物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程改革實(shí)踐及構(gòu)想
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摘要:物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)是具有承上啟下橋梁作用的重要基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程。該課程一般要使用多種常規(guī)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器，測(cè)量體系物理量的變化，綜合分析得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。此類實(shí)驗(yàn)具有綜合性強(qiáng)、知識(shí)點(diǎn)多及能力要求高的特點(diǎn)再加上分組化教學(xué)方式的影響，使得學(xué)生普遍反饋該課程難學(xué)，任課教師同樣反饋該課程難教。為盡量克服以上不利影響，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，課程教學(xué)小組對(duì)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程作出多處改革并付諸實(shí)踐，同時(shí)指出該課程現(xiàn)存的不足之處，提出今后課程改革發(fā)展構(gòu)想。
關(guān)鍵詞:教學(xué)重點(diǎn);教改實(shí)踐;薄弱環(huán)節(jié);前瞻構(gòu)想
“物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)”是面向化學(xué)、近化學(xué)專業(yè)本科生開(kāi)設(shè)的一門(mén)必修基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程，同時(shí)也是學(xué)生第一次接觸較多種類常規(guī)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器的綜合性實(shí)驗(yàn)課程。在“物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)”學(xué)習(xí)過(guò)程中，學(xué)生一般需依靠常規(guī)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器測(cè)量體系的某些物理量，結(jié)合物理化學(xué)領(lǐng)域涉及的基本研究方法對(duì)物質(zhì)的物理化學(xué)性質(zhì)或反應(yīng)規(guī)律得出定量的描述，往往還需要通過(guò)數(shù)學(xué)方法擬合處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，最后得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論［1］。由此可見(jiàn)該課程的教學(xué)重點(diǎn)如下:(1)需掌握多種物理化學(xué)常規(guī)實(shí)驗(yàn)儀器的使用方法;(2)需綜合分析、研究物理化學(xué)領(lǐng)域理論與實(shí)踐的關(guān)系;(3)需掌握科學(xué)有效的數(shù)據(jù)處理方法。近年來(lái)，在化學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心的統(tǒng)一部署下，課程教學(xué)小組緊緊圍繞上述三個(gè)教學(xué)重點(diǎn)，結(jié)合西安交通大學(xué)(以下簡(jiǎn)稱:我校)實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)際，對(duì)課程進(jìn)行了全面的改革;同時(shí)，為解決課程教學(xué)中現(xiàn)存的薄弱環(huán)節(jié)，提出前瞻性構(gòu)想。
1物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程教改實(shí)踐
1．1積極改進(jìn)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目編排次序
在物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)室常規(guī)實(shí)驗(yàn)儀器種類和數(shù)量有限的前提下，為充分提高儀器設(shè)備的利用率，國(guó)內(nèi)外物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程多采用區(qū)塊化實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，即一?jié)實(shí)驗(yàn)課一個(gè)班同時(shí)進(jìn)行多個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目［2－3］。為提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，優(yōu)化現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目編排順序，盡量克服同時(shí)進(jìn)行不同實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目可能帶來(lái)的不利影響，形成了頗具特色的實(shí)驗(yàn)編排體系。其特點(diǎn)是使在同一區(qū)塊中的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目在物理化學(xué)原理上有互通點(diǎn)，學(xué)生在進(jìn)行不同實(shí)驗(yàn)時(shí)能夠融會(huì)貫通的理解物理化學(xué)原理，鍛煉學(xué)生從不同角度考慮問(wèn)題，采用不同方法研究問(wèn)題的能力［4］。如實(shí)驗(yàn)“液體飽和蒸汽壓測(cè)定”和實(shí)驗(yàn)“雙液系氣、液平衡相圖的繪制”，兩個(gè)實(shí)驗(yàn)都涉及到液體沸點(diǎn)的測(cè)定，雖然實(shí)驗(yàn)試劑不同，但沸點(diǎn)、組成及壓力之間的相互作用規(guī)律是相似的。前者偏重研究體系汽、液平衡時(shí)溫度與組份的相互關(guān)系，體系壓力保持恒定;而后者偏重研究體系汽、液平衡時(shí)溫度與壓力的相互關(guān)系，組份保持恒定。在實(shí)驗(yàn)預(yù)期和誤差分析方面，兩個(gè)實(shí)驗(yàn)可以相互為證。將這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)編排到一起進(jìn)行有利于學(xué)生充分理解影響汽、液平衡的主要因素及相平衡的普遍規(guī)律［5］。
1．2推進(jìn)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程體系建設(shè)
隨著我校專業(yè)數(shù)量及規(guī)模的不斷擴(kuò)大，傳統(tǒng)的物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目及課程體系已不能滿足各專業(yè)的具體要求。依據(jù)不同專業(yè)特點(diǎn)和要求，結(jié)合國(guó)內(nèi)外“物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)課”程最新的發(fā)展動(dòng)向，我們將課程體系細(xì)分為兩個(gè)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)平臺(tái):物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)I和物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)II。物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)II包含與物質(zhì)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)相關(guān)的內(nèi)容，比物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)I綜合性要求更高，主要面向化學(xué)專業(yè)學(xué)生開(kāi)課。在建立新型物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)平臺(tái)的同時(shí)，對(duì)每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目從實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、原理到總結(jié)之間的各個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行重新評(píng)估和擴(kuò)展，淘汰老舊實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，適當(dāng)增加與新興科學(xué)發(fā)展相關(guān)聯(lián)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。目的是使課程體系更貼合時(shí)展，為各專業(yè)學(xué)生后續(xù)進(jìn)一步學(xué)習(xí)專業(yè)知識(shí)和從事專業(yè)研究打下一定的基礎(chǔ)。改革后課程呈現(xiàn)如下特點(diǎn):(1)形成驗(yàn)證型、綜合型、設(shè)計(jì)型及研究型等不同層次實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目;(2)可開(kāi)出的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目數(shù)量大于實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目數(shù)量，根據(jù)專業(yè)需求不同選擇不同的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。從整個(gè)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中心管理角度來(lái)看，物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)平臺(tái)也可以在聯(lián)合其它化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程，改革綜合化學(xué)實(shí)驗(yàn)方面做出試點(diǎn)，為化學(xué)專業(yè)實(shí)驗(yàn)改革及實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室全面開(kāi)放提供實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。有針對(duì)性地增加實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和項(xiàng)目，建設(shè)和發(fā)展物理化學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，是因材施教的需要，是提高學(xué)生主觀學(xué)習(xí)能力的需要，是化學(xué)實(shí)驗(yàn)中心實(shí)現(xiàn)全面開(kāi)放的需要，同時(shí)更是實(shí)驗(yàn)課程體系順應(yīng)時(shí)展的需要［6］。
1．3積極推進(jìn)課程教材建設(shè)
“物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)”是一門(mén)綜合性較強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)課程，它的研究領(lǐng)域涉及熱力學(xué)原理、電化學(xué)原理、光化學(xué)原理及結(jié)構(gòu)化學(xué)等相關(guān)知識(shí)。我?！拔锢砘瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)”課程通過(guò)長(zhǎng)期發(fā)展已形成一套完整而獨(dú)立的的教學(xué)體系。國(guó)內(nèi)的物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教材有多種不同版本，且其中實(shí)驗(yàn)內(nèi)容彼此差別較大，不同學(xué)校的硬件條件也是千差萬(wàn)別，可開(kāi)出的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目各不相同，故很難找到一本適合我校實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)際的物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教材。從1998年開(kāi)始，面對(duì)當(dāng)時(shí)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)，相關(guān)教師就開(kāi)始編寫(xiě)適合我校教學(xué)實(shí)際的實(shí)驗(yàn)教材。2013年9月教材正式出版。該教材較詳細(xì)地介紹了國(guó)內(nèi)最新物理化學(xué)常規(guī)實(shí)驗(yàn)儀器，在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理特別是非線性擬合方面作了詳細(xì)介紹［7］，受到了國(guó)內(nèi)同行的廣泛關(guān)注。
1．4提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理能力
實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理是物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。為加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理能力的培養(yǎng)，我們不但要求學(xué)生在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄與整理中要仔細(xì)、嚴(yán)謹(jǐn)，更要引導(dǎo)學(xué)生在完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告過(guò)程中應(yīng)用更為有效的方法來(lái)分析和處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)［8］。在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理時(shí)建議學(xué)生盡量利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行線性或非線性擬合，由擬合結(jié)果求得需要的參數(shù)。例如在“液體表面張力測(cè)定”實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理時(shí)需要學(xué)生進(jìn)行微商－自變量圖形擬合。以前的做法是利用等面積圖解微分法手工繪圖來(lái)處理數(shù)據(jù)，經(jīng)常出現(xiàn)條狀圖高低異常的情況，給手工繪圖帶來(lái)很大困難，實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差往往很大。實(shí)驗(yàn)教師經(jīng)過(guò)查找資料［9］制定出用origin軟件進(jìn)行非線性擬合來(lái)處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的操作流程。此流程詳細(xì)的介紹了從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)輸入，到建立數(shù)學(xué)模型，再到最后得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果的具體操作。通過(guò)幾屆學(xué)生使用，總結(jié)得出如此處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值吻合度非常高。
2物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)中存在的薄弱
環(huán)節(jié)“物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)”課程在不斷發(fā)展的同時(shí)，目前同樣存在的一些薄弱環(huán)節(jié)急需改進(jìn)。
2．1實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系需進(jìn)一步完善
在物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及開(kāi)放實(shí)驗(yàn)設(shè)置方面，相比國(guó)內(nèi)同類大學(xué)存在明顯不足。由于實(shí)驗(yàn)空間和儀器設(shè)備限制，目前僅有少量設(shè)計(jì)型開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)，在設(shè)計(jì)型開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目編寫(xiě)和教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)等方面應(yīng)該重視和加強(qiáng)。
2．2學(xué)生實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)及課后輔導(dǎo)環(huán)節(jié)需進(jìn)一步改善
“物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)”涉及到的實(shí)驗(yàn)原理與“物理化學(xué)”課程息息相關(guān)，而且難度較大;實(shí)驗(yàn)課與課堂教學(xué)通常很難做到密切配合，有時(shí)實(shí)驗(yàn)課會(huì)走到理論教學(xué)的前面;再者，物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)模式為區(qū)塊化，同時(shí)開(kāi)設(shè)多個(gè)實(shí)驗(yàn)，教師講解和輔導(dǎo)不可能做到面面俱到，“抓重點(diǎn)”往往又忽視了學(xué)生的個(gè)體差異，教學(xué)效果很難保證做到最好。在這種情況下，實(shí)驗(yàn)的預(yù)習(xí)和課后輔導(dǎo)就顯的格外重要。目前所用的傳統(tǒng)的預(yù)習(xí)報(bào)告、抽查、答疑等教學(xué)方法急需進(jìn)一步改善。
3物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程發(fā)展的前瞻構(gòu)想
針對(duì)上述“物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)”課程的短板與不足，我們結(jié)合多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出如下的工作思路。
3．1加強(qiáng)設(shè)計(jì)型開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)建設(shè)
培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力是“物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)”教學(xué)的重要任務(wù)之一，也是學(xué)生參與社會(huì)競(jìng)爭(zhēng)的重要技能之一。如何從實(shí)驗(yàn)教學(xué)角度出發(fā)，來(lái)提高學(xué)生的創(chuàng)新能力，這是每一位從事“物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)”教學(xué)的教師應(yīng)該認(rèn)真考慮的一個(gè)問(wèn)題。結(jié)合國(guó)內(nèi)外物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，加強(qiáng)設(shè)計(jì)型開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)建設(shè)主要存在兩種形式:在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目上進(jìn)行擴(kuò)展和建立全新的設(shè)計(jì)型開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)?zāi)K。大量實(shí)踐證明此兩者結(jié)合起來(lái)效果最好［10］。在“物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)型開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)”教學(xué)環(huán)節(jié)中，應(yīng)讓學(xué)生自己查閱文獻(xiàn)資料、尋找實(shí)驗(yàn)方法、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，包括實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)步驟、實(shí)驗(yàn)流程裝置、儀器藥品等，使用必要的儀器設(shè)備對(duì)物質(zhì)的物理化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行測(cè)試，有意識(shí)的引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新能力訓(xùn)練［11］。
3．2推進(jìn)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)網(wǎng)上預(yù)習(xí)及答疑系統(tǒng)建設(shè)
物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)利用計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體技術(shù)三合一進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)，以校園網(wǎng)為載體，構(gòu)建雙向互動(dòng)新型教學(xué)形式。該平臺(tái)具備預(yù)習(xí)和答疑兩方面重要功能。加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)前的預(yù)習(xí)是能否順利完成實(shí)驗(yàn)的前提，而提供網(wǎng)上答疑系統(tǒng)能增加師生聯(lián)系途徑，增強(qiáng)師生互動(dòng)，有效增加師生學(xué)習(xí)交流頻率，能切實(shí)提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果［12］。學(xué)?；ヂ?lián)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)很發(fā)達(dá)，學(xué)生可以在不同場(chǎng)合用不同的方式方便地訪問(wèn)互聯(lián)網(wǎng)。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)把文字、圖片、視頻等計(jì)算機(jī)多媒體技術(shù)引入到物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，可以方便學(xué)生自主學(xué)習(xí)，提高學(xué)習(xí)主觀能動(dòng)性。
4結(jié)語(yǔ)
“物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)”課程改革與發(fā)展關(guān)系整個(gè)高等教育化學(xué)、近化學(xué)專業(yè)學(xué)生實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量的提升。每學(xué)期課程教學(xué)小組都對(duì)學(xué)習(xí)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)生進(jìn)行問(wèn)卷調(diào)查。從問(wèn)卷調(diào)查表統(tǒng)計(jì)結(jié)果及學(xué)生課前預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)操作、實(shí)驗(yàn)報(bào)告的撰寫(xiě)等各教學(xué)環(huán)節(jié)對(duì)比來(lái)看，課程改革后教學(xué)質(zhì)量和效果有了明顯提高。當(dāng)代科技發(fā)展不斷的提升著人們的認(rèn)知水平，同時(shí)也有力的推動(dòng)了“物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)課”程的發(fā)展。為進(jìn)一步提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作能力、創(chuàng)新能力和綜合應(yīng)用能力，為后續(xù)的專業(yè)學(xué)習(xí)和獨(dú)立開(kāi)展科研工作打下一定的基礎(chǔ)，緊扣時(shí)代脈搏不斷探索物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程改革勢(shì)在必行。
作者：王耿 朱敏 向丹 白艷紅 張志成 單位：西安交通大學(xué)
