大学物理化学实验教学探讨

摘要：本文简要概括了物理化学实验在化学化工类专业本科教学体系中的地位和作用。总结了大学物理化学实验教学实践中存在的问题及原因，提出了物理化学实验教学改革的必要性和重要性。并从激发学生的学习主动性，锻炼学生的思维能力及培养学生的创新意识的角度出发，提出了拓展式、开放式及探索式等三种新的教学设计思路，以改变目前偏保守、呆板的教学内容安排、教学思路和教学方式的设计。

关键词：物理化学实验；教学改革；能力培养

化学反应从本质上讲，就是分子、原子间相互作用、相互结合方式及运动方式的变化，在这些变化过程中总是引起能量形式的变化，从宏观上表现为化学变化过程总是伴随着光、热、电等物理现象。物理化学作为化学学科的重要分支之一，它正是利用了物理学的原理和实验技术，从化学现象和物理现象的联系去寻找化学变化规律的学科。物理化学研究的是化学的一般性理论问题，因此它是化学学科的理论基础，一度被称为“理论化学”[1]。物理化学将就理论与实验并重，具体体现在物理化学的基本原理都是通过大量实验事实概括、归纳出来的，同时物理化学的理论必须能被实验事实所检验。因此，学好物理化学的一个重要途径是做实验，通过实验以及对实验现象的观察、记录和分析等，发现和验证物理化学原理，获得和巩固物理化学知识，并训练科学探索的思维能力和实验技能。

一当前大学物理实验教学的现状

物理化学实验在目前的本科教学体系中一般都是单独设课，物理化学实验通常作为最后一门基础化学实验课程出现，其在基础化学实验和后续的化工原理实验及其他专业实验课程之间起承上启下作用[2]。物理化学实验课程的学习效果不仅能检验学生对已学知识的掌握和熟练程度，同时能为后续的专业综合训练奠定重要的基础。物理化学实验内容具有很强的综合性，不仅涉及较难的数学、物理和化学等课程的理论知识基础，同时也是一门实践性和技术性很强的课程[3]。不仅要求学生能综合运用已掌握的大学课程基础知识，如高等数学、四大基础化学、物理学、大学计算机基础等；还要求学生能较熟练地操作溶液配制、物料加热、滴定分析等化学实验基本操作技能；另外，作为课程的另一重要特征，物理化学实验涉及到热、力、电、光、磁等物理量的测定，因此通常需要操作大型分析仪器和一些复杂的专用玻璃仪器[4]。物理化学实验在化学化工专业教学过程中的地位和作用决定了其应该予以应有的重视。然而，由于某些主观和客观的原因，当前的物理化学实验教学中还存在多方面的问题，需要认真改进。首先是教学条件方面。由于大型精密仪器设备的价值较高，一般院校不太可能频繁更新，因此在物理化学实验室见到仪器已被使用十几甚至二十几年是很常见的。部分仪器由于超过了使用年限，性能不够稳定，测得的数据误差过大，得不到合理的实验结果，这严重削弱了学生认真完成实验和主动思考问题的积极性。另一方面，由于仪器设备更新不及时还容易导致人才培养与社会需求脱节。有些老旧仪器操作繁琐，在实践中早已被自动化程度和集成度更高的新式仪器所淘汰，如自制热电偶、托盘天平，电光分析天平、阿贝折射仪等。这些仪器的学习和使用通常会占据大量课堂时间，不仅使学生将有限的精力投入到可能今后基本不会用到的地方，还使学生错过机会训练在实际应用场合中真正需要经常使用的仪器设备的使用。其次是教学环节方面。这方面的问题主要表现在两方面：其一是教学环节保守，实验内容陈旧，多数甚至全部实验内容都源于传统教材的经典实验项目。这种内容的安排有其可取的一面，即教学过程容易把控，能最大限度地保证学生在规定的时间内完成实验内容，达到可预见的训练目标。当这种方式的弊端也非常明显，这类经过反复验证的成熟实验内容，实验没做之前结论就已知，很容易使学生放弃思考，机械式的完成实验任务，严重扼杀学生的思维能力和创新意识。其二是教学方法和考核方式单一，长年累月地采取课上老师先讲解，后学生动手实验，课后完成实验报告，期末进行考察的教学方式。且考核内容基本上不脱离陈旧的教学内容，有时甚至全凭授课教师的主观印象。这样，学生在整个教学环节中是被动参与者的角色，很难将本课程的专业知识内化为个人的专业素养和实践能力。再次是教师授课方面。在前述篇保守的传统教学环节中，教师主动性强。教师授课的质量对教学效果具有非常重要的影响。物理化学实验的教师主要由理论课老师兼任，但由于种种原因物理化学教学未被赋予与理论教学同等重要的地位，有时甚至被沦为理论课的附属课程的地位上，导致大量授课教师对物理化学实验教学不够重视。导致的结果是，没有主动性去更新知识结构，研究学生的知识学习、素质提升和能力培养的内在联系，忽视学生在学习过程的需求。将实验教学过程视为规定动作，为了完成实验而实验。由于物理化学实验的综合性和复杂性，学生在实验过程中遇到的问题较多，而且很多时候很难直观地找到原因。这时，需要老师与学生一同钻研才能找到答案。但很多老师采取的敷衍推诿的态度，其实教师的深度参与不仅有利于学生的学习，而且对教师教学水平的提高和科研能力的锻炼都有积极作用。最后是学生学习方面。由于在上述教学环节模式下，学生是被动参与者，往往过分依赖教师指导。为了完成教学任务，教师没有足够的精力对预习环节把关，而且也难以合理评价，因此学生对课前的实验预习只是应付式地完成任务，预习效果较差。教师在课上先讲解实目的、原理、步骤，并进行演示。由于预习效果较差，学生仅凭对实验理论知识的粗浅理解动手做实验，实验过程就成了按现成的步骤机械操作，最后已详细制定的模式处理实验数据完成实验报告即可。在整个过程中，学生需要思考的机会很少，遇到问题也不会分析。因此教学过程完成后学生学到的多是陈述性知识，而能力的培养较少。另外，当前的教学模式下容易让学生以为实验课比理论课容易过关，从而对物理化学实验课重视程度不够。学生的实验兴趣较低，缺乏实事求实的态度和深入探究的精神，对于实验失败和异常的现象候束手无策，容易采回避态度，错失了分析问题、解决问题的机会。最终导致的结果是课程的教学效果难以达到理想的状态，对学生的专业能力发展极为不利。

二物理化学实验教学面临问题的解决思路

总体而言，教学条件方面的问题属于客观方面的问题，而且主要集中于办学经费有限的地方高校，其解决主要靠加大投入，其解决思路较简单。随着国家和地方对高等教育投入的不断加大，地方院校资金来源会增多，获得的资助强度会增大，如省部共建、学科建设、平台建设等方面都有专项资金用于支持人才培养工作，其中教学条件的改善是重要方面，物理化学实验室应积极争取相关的资金支持。另外为了降低大型仪器购置和维护成本，可以采取物理化学实验与仪器分析实验及科研专题实验共享大型仪器的方式，或者物理化学实验与仪器分析课程实验融合的方式，而这方面国内知名高校复旦大学已经有相关经验[5]。通过上述方法，相信这一问题能得到较好的解决。而对于教学过程、教师的“教”以及学生的“学”等方面的问题，主要是主观方面的原因，其解决需要多方共同努力。通过加强教师教学技能培训和教学过程的监督，能帮助教师提升教学技能，促进教师更认真地完成既定的教学任务；通过加强学生学习过程的督促，能使学生学习态度更端正，促进学生更好的完成学习任务。但是上述手段只能在一定程度上改善物理化学实验课程的教学面貌，难以从根本上提升课程的教学效果。只有正视本课程的教学现状，客观分析当前的不足，针对性地改革课程教学内容和模式，才能更有效地解决所面临的问题，从而更有力地促进本科课程教学体系的建设和更新，更好地实现物理化学实验课程在本科教学体系中应有的地位和作用。根据笔者多年的教学经验，要有效地改革物理化学课程教学，最重要的是改革目前保守、呆板的教学内容安排、教学思路和教学方式的设计。本人认为合理使用以下三种新的教学设计思路，有可能使本课程的教学效果显著改进。当然，这些教学方法相信不少同行在实践中已经尝试使用，本人在此加以总结之。（一）拓展式实验教学法。这种方基于现有的常规教学方式，在教学过程中将实验内容涉及的科学知识或实验技能拓展至实际应用中或者学科发展前沿。通过将实验内容拓展，能较好地调动学生的学习兴趣，调节呆板教学模式下课堂教学的枯燥气氛。让学生感受到所学内容是有很好的应用价值，并引导学生将知识应用，从而激发其钻研精神。例如在讲解二元气-液平衡相图或三元液系相图时，一般学生都学了化工原理等工科课程，因此可以将实验内容与精馏塔或萃取塔的设计联系起来。课后可以要求学生利用实验中获得的基础数据，完成简单的设计和计算步骤。通过采取这种方式，学生在实验过程意识到获得的实验数自己需要用到，会起到较好的鞭策作用，激发学生的积极性和主动性。另一方面，学生意识到实验内容应用价值后，虽然实验任务加重，压力增大了，但并不感到枯燥，反而能激发解决问题的挑战精神。甚至，还可以把化工原理或分离工程的课程设计与相关实验教学结合进行，可能效果会更佳。另一种方式是任课教师在阅读科研文献时，选择一篇合适的研究性论文，其中运用到所讲授的实验内容作为研究手段。在授课前给学生们认真阅读，待实验完成后，根据文献所述的研究对象和研究目的书写一个完整的实验方案。这种方式能较好地激发学生的研究兴趣，锻炼学生的科研能力，也是拓展式实验教学法的一种方式。（二）开放式实验教学法。该方法最重要的特点在于“开放性”，即没有确定的标准答案，只要能达到实验目的，学生可以自主选择实验工具和方法。该方法与当下常规的实验教学模式形成鲜明的对比，能有效地克服学生的思维惰性，促使学生全身心参与到实验中。学生在收到实验题目后，可以充分运用所学知识设计实验方案解决问题。同时鼓励学生充分发挥创造性思维，可以不按常规的思路设计实验方案，只要方案能执行且能达到题目所要求的目的。在这个过程中，教师需要把握题目的设计，应该难度适中，且实验室能提供足够的条件让学生完成题目设定的任务。同时，教师应对学生设计的实验方案把关，一方面不轻易扼杀学生的创新思维，另一方面对明显不合理的设计方案应该与学生充分讨论，并指导其把握科学合理设计实验方案的基本原则。实验方案获得认可后，教师仍应观察和指导学生的执行过程，及时帮助学生解决实验过程中可能出现的问题，增强学生的自信心。例如，笔者曾与同事一起设计了一道开放性实验题目：给学生提供一系列无色透明的液体，学生可以从中任选两种。然后教师告知学生两种液体的名字，要求学生利用物理化学的方法将二者鉴别出来，要求设计实验方案并在实验室操作和完成实验报告。实践表明，学生的思维发散度较高，即使某些学生抽到的题目一样，但提出的实验方案大多不尽相同，简单的可能通过比较溶解度、密度等；难度大一点的可能需要测沸点、测光谱等。我们认为此类题目比较能激发学生的学习兴趣，对提高学生的学习主动性，强化学生动手能力和思维能力有较大的帮助。（三）探究式试验教学法。探究式试验教学法以激发学生分析问题和解决问题的积极性，锻炼学生的科研能力为目标，其难度和深度较拓展式实验教学法更大。该方法是将科学研究的过程融入实验教学中，使学生在完成实验的过程中亲身感受科学研究的思想和方法。毕竟基础化学实验有时间、场地及条件的限制，且参与者的基础知识和技能有限，其目的更侧重于训练学生，因此不能完全照搬科学研究的模式，应该将研究内容适当简化，理论深度应适度，而且要注重可操作性和直观性。为了达到综合训练的目的，教师对选题和内容设定要有较强的把控能力。课题可以从教师承担的科研课题中分化出来，也可以根据教师的研究兴趣或者所在单位的研究特色设定。确定课题后，教师事先设分解研究任务，将班上学生分组，每组承担不同的研究内容，并由学生制定实验方案并交任课教师审定。然后每组学生独立完成实验，并形成实验报告。最终将全班实验报告综合形成一份较完整的研究报告，教师全程参与学生的实验和研究过程，并给予实时的指导。例如，设计一个超级电容器制备及电化学性能测试的实验内容，根据所采用的电极材料和制备方法将学生分组，完成实验后综合各组实验结果，分析电极材料和制备方法对其电化学性能的影响，形成研究报告。这种方式虽然时间、精力和物力消耗都比较大，但可以克服教师的思维惰性，激发教师的教学积极性和创造性。同时学生的参与度高，所需运用的知识灵活度较大，不会给人枯燥乏味的感觉，学生在实验过程中能力的锻炼比较全面，且有利于培养其创新意识。

三结语

物理化学实验具有训练学生综合能力，培养思维能力和创新意识，并在基础课程与专业课程间承上启下等作用，因此物理化学实验在化学化工类专业本科教学体系中具有不可替代的地位和作用。由于某些主观和客观的原因，当前的物理化学实验教学还面临着诸多问题。本文主要从教学改革的角度，提出了笔者针对当前问题的解决思路。但教学改革不是一项简单、孤立的工作，它还涉及到教学理论和实践的多个层面。且当今科学技术进步迅速，物理化学实验教学工作也应该保持与时俱进。教学有法，但无定法，各位同行对相关问题也有许多独到的思考和富有成效的尝试。本文希望能抛砖引玉，愿与同行共同探讨促进物理化学实验教学改进的新思路、新方法。与同行一道因势利导，结合教学内容和学生实际情况因材施教，培养应用型、创新型人才。

参考文献

[1]天津大学物理化学教研室.物理化学.下册.4版[M].高等教育出版社,2001.

[2]武丽艳,尚贞锋.大学物理化学实验立足于创新人才培养的教学改革[J].实验室科学,2006,(2):32-34.

[3]王祥洪，胡武洪，秦宗会.大学物理化学实验救学改革探讨[J].科技创新导报,2009,6(2):38

[4]邓立志,侯安新,席美云.关于物理化学实验教学改革的几点思考[J].大学化学,2006,21(4):25-27.

[5]刘永梅,张晋芬,戴维林,等.新形势下物理化学实验内容的设计与思考[J].中国大学教学,2014,(10).

作者:张盼良 孙碧珠 熊碧权 刘宇 唐课文 单位:湖南理工学院