)建實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

長(zhǎng)期以來(lái)，大學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)依附于理論教學(xué)，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容偏重于對(duì)所學(xué)知識(shí)的驗(yàn)證。受教學(xué)經(jīng)費(fèi)所限，許多教學(xué)設(shè)備由實(shí)驗(yàn)室自制，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)置簡(jiǎn)單、單一。隨著科技的發(fā)展及教育經(jīng)費(fèi)的不斷增加，高校實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備種類(lèi)齊全、技術(shù)先進(jìn)，在此基礎(chǔ)上重新構(gòu)建實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，將諸多含有創(chuàng)新元素的知識(shí)點(diǎn)融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，是目前高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的重要內(nèi)容。

1.1 綜合研究型實(shí)驗(yàn)

“物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)”是一門(mén)理論性、實(shí)踐性、綜合性、研究性很強(qiáng)的課程，是需要綜合運(yùn)用物理和化學(xué)的原理與技術(shù)、方法與儀器及數(shù)學(xué)運(yùn)算工具等多方面知識(shí)的課程。“物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)”一般面對(duì)大三學(xué)生開(kāi)設(shè)，此時(shí)的學(xué)生經(jīng)過(guò)了基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練，學(xué)習(xí)了“大學(xué)物理”“高等數(shù)學(xué)”等課程，具有一定的實(shí)驗(yàn)與理論基礎(chǔ)，具備了學(xué)習(xí)物理化學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)的條件。隨著經(jīng)費(fèi)投入的不斷增加，實(shí)驗(yàn)教學(xué)所用測(cè)試儀器配置越來(lái)越完善，學(xué)院大型測(cè)試儀器平臺(tái)也已向本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)開(kāi)放，使綜合研究型實(shí)驗(yàn)課程的開(kāi)設(shè)成為可能。綜合研究型實(shí)驗(yàn)主要從物質(zhì)的制備及表征入手，需要使用多種實(shí)驗(yàn)技術(shù)及將大量相關(guān)知識(shí)和技能進(jìn)行融會(huì)貫通，是對(duì)學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)。綜合研究型實(shí)驗(yàn)一般是從成熟的教師科研實(shí)驗(yàn)延伸而來(lái)，具有前沿性、綜合性、研究性和應(yīng)用性特點(diǎn)[7-8]。我中心設(shè)計(jì)了立足教學(xué)面向科研的綜合研究型實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)從“溶液吸附法測(cè)定硅膠比表面”實(shí)驗(yàn)出發(fā)，結(jié)合目前的科研熱點(diǎn)——功能化催化劑研制，進(jìn)行氮、硫共摻雜的功能化碳催化劑制備、表征及催化活性評(píng)價(jià)。該實(shí)驗(yàn)以實(shí)驗(yàn)廢物利用為出發(fā)點(diǎn)，結(jié)合科研熱點(diǎn)及先進(jìn)的表征技術(shù)，在培養(yǎng)學(xué)生科研素質(zhì)方面取得了很好的效果。

1.2 設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)

隨著科技的進(jìn)步，基于現(xiàn)代技術(shù)的教學(xué)儀器相比傳統(tǒng)的自制儀器，具有操作方便快捷、讀數(shù)準(zhǔn)確的特點(diǎn)。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教材在內(nèi)容設(shè)置上與先進(jìn)的教學(xué)儀器相比顯得簡(jiǎn)單、呆板，如果不改革實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，那么先進(jìn)教學(xué)儀器只能起到縮短學(xué)時(shí)的作用。授課教師應(yīng)利用現(xiàn)代教學(xué)儀器豐富實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，形成包含驗(yàn)證性、探索性和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)的，具有系統(tǒng)性、完整性特點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容體系。

例如“蔗糖水解反應(yīng)速率常數(shù)的測(cè)定”實(shí)驗(yàn)，由原來(lái)的圓盤(pán)旋光儀改為 P850 型全自動(dòng)旋光儀，使測(cè)定操作更加快捷。授課教師根據(jù)物化實(shí)驗(yàn)課小班開(kāi)設(shè)特點(diǎn)，將傳統(tǒng)教學(xué)中的固定溫度、蔗糖濃度、酸種類(lèi)、酸濃度的模式加以改變，選擇3種可變因素（如蔗糖濃度、溫度、酸濃度），設(shè)計(jì)單因素及正交實(shí)驗(yàn)方案，各小組平均承擔(dān)實(shí)驗(yàn)工作量。小組之間對(duì)所取得的數(shù)據(jù)進(jìn)行共享，并進(jìn)行歸納分析和總結(jié)。

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的擴(kuò)展，能夠加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解，培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題和歸納總結(jié)的能力；小組之間的分工合作，使學(xué)生的科研協(xié)作能力得到鍛煉；正交實(shí)驗(yàn)的安排，能夠培養(yǎng)學(xué)生清晰的科研思路。實(shí)踐證明，學(xué)生對(duì)這樣的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容安排很感興趣，普遍反映學(xué)習(xí)效果良好。

2 改革教學(xué)模式

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)是由教師主導(dǎo)課堂，教師在講臺(tái)上以灌輸方式詳細(xì)講解實(shí)驗(yàn)理論、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)步驟，并對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備進(jìn)行操作示范，學(xué)生只要按實(shí)驗(yàn)教材的要求按部就班完成實(shí)驗(yàn)、取得實(shí)驗(yàn)結(jié)果，就會(huì)得到高分。但學(xué)生實(shí)驗(yàn)興趣普遍不高，缺乏學(xué)習(xí)的主動(dòng)性。在互聯(lián)網(wǎng)的微課、翻轉(zhuǎn)課堂等教育方式逐步普及背景下，我校物化實(shí)驗(yàn)教學(xué)團(tuán)隊(duì)在將翻轉(zhuǎn)課堂等教學(xué)方式引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面進(jìn)行了嘗試。

2.1 探索實(shí)驗(yàn)教學(xué)的翻轉(zhuǎn)課堂模式

翻轉(zhuǎn)課堂不是由教師和學(xué)生角色的簡(jiǎn)單翻轉(zhuǎn)，而是需要教師花大力氣來(lái)設(shè)計(jì)翻轉(zhuǎn)課堂的內(nèi)容，還要求教師具有對(duì)課堂的調(diào)控能力和對(duì)學(xué)生積極性的調(diào)動(dòng)能力。

如果教師簡(jiǎn)單地發(fā)號(hào)施令，讓學(xué)生圍繞一個(gè)知識(shí)點(diǎn)去面對(duì)網(wǎng)絡(luò)上的海量信息，會(huì)使學(xué)生疲憊不堪，進(jìn)而失去興趣。教師應(yīng)通過(guò)梳理知識(shí)點(diǎn)，制作短小、精湛的資料，以微課形式發(fā)布于網(wǎng)上，用于學(xué)生課前預(yù)習(xí)。相比傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教材，微課資料更便于學(xué)生在短時(shí)間內(nèi)精力集中地深入理解相關(guān)知識(shí)點(diǎn)。教師還應(yīng)設(shè)計(jì)課堂上學(xué)生之間的互問(wèn)互答環(huán)節(jié)，教師在該環(huán)節(jié)起指引、評(píng)價(jià)作用，旨在活躍翻轉(zhuǎn)課堂氣氛，營(yíng)造濃厚的知識(shí)探究氛圍。根據(jù)大學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)的職業(yè)化特點(diǎn)[9]，在預(yù)習(xí)資料中增加實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐應(yīng)用相結(jié)合的內(nèi)容，充分體現(xiàn)專(zhuān)業(yè)特色，實(shí)現(xiàn)理論學(xué)習(xí)與實(shí)踐應(yīng)用的相互結(jié)合和促進(jìn)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力。

物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)涉及的實(shí)驗(yàn)儀器較多，由于實(shí)驗(yàn)室房間安排以及儀器數(shù)量限制，實(shí)驗(yàn)課通常以大循環(huán)次序開(kāi)設(shè)，每個(gè)實(shí)驗(yàn)每次同時(shí)開(kāi)出3組，難免使理論課與實(shí)驗(yàn)課銜接不夠緊密。從教學(xué)形式與過(guò)程來(lái)看，微課可以很好地解決理論課與實(shí)驗(yàn)課的銜接問(wèn)題。翻轉(zhuǎn)課堂對(duì)于物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)是非常合理、有效的教學(xué)手段，它調(diào)動(dòng)了學(xué)生的積極性，激發(fā)了學(xué)生的探索欲望，有利于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

2.2 構(gòu)建“開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)”實(shí)踐教學(xué)模式

實(shí)施實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放是高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的重要內(nèi)容，這種做法可使人才培養(yǎng)從單一型向復(fù)合型和創(chuàng)新型轉(zhuǎn)變，實(shí)驗(yàn)教學(xué)從單一的知識(shí)傳授向全面的創(chuàng)新能力培養(yǎng)轉(zhuǎn)變。實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放的核心內(nèi)容，就是實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的確定。開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)，要依據(jù)創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)規(guī)律和實(shí)驗(yàn)課程之間的內(nèi)在邏輯關(guān)系。物化教研室依據(jù)我院化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心的要求，編制了2個(gè)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放項(xiàng)目。

（1）乙醇廢液制備固體酒精及其燃燒熱的測(cè)定。實(shí)驗(yàn)涉及精餾操作、含量測(cè)定、熱值測(cè)定3個(gè)操作單元，將變廢為寶的綠色理念引入其中，旨在鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力，鞏固所學(xué)理論知識(shí)，培養(yǎng)創(chuàng)新思維[10]。

（2）乙酸乙酯皂化反應(yīng)速率常數(shù)的測(cè)定及活化能的理論計(jì)算。學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)采用Gaussian09W計(jì)算乙酸乙酯皂化反應(yīng)的活化能，并將計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行比較，掌握用實(shí)驗(yàn)與理論相結(jié)合的方法解決問(wèn)題的基本思路和手段。

3 營(yíng)造探究氛圍，培養(yǎng)創(chuàng)新能力

利用實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件，設(shè)置一種實(shí)驗(yàn)教學(xué)情境，引發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突，激發(fā)學(xué)生的探究興趣，從而培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，是一種很好的教學(xué)方式。采用這種方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)符合心理學(xué)理論，即個(gè)體熟知或未知的事物在特定的環(huán)境下，能夠激發(fā)認(rèn)知個(gè)體的認(rèn)知沖突，而這種認(rèn)知沖突會(huì)使認(rèn)知個(gè)體從疑惑、驚奇、差異的情感中，產(chǎn)生一種積極探究的欲望，達(dá)到最佳思維狀態(tài)[11]。下面以物化教學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目——溶液表面張力的測(cè)定實(shí)驗(yàn)為例進(jìn)行介紹。

3.1 溶液表面張力的測(cè)定

實(shí)驗(yàn)采用最大氣泡壓力法測(cè)定溶液的表面張力系數(shù)。所用實(shí)驗(yàn)裝置于2015年購(gòu)置于南京南大萬(wàn)和科技有限公司，包括表面張力儀、恒溫裝置、壓力計(jì)和調(diào)壓裝置。授課講義上實(shí)驗(yàn)裝置連接如圖1所示。

圖1 授課講義的表面張力測(cè)定連接方式

實(shí)驗(yàn)原理為：表面張力儀中的毛細(xì)管管口端面與待測(cè)液體液面相切時(shí)，液面會(huì)沿毛細(xì)管上升。當(dāng)分液漏斗的活塞打開(kāi)時(shí)，液體緩慢下滴，從而增加系統(tǒng)壓力，毛細(xì)管內(nèi)液面所受壓力大于試管中液面所受壓力，當(dāng)此壓力差在毛細(xì)管端面上產(chǎn)生的作用力稍大于毛細(xì)管口液體的表面張力時(shí)，氣泡從毛細(xì)管口逸出，這一最大壓力差可由數(shù)字式微壓測(cè)量?jī)x讀出。其關(guān)系式為：

假設(shè)毛細(xì)管半徑為r，則氣泡由毛細(xì)管口逸出時(shí)受到向下的總壓力為2πrP最大，氣泡在毛細(xì)管受到的表面張力引起的作用力為2πrσ。氣泡自毛細(xì)管口逸出瞬間，上述壓力相等即：

式中，ΔP為壓差計(jì)的示數(shù)，K為表面張力儀常數(shù)，單位為m。因此，以已知表面張力系數(shù)的液體為標(biāo)準(zhǔn)，即可求出其他液體的表面張力系數(shù)，將這種測(cè)定表面張力系數(shù)的方法叫做最大氣泡壓力法。

3.2 根據(jù)測(cè)定裝置，設(shè)計(jì)探究氛圍

在教學(xué)中，授課教師發(fā)現(xiàn)只要在調(diào)壓裝置增加一個(gè)合適的帶彎管的橡膠塞，就能形成另一種壓力差的產(chǎn)生形式，如圖2所示。

圖2 表面張力測(cè)定的另一種連接方式

在授課時(shí)，教師按照講義裝置講解實(shí)驗(yàn)原理，并提示在調(diào)壓裝置部分增加一個(gè)帶彎管的橡膠塞，改變氣路的連接方式，也可進(jìn)行同樣的測(cè)定。對(duì)于率先連接好并解釋清楚理由的實(shí)驗(yàn)小組，給予實(shí)驗(yàn)操作加分。這種激勵(lì)性的教學(xué)方法極大地引發(fā)了學(xué)生的好奇心和探索欲望，看似簡(jiǎn)單的連接，未能很好理解教師所講解的測(cè)定原理的學(xué)生，會(huì)出現(xiàn)各種連接錯(cuò)誤，有的連接使毛細(xì)管內(nèi)壓力減小，有的使樣品管內(nèi)溶液上方的壓力增大，出現(xiàn)被測(cè)液體沿著毛細(xì)管上升甚至噴出的現(xiàn)象。然而，真正弄懂原理的學(xué)生會(huì)很快連接成功，并能夠清楚地解釋連接的理由。通過(guò)這種方式，學(xué)生不僅加深了對(duì)最大氣泡法測(cè)定溶液表面張力原理的理解，還會(huì)在好奇心驅(qū)使下對(duì)被測(cè)溶液進(jìn)行兩種連接方式下的測(cè)定，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。

這種激發(fā)學(xué)生認(rèn)知沖突的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)，雖然只是依據(jù)實(shí)驗(yàn)裝置的可開(kāi)發(fā)性，增加一些簡(jiǎn)單的創(chuàng)新元素，但對(duì)于激發(fā)學(xué)生的探索欲望，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)儀器功能和使用方法的訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)思考能力和比較判斷能力，都具有非常好的促進(jìn)作用。

4 結(jié)語(yǔ)

教學(xué)法不是學(xué)術(shù)，卻與學(xué)術(shù)研究同等重要，將對(duì)課堂教學(xué)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，而教學(xué)活動(dòng)則是一種充滿(mǎn)技巧和方法的行為[12]。實(shí)驗(yàn)教學(xué)所具有的理論與實(shí)踐相結(jié)合的特點(diǎn)，為授課教師提供了靈活教學(xué)的大舞臺(tái)。作為一線授課教師，要不斷積累教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合實(shí)際情況，創(chuàng)新教學(xué)法，強(qiáng)化對(duì)學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。