當前大學物理化學實驗教學中的問題與探討*

易松健，扶雄輝

(暨南大學化學與材料學院化學系，廣東 廣州 510632)

“物理化學實驗”是一門理論性、實踐性、綜合性、研究性很強的課程，是需要綜合運用物理和化學原理與技術，方法與儀器及數學運算工具等多方面的知識課程[1-2]。物理化學實驗與其他化學實驗(如無機化學，有機化學)相比更側重于對化學規律的解釋，是理工類院校面向化學，環境，藥學和材料等專業人才的一門重要課程，是理論性很強的物理化學的重要組成部分[3]。隨著國家提出建設創新型國家的目標的要求，培養大學生創新能力，提高學生科學素養成為每所高校的重要任務。如何有效地為國家輸送創新型人才成為高校教學的熱點[4-7]。理論與實踐相結合，實驗教學是培養學生創新能力，工程實踐能力的重要途徑，是創新人才培養中不可或缺的環節。如何提高教學的成效，充分調動學生學習的積極性，成為高校教學改革的重點[8-10]。

去年2018年秋季，是第一批千禧學生進入到大學校園，他們在成長的過程中所接收到教育以及所處的環境已經不同于90后學生，他們具有更開闊的視野，對新鮮事物的接受能力更強，對于學習更有自己的主見等新特點,為了提升本校的物化實驗教學效果，我們面向化學與材料學院，藥學院，環境學院，國際學院的2018級和2017級學生開展了相關的問卷調查，發放問卷100份，回收87份。

1 學生對實驗課程的重視程度

調查結果見圖1。問卷調查數據顯示，認為物化實驗“十分重要”和“重要”的學生共有73人，分別占有47.13%和37.93%，而認為“一般”和“沒必要”共有14人，分別占13.79%和1.15%。從數據中，我們可以看出，新生代學生對于物化實驗課程的重視程度還是很高的，能夠很好地認識到實驗課程的學習對于理論學習有重要指引作用，只有少數的同學認為實驗課程開設不是很重要，這值得我們去關注，去考慮是課程設置，還是課程內容難度導致這少部分學生不重視實驗的學習。

以上結果，對于實驗教學的老師也提出更高的要求，在實際的教學過程中，要更加注重引導學生，激發學生的興趣與思考，讓其深刻體會實驗過程中所蘊含的科學規律。譬如在基礎實驗課“表面活性劑臨界膠束濃度的測定”中，我們可以提問學生思考為什么表面活性劑濃度升高，到達某個特定值后，會發生物理性質的突變，我們這里是使用電導率來表征，那是否能利用透光率或者折射率來進行表征呢，做到以點帶面，能夠讓學生學會舉一反三。物化實驗作為理工類的實驗課程，原理以及操作會相對枯燥，因此可能會造成部分學生對于學習缺乏興趣，所以我認為教師在上課的過程中可以適當加入一些人文類的知識，譬如講述表面活性劑在日常生活中的應用，如最常見的洗衣液，護膚品等化工產品就會加入表面活性劑的以起到潤濕的作用。通過增強學科知識與生活的聯系，理論聯系實際，提高學生學習的興趣。

圖1 實驗課程的重視程度

2 通過實驗學習，學生希望得到哪些方面的提升？

在了解完學生關于實驗課程重視程度后，我們繼續關注學生進行實驗的核心驅動力。數據顯示，選擇“加深對物化基本原理的理解”、“學習儀器操作方法”和“實驗技能的培養”學生數最多，基本都達到70人左右，約占總人數的78%，而選擇“鍛煉實驗思維”和“數據記錄及分析方法”的學生人數居中，分別為53人和56人，然最后選擇“實驗手段”的學生人數最少，僅有42人，不到總人數的50%。結果表明，大部分學生進行實驗的目的是希望通過實驗的學習，增強對知識的理解以及運用，并從中掌握儀器的操作的方法，為未來自己所從事的專業工作儲備相關的技能。但是，我們的學生卻忽略了實驗的學習對于思維鍛煉的重要性，因為在真正的科研當中，實驗的思路以及手段的選擇都是內生的，它是無法通過導師的指引產生的，它需要自我反思，自我歸納，總結經驗從而產生屬于自己的方法學，還有實驗數據的記錄也是非常重要的，數據記錄的規范性，精度選擇，單位以及溫度壓力條件等等，對于將來要選擇繼續深造的學生來說，這些都是獲得科研成功的基本保證。

針對這一調查結果，我們計劃在實驗的教學過程中新增兩方面內容：第一，在講授實驗原理的時候加入實驗手段選擇的內容，譬如在“乙酸乙酯皂化反應速率的測定”這個常規實驗中增加新的測定方式，將使用電導率測定改為折光率測定來監控反應速率，以及引導思考是否還存在別的測定方法，將實驗方法的選擇進行對比總結，歸納不同方法的優異，實現對學生思維的鍛煉訓練。第二，加強數據記錄的規范性，如實驗“恒溫水浴的性能測試”中著重強調實驗記錄需要精確到小數點后4位，若記錄不準確，將帶入誤差，導致結果無法正確反映恒溫水浴裝置的性能。所以教師在學生進行實驗的過程中，需時刻觀察學生是否出現異常數據，及時指出問題數據。

圖2 實驗教學中幾個重要的方面

3 學生對哪些實驗比較感興趣

目前，我校物化實驗課程主要面向理工類學生開設，所涉及的課程內容大多為驗證性的實驗，直到前年才增設了物化綜合性實驗。在本次調查當中，超過71%的學生選擇了對“驗證性實驗”感興趣，緊隨其后的是“綜合性實驗”大約為60%。另外我們還增加了四個可選項“設計性實驗”，“開放性實驗”,“課題研究性實驗”,“自擬課題型實驗”，選擇人數分別為36人，33人，38人，13人。分析數據可知，大部分學生對于已開始的驗證性和綜合性實驗感興趣程度高，而未來我們希望新增的課程，如設計性實驗則對于學生的吸引性不突出，分析原因，可能是由于對內容的陌生及接觸少，所以比較少的學生選擇，而“自擬型實驗”選擇人數最低，這恰恰說明了學生此類無指引的開放型實驗的不適應，這需要我們做好更多的鋪墊才能引進此類課程。

圖3 實驗類型的選擇

美國著名的科學家芝加哥大學施瓦布認為：學生學習的過程與科學家研究過程本質上是一致的，其實，關于大學物理化學實驗課程引入研究型課題在許多高校已經開展了。結合本次調查結果，我們計劃將在已開展的綜合性實驗的基礎上，每個學期增設研究型課題，即在成熟的探究體系下，由導師提出研究的課題，并提供相關文獻，由學生自主設計實驗方案，導師初步審核其可行性后開展研究性實驗，譬如綜合性實驗“鋰離子三元電池組裝和電池性能測試實驗”中涉及到碳材料的制備，基本的方案是通過木屑的燃燒收集炭黑得到，我們可以將課題更新為“不同碳材料鋰電的性能測試”，其探究材料可以拓展至活性炭，花生殼，樹葉等一切含碳物質，讓學生從文獻出發選擇最佳的實驗材料，從而達到提升學生自主研究的能力。另一方面，實驗教師在準備基礎課程內容的同時，也要緊跟進自己學科的前沿信息，如鋰電制備及性能，電化學產氫產氧等，在今后的綜合實驗中都可適當引進，不斷更新實驗內容。

4 學生是如何進行實驗前的預習？

實驗課前預習是實驗能夠安全有效開展的重要前提。那么本校的學生是如何進行課前的預習的呢，這次的調查給了我們答案，占有半數的學生(49.4%)的學生“根據講義內容，抄寫完成預習報告”，僅有三成(34.8%)的同學會選擇“結合課本內容，理解性地完成預習報告”，剩下少部分的同學會選擇“在課上結合教師的講解完成預習報告”，甚至“根據自己理解直接開展實驗，預習報告后續補上”。由統計結果我們看到，大部分學生的預習步驟都僅是停留在機械地抄寫講義，并沒有完全理解實驗的目的以及操作步驟要求，這也能解釋為何在下一相關問題“你會關注教師在課堂上的哪些內容”中選擇“操作步驟的要求”的學生人數最多，這是由于學生學習積極性的缺乏而導致的結果。

基于這一結果，我們計劃在預習實驗階段進行內容的改變，首先是實驗講義的重新編撰，相比于以前的將實驗原理完整地寫入講義中，我們將重要的公式，以及理論推理改由填空的方式來完成，如實驗“最大泡壓法測定溶液的表面張力”的實驗中涉及到吉布斯(Gibbs)吸附等溫式和附加壓力與氣泡曲率半徑間的數量關系兩條重要的公式，以前是直接給出套用，現改為學生填寫。其次，對實驗步驟進行簡化，只剩下核心操作流程，具體的儀器操作，數據記錄需要學生自主完成，如實驗“二組份合金體系相圖的繪制”中實驗操作只保留簡單的加熱以及達到加熱溫度后的冷卻步驟，具體儀器操作將改為自主閱讀儀器說明書，以及課堂上教師的演示，要求學生學會閱讀并動手操作。

圖4 學生預習的方式

5 任課教師課堂上講授內容的重點是什么？

為了提供教學質量，保證學生能夠更好地掌握實驗原理及操作，我們有必要考察一下學生在實驗課堂上所關注的內容，這樣任課老師就能夠有的放矢，將更多的精力集中在學生在實驗中出現的問題上。在圖5中，我們可以看到大部分學生比較關注的是“實驗的方法與步驟”和“實驗原理以及內容”，分別有71人和64人，由此說明學生對于實驗內容理解存在難度，并且課前預習并不是很充分，這里需要任課教師進行更詳細的操作演示，譬如相圖繪制實驗中用的數字控溫儀和可控升降溫電爐屬于不常用儀器，所以在閱讀說明書的前提下補充教師演示操作。同時，超過半數的同學還會關注“實驗過程中的注意事項”和“數據處理的方法”，這調查結果也與調查成績評定時參考標準是一致的，注意實驗過程的細節，確保實驗順利進行并且記錄數據正確有效，是獲得較優成績的重要前提。最后，“數據記錄的要求”和“相關知識的延伸拓展”并沒有受到學生的重視，僅有接近半數的同學選擇了這兩個選項，從側面證明學生還是比較關注實驗的結果，容易忽視了數據獲取的要求以及思維延伸，所以這里強調教師在講授的過程中要適當的延伸，引發學生的思考，增強學生的學習主動性，幫助學生做到學以致用，觸類旁通，而數據記錄則需要繼續強化，因為這是培養學生形成科學嚴謹的態度和素養的重要保證。

圖5 實驗課堂講授內容

6 實驗成績評定的依據是什么

目前，大部分實驗的成績是以實驗操作規范以及數據準確性為參考，我們認為這標準比較片面并且容易導致學生只關注實驗的結果以及操作，無法體現其對知識的掌握程度。基于此，我們在問卷中調查學生認為成績評定應該以什么內容來考量，以求完善當前的實驗成績評價體系。從圖6中我們可以看到，分列前二的是“實驗操作的規范性”和“數據的真實性及有效性”，人數高達69人和64人，由此可見學生對以往的成績評定要求非常清晰，但令人值得反思是，這樣的評價方式是否已經讓學生造成了思維的定勢。另外，認為“實驗后的思考與反思”和“實驗報告的撰寫”是成績評定的重要組成部分同學，也分別有57人和45人，說明學生還是會關注實驗結果外的知識內容，對實驗報告的撰寫逐漸重視起來。但是，僅有20人選擇了“預習過程”，說明大部分同學沒能認識到預習的重要性，預習是初步了解實驗目的和操作的過程，是開展實驗的重要環節。

圖6 實驗成績的評價標準

綜合考慮之下，我們計劃制定新的成績評定方法，單項實驗成績=(預習報告+實驗操作+數據記錄)×70%+(實驗項目拓展+思考+實驗報告完成質量)×30%，期末的總成績就是每次實驗成績的平均值。新的評價方法既延續了之前所強調的實驗操作以及數據結果，但同時也體現了預習的重要性，希望通過納入成績評定，能夠引起同學們的重視。此新辦法能夠更多維更客觀地反映學生的真實實驗綜合能力。

7 結 語

最后，我們還做了關于本校物化實驗課程開設的滿意度調查，整體而言，接近82%的同學都認為是“滿意”或者“非常滿意”，這是對于我們工作的支持與肯定，但同時我們也必須正視還有少數的同學對我們的課程還是有更高的期望，所以我們還需要通過此次的問卷調查找到教學優化的方向。

目前國家正在強調加強本科教育，構建一支科學專業和素質優良的實驗教學師資隊伍，符合國家以人才培養為中心，提高國民素質的教育宗旨，重點在于任課教師對自身實驗的重視和自我提高，落實教學改革，敢于創新！“十年樹木，百年樹人”，教育教學從來不是一蹴而就的事情，需要我們不斷的探索和努力！