物理化學理論課與實驗課的融合教學模式探索

賈娜爾?吐爾遜，王晶晶，杜光明

新疆農業大學化學化工學院，烏魯木齊 830052

物理化學是化學的理論基礎，概括地說是用物理的原理和方法來研究化學中最基本的規律和理論，它所研究的是普遍適用于各個化學分支的理論問題。因此具有理論性強、抽象概念多、公式多、數學推導過程復雜等特點。初學者會對此出現一定的畏懼，如果教學方法不當，會影響學生的學習熱情和學習信心。為了調動學生的學習興趣和學習積極性，改善教學效果，很多教師探索了不同的教學方法，例如，問題驅動教學法[1]、案例教學與翻轉學習結合的教學法[2]、任務驅動教學法[3]、Sandwich教學法[4]、問題探究式教學法[5]、課程論文教學法[6]等。北京航空航天大學在高分子化學[7]和物理化學[8]課程中，江西師范大學在分析化學[9]和儀器分析[10]課程中，分別探索了理論課與實驗課融合的教學模式。

筆者在近幾年的教學過程中，同時承擔物理化學和物理化學實驗課程的教學工作，探索物理化學理論課與實驗課融合的教學模式。教學實踐證明，該教學模式與傳統的教學模式對比，更有助于活躍課堂氣氛，讓學生深度融入課堂，有助于培養他們的科學思維能力和實踐能力。以下詳細介紹該教學模式的設計原則、實施過程以及教學效果。

1 物理化學和物理化學實驗教學過程中存在的問題

受很多客觀因素的影響，很難做到物理化學和物理化學實驗課程內容的同步，理論課教師和實驗課教師不是同一個，理論課教師重點講解實驗儀器、操作和數據處理，只簡單提及相關理論知識點。以上原因導致理論課和實驗課脫節，實驗課對理論課的學習沒有起到促進的作用。學生在實驗課上，只是機械地完成實驗步驟，缺少對相關理論知識和實驗設計的深入思考，也很難培養好學生的科學思維能力和實踐能力。

2 理論課與實驗課融合教學模式

2.1 實驗原理融入到理論課教學過程

將實驗內容融入到理論教學過程中，原則是不去大篇幅地講實驗課內容，而是找準切入點，提出“問題”，讓學生在答題的過程中掌握實驗原理。下面以“燃燒焓的測定”實驗為例，講述該方法的實施過程。與“燃燒焓的測定”實驗有關的理論知識點貫穿于“熱力學第一定律”一章的“恒容熱、恒壓熱及焓”“摩爾熱容”“化學反應焓”和“標準摩爾反應焓的計算”等節[11]，詳見表1。

表1 “燃燒焓的測定實驗”與理論教學相融合

公式1和2是“恒容熱、恒壓熱及焓”一節的重點，它們將狀態函數的變化值ΔU和ΔH分別與可測量的熱效應QV和Qp聯系起來，為熱力學的研究帶來極大的方便。這里第一次引入實驗，通過【問題1】讓學生領會公式1和2的作用和意義。恒容熱的計算公式3是“摩爾熱容”一節的重點，介紹氧彈式量熱計——測定恒容熱的裝置，給出實驗原理中計算燃燒焓的公式4。通過比較式3和式4，學生可以更好地理解CV,m的物理意義和公式3的含義及用途。通過對【問題5–7】的思考，學生不僅可以復習貫穿整個熱力學的“系統”“環境”“途徑”的概念，并通過量熱計的工作原理，加深對這些概念的理解。布置【問題7】，讓學生提前學習該實驗的數據處理方法——“雷諾矯正圖法”的原理(圖1)。

圖1 雷諾圖解法溫差矯正圖

因受時間限制，“雷諾矯正圖法”在實驗課上只簡單講授，很多學生無法完全掌握，導致在實驗過程中較容易犯如下錯誤。1) 點燃樣品前，未將環境的溫度(I點的縱坐標)調節到燃燒前的溫度(H點的縱坐標)和燃燒后的溫度(D點的縱坐標)之間，導致無法用此方法對溫度差進行矯正。2) FH段和DG段的數據太少而無法外延；3) FH段和DG段外延的方法不正確。因此，“雷諾矯正圖法”的原理必須在實驗課前掌握。

公式5和6為“化學反應焓”一節的重點。講授燃燒焓的定義，通過【問題8–9】，讓學生掌握“燃燒焓”的概念，以及定義中“恒壓”和“完全氧化”的含義，掌握燃燒反應方程式的寫法。式7為以標準摩爾燃燒焓計算標準摩爾反應焓的公式，是“標準摩爾反應焓的計算”一節的重點。通過“燃燒焓的測定”實驗可以測定物質的燃燒焓，將測定值代入式7即可求出指定反應的摩爾反應焓，以便解決更多實際問題。通過該教學模式，學生將更好地理解基礎熱數據測定的上述重要意義。為拓展學生視野，布置【問題9】，學生通過課下查閱資料回答此問題。

上述實驗原理融入到理論課教學過程的授課模式可切實促進學生對理論課知識點的理解和實驗原理的掌握。

2.2 引導學生學習實驗設計思路與方法

物理化學實驗項目內容相對復雜，對實驗數據處理的要求較高，其教學目標以培養學生的實驗設計能力和動手能力為主。若在做實驗前實驗原理掌握不好，則學生在實驗過程中，無法從實驗設計的高度學習實驗。只有在課前對實驗原理、數據處理方法及原理“胸有成竹”，實驗過程中學生才能真正“關注”實驗設計。

實驗原理中所運用的公式一般都不是理論課上學習的公式原型。如表2所示，“蔗糖水解反應速率常數的測定”和“分光光度法測定弱電解質電離常數”實驗中所用公式分別為式9和式11，分別由理論課中的式8和式10演變而來。這些實驗根據物理學原理(物質旋光度與濃度的定量關系，物質吸光度與含量的定量關系)和數學推導，將式8和式10分別改寫為式9和式11，使實驗變得簡單易行。用此教學模式可讓學生體會到，理論課上學習的公式根據具體實驗可靈活運用。

表2 部分實驗的實驗設計方法

此外，三個實驗中含量的測定均采用了物理分析法。物理分析法的種類非常多，具體實驗中，需要根據體系的特點選擇。例如，“蔗糖水解反應速率常數的測定”實驗中，反應物蔗糖、產物果糖和葡萄糖均具有旋光性，根據旋光度與濃度的定量關系，可用旋光度法測含量。“二元液系氣-液平衡相圖的繪制”實驗中，用折光率來測定含量更方便。公式的靈活運用、含量測定方法的選擇等均為實驗設計的重要組成部分。實驗課程中的實驗項目都非常經典，每一個實驗在實驗設計上都有各自鮮明的特點。教師在課堂上重點突出實驗設計的亮點，引導學生“欣賞”實驗設計中“獨特的美”，不僅可以培養學生的科學思維能力、實驗設計能力，還能讓學生深刻感受科學研究的魅力。

2.3 結合分析化學提出嚴格的數據處理要求

得到正確的實驗結論離不開科學、合理的數據處理方法。通過先修的分析化學理論課和實驗課，學生掌握了基本的誤差分析和數據處理方法及原理。物理化學實驗中學生需要將這些知識運用于數據處理過程中，以得到正確的實驗結論。為了減少實驗誤差，“燃燒焓的測定”實驗中用雷諾矯正圖測定反應前后的溫度差，“凝固點降低法測定高聚物摩爾質量”實驗中通過步冷曲線獲得凝固點，“分光光度法測定弱電解質電離常數”實驗中通過pH不同的四組溶液獲得甲基紅的電離常數。具體的數據處理原理如表3所示，可知不同的實驗數據處理方法各不相同，所遵循的數據處理原理均為矯正或避免各類誤差。學生只有結合分析化學原理才能掌握好物理化學實驗的數據處理方法。教師要做好分析化學原理和物理化學實驗的有效銜接，通過正確引導、課后作業等，幫助學生在實驗過程中正確運用分析化學的原理減少實驗誤差、避免錯誤操作、正確處理數據，以獲得正確的實驗結論。

表3 若干實驗的數據處理方法及其原理

對實驗報告中的“數據記錄與處理”和“實驗結果與討論”部分提出嚴格的要求。“數據記錄與處理”部分要求學生制作簡單明了的記錄數據表格，用軟件或手動繪制圖，詳細記錄計算過程等。“實驗結果與討論”部分要求學生將實驗值與文獻值對比，對誤差來源進行分析，對實驗手段和方法提出改進意見等。例如，“凝固點降低法測定高聚物摩爾質量”實驗所采用的冰點儀，操作難度大，經常會出現測定凝固點過高或過低等情況，對此，學生在實驗報告中提出了對冰點儀的改進意見。這對學生創新能力的培養有很大的意義。

2.4 完善制度保障

教學改革的推進不僅需要科學的策略，更需要強有力的政策支持。物理化學和物理化學實驗是兩門獨立的專業課程。理論課與實驗課相融合教學模式的推進需要理論課教師與實驗課教師之間的緊密配合與合作，需要形成教學團隊。學校應以教改項目立項的方式支持試點課程，院系應大力推進教師之間的合作，鼓勵教師積極思考融合式教學模式的具體教學實踐與深入改革。從教育管理制度上給予教師充分的空間挖掘教學內容、開展教學改革、嘗試不同的教學方法和手段，通過獎勵制度肯定教學團隊及教師對新教學模式的付出和成效。系部應對教學過程進行監督、管理和指導，及時研究分析在教學改革運行過程中得到的師生反饋意見，對有效的意見進行采納，進一步服務于教育教學。另外，適當增加實驗所需儀器設備和常用耗材，以滿足學生更好地進行實驗課程的學習。

3 理論課與實驗課的融合教學模式對教學效果的影響

3.1 加深對知識的理解

物理化學概念大多較抽象，教師若不注重授課方法，學生無法深入理解知識點，只會死記硬背，對提升教學效果非常不利。例如，“燃燒焓的測定”實驗涉及到燃燒焓、恒容熱、恒壓熱、摩爾定容熱容等較多知識點，且這些知識點的講授貫穿于整章內容。而實驗課一般很難做到理論與實驗在時間上的一致性。將實驗原理融入到理論教學環節中，精心設計循序漸進的“問題”，不僅可以讓學生深入思考概念和公式的含義，避免學生對知識的死記硬背。此外，還可以將抽象的概念和公式具體化，例如，通過量熱計的“熱當量”學習“定容熱容”，將式3演變為式4，采用具體的儀器及其物理參數學習定容熱容、恒容熱的概念，這非常有助于學生對知識的理解與掌握。

3.2 提高學生的學習興趣，培養自學能力

理論與實驗切入點處，所設計的“問題”不僅符合理論課的邏輯，更是將實驗設計思路巧妙地傳授于學生，讓現階段的學習過程充滿了對后期學習內容的期待。公式的靈活運用，例如，式3、8、9分別演變為式4、9、11；抽象概念的具體化，例如，恒容熱用氧彈式量熱計測量，均有助于調動學生的學習興趣。

學生通過深入思考、相互討論和課下查閱資料等方式回答切入點處的“問題”，對實驗原理的學習在一個個“問題”的解答過程中實現。實驗課上，教師引導學生以科學辯證的態度看待每一個“實驗”，鼓勵學生基于自己的認知水平，對實驗設計、實驗方法提出改進的意見和建議。這些都可以提高學生的學習自信，培養自學能力。

與往年對比，學生實驗報告的邏輯性增強，能夠對實驗結果進行較深入的討論，能夠正確分析實驗誤差，甚至對實驗方案、方法和儀器提出改進的意見和建議。

3.3 培養學生邏輯思維能力和實踐能力

邏輯思維能力是科研能力的重要方面[12]。實驗原理融入理論課的教學模式可以培養學生的邏輯思維能力。例如，“燃燒焓的測定”實驗原理的講授思路如下：式2是解決“如何測定燃燒焓”這一問題的理論模型。通過式3、5、6，可以將這一理論模型用于實際樣品燃燒焓的測定。在氧彈式量熱計中，為了樣品稱量方便以及扣除燃燒絲對測定結果的影響，式3改寫為式12。根據式7，通過物質的燃燒焓可計算反應的焓變，以解決更多的實際問題。這些知識貫穿于四節教學內容，用理論與實驗課相融合的教學模式，教師通過精心設計，將每一個實驗“解決問題”的思路均可完美地授予學生，培養學生“實驗目的是什么，怎么達到目的，如何達到目的，該實驗服務于哪些實際需求”的邏輯思維能力。

實踐能力是科研能力的另一重要內容[13]。理論課與實驗課相融合的教學模式可以提升學生的動手操作能力。通過該教學模式，在理論課學習過程中讓學生基本掌握實驗原理，實際上也是為了在實驗課中避免由于實驗原理不清楚而導致的偏離實驗目的、盲目操作等。通過在理論課程中學習實驗原理，學生在實驗前心中構建實驗過程的基本“藍圖”，對結果有自己的預想，事先想好實驗可能出現的問題及應對措施等，并在實驗過程中能夠及時發現異常，及時糾正操作方法，獲得正確的實驗結果。這正是在培養學生的實踐能力。

此外，鼓勵學生發現實驗方法存在的問題并提出改進意見和建議，學生在教師引導和興趣驅動下的課外學習等，都有助于培養其創新能力[14,15]。

3.4 教學實踐及教學效果評價體系

筆者在2021–2022上學期和2020–2021上學期分別承擔應用化學181班和應用化學171班的物理化學I和物理化學實驗I課程的講授。前者采用物理化學理論課與實驗課融合的教學模式，而后者采用傳統教學模式。表4中對這兩個班級的教學實踐進行了對比。兩個班學生數量和學生水平相近，理論課和實驗課的教學周期、學時數、教學大綱、實驗項目相同。通過比較學生對課堂的參與度、實驗報告完成情況、理論和實驗課程考試成績，以及課上課后與學生交談等方式得到學生的如下反饋：進行教學改革后，學生對相關理論知識的掌握程度更高，做實驗前能夠做好充分的準備，實驗思路更清晰，能夠很好地分析實驗誤差，少出現操作錯誤，實驗結果合理，討論更全面。

表4 物理化學理論課與實驗課的融合教學模式與普通教學模式教學實踐對比

實驗課考核方法如圖2所示。平時成績和期末考試成績各占總成績的50%。平時成績組包括實驗操作成績20%，實驗報告冊成績30%，實驗報告冊成績中預習題要、數據記錄與處理、結果與討論和思考題分值分別為5%、10%、10%和5%。期末考試試題中實驗原理相關的理論知識占20%，實驗操作與數據處理相關的知識占30%。對應用化學181班和應用化學171班的物理化學實驗I課程成績進行了對比。由圖3可見，普通課堂學生成績達標率為94.3%，實施課堂改革的班級成績達標率達到了100%。傳統課堂中仍有5.7%的同學成績未達標，在改革課堂中，基礎薄弱的學生通過實驗原理融入理論課堂的教學方式，在實驗課前也能夠做好充分的準備，實驗過程中通過正確的引導使學生對實驗的專注度增加，能夠較好地完成實驗任務，實驗報告質量也有明顯的提高。此外，成績在80分以上的學生在普通課堂中占45.2%，在改革課堂中占32.1%，改革后班級成績顯著提高。

圖2 實驗課成績評價方法

圖3 改革課堂與傳統課堂的成績對比圖

4 結語

理論課與實驗課相融合的教學模式不僅提高了學生的學習興趣、學習自信，幫助學生克服對課程的畏懼心理，還使課堂氣氛變得活躍，讓學生參與討論，主動思考問題，課下主動學習。讓學生扎實地掌握基礎知識的同時還培養了自學能力。理論知識與實驗密切結合的教學模式有助于鍛煉學生的科學思維能力，實驗教學中對實驗設計、實驗數據處理原理和方法的重點突出，有助于學生實踐能力的培養。學校和系部通過設立教研項目、獎勵教師等方式保障新教學模式的順利進行，并對教學過程進行有效的監督與管理，以便深入進行教學改革。