李 向 紅

(西南林業(yè)大學 化學工程學院， 昆明 650224)

0 引 言

物理化學實驗是林業(yè)院校應用化學、林產(chǎn)化工、化學生物學、環(huán)境科學、環(huán)境工程等專業(yè)的重要基礎實驗課程。通過物理化學實驗課程教學不僅使學生掌握一些基本實驗技能及儀器的操作使用方法，更重要地是培養(yǎng)學生對科學問題的獨立思考、實驗方案設計和處理分析數(shù)據(jù)的能力，加深對所學物理化學理論課程中的概念、原理、公式的理解和靈活運用。物理化學實驗是一門兼具理論性和實踐應用性的獨立課程，它已不再是物理化學理論課程教學的點綴，而是培養(yǎng)學生創(chuàng)新意識和科研創(chuàng)新能力的重要教學環(huán)節(jié)。物理化學實驗的目的不是在于培養(yǎng)實驗操作的技術人員，而是通過實驗來培養(yǎng)科學研究能力[1-3]。然而，物理化學實驗教學一直沿襲過去的傳統(tǒng)模式，多年來基本沒有變化，許多開設的實驗內容和實驗儀器設備較為陳舊，且大多數(shù)為單一性、驗證性的實驗，缺乏創(chuàng)新性和綜合設計性。在教學實踐中，筆者發(fā)現(xiàn)林業(yè)院校大多數(shù)學生在物理化學實驗過程中往往停留在教師講授、學生單純模擬和驗證實驗結果、出現(xiàn)問題即刻請老師解決、預習實驗報告流于對教材的抄寫形式、處理實驗數(shù)據(jù)不夠嚴謹、數(shù)據(jù)討論部分缺乏條理性、系統(tǒng)性，對思考題部分基本忽略或討論不夠深入，嚴重地偏離了物理化學實驗對培養(yǎng)學生科研創(chuàng)新思維能力的教學初衷。

針對此問題，筆者結合10余年來的課程教學經(jīng)驗，針對物理化學實驗教學中存在的的具體問題，依據(jù)林業(yè)高校教學改革的要求和各專業(yè)自身的特點，以培養(yǎng)學生創(chuàng)新意識和能力為導向，從注重教材建設、優(yōu)化實驗內容、改革教學模式、建立課程科學考核評價體系、加強實驗室建設和管理幾方面進行教學改革探索與實踐，以便進一步提升教學水平和教學質量，更好地發(fā)揮物理化學實驗在培養(yǎng)高層次水平人才中的作用。

1 注重教材建設

進入21世紀，國內各高校為了適應新世紀實驗教學的改革需要均開始著手在原有教材的基礎上編寫了許多實驗教材，使實驗教材的編寫進入了一個繁盛時期[4]。目前，國內已有許多物理化學實驗教學方面的教材[5-7]，但由于各個高校的實驗室配備的儀器種類和型號差別較大，造成了國內物理化學實驗教材的適用性較差。如果完全照搬綜合類大學的物理化學實驗教材，由于林業(yè)類院校和綜合類院校開設的物理化學實驗的內容側重點不一致，會使學生在預習及實驗過程中帶來諸多不便。

為了適應林業(yè)類院校的物理化學實驗教學要求，筆者一直注重適用于林業(yè)院校物理化學實驗的教材建設，于2006年結合本校開設的物理化學實驗及物理化學實驗室中的儀器設備及建設趨勢，編寫了《物理化學實驗講義》。在此講義的不斷使用過程中，又進一步增設了許多綜合性實驗和設計研創(chuàng)型實驗，2016年編寫了對林業(yè)院校各專業(yè)適用性較強的《物理化學實驗指導》[8]，該教材考慮到農(nóng)林院校學生的實際水平，簡化了復雜的公式推導，文字敘述也力求言簡意賅、深入淺出、通俗易懂；該教材自使用以來，受到了師生的普遍歡迎和好評。最近，為了進一步適應林業(yè)高校的物理化學實驗教學改革需要，筆者正在編寫列入國家林業(yè)局“十三五”規(guī)劃的教材《物理化學實驗》。

2 優(yōu)化實驗內容

物理化學實驗內容主要為基本物理量及參數(shù)的測量：基本物理量包括溫度、壓強、粘度、密度、比旋光度、吸光度等；測量的參數(shù)則涵蓋了熱力學(蒸氣壓、燃燒熱、凝固點、滲透壓、標準平衡常數(shù))、電化學(電動勢、電導、離子遷移數(shù)、ζ電位)、動力學(反應級數(shù)、活化能、速率常數(shù))、膠體與表面化學(表面張力、比表面積、接觸角、臨界膠束濃度、吸附量)、結構化學(磁化率、偶極矩)部分。測量的對象包括氣體、液體、固體、溶液、膠體、界面(表面)發(fā)生的物理變化及化學反應。物理化學的實驗內容較多，國內綜合類高校選用的物理化學實驗教材中涉及的物理化學實驗多達20～30個，實際開設的為16～20個[1]。林業(yè)院校開設的物理化學實驗學時(24～32)較少，且考慮到大多數(shù)非化學類專業(yè)的化學基礎相對薄弱，故開設的實驗難度不宜過大(未開設結構化學部分的實驗)。結合各專業(yè)的培養(yǎng)要求，林業(yè)類院校開設的物理化學實驗內容一般為8～12個，所以如何優(yōu)化物理化學實驗內容成為林業(yè)院校物理化學實驗課程首要解決的問題。

優(yōu)化實驗內容并不是全盤否定或完全廢棄原來的實驗教學內容，而是以進一步加強學生科研創(chuàng)新思維培養(yǎng)和獨立分析處理數(shù)據(jù)的能力為指導方向，對一些實驗內容進行優(yōu)化配置，體現(xiàn)“少而精”的特色。① 在維持對學生訓練基本的實驗技能的原則不變的情況下，兼顧實驗室所具備的客觀條件，可以逐步淘汰一些內容乏陳、缺乏技術含量的驗證性實驗。同時，為了提高學時利用率，可以將一些較為簡單的實驗進行合并，例如在表面化學實驗部分可以將溶液的密度、粘度測定及粘度法測定高聚物分子量3個實驗進行合并，內容上進行優(yōu)化提煉。② 對一些實驗內容中所用到的化學試劑藥品以“綠色化”為導向進行改進，如對凝固點降低法測定分子量中可以將環(huán)己烷變?yōu)槠咸烟?，粘度法測定高聚物分子量中的高聚物變?yōu)榭扇苄缘矸郏柡驼魵鈮簻y定的有機溶劑由苯改為乙醇。當然，對于一些測定的實驗體系也應緊扣林業(yè)院校的林業(yè)學科特色，如對林產(chǎn)化工專業(yè)開設的粘度測定的實驗所用的高分子溶液為合成的木材膠粘劑(脲醛膠粘劑)進行測定。③ 開設的實驗結合國內外新發(fā)展出來的精細化工產(chǎn)品進行測試對比，如在表面活性劑的臨界膠束濃度的實驗中，可以引入近年來快速發(fā)展的Gemini表面活性劑進行測試，然后與傳統(tǒng)的表面活性劑進行對比，使學生進一步了解Gemini表面活性劑在降低水的表面張力的獨特優(yōu)勢。

根據(jù)教育部新世紀化學實驗開設指導的原則，將化學實驗分為3個層次：基礎性實驗、綜合性和設計性實驗、研創(chuàng)型實驗。在基礎性實驗開展的基礎上，加大對綜合設計性實驗的開設[9]，這些實驗應該以趣味性、科學性和啟發(fā)性為一體，在研創(chuàng)型實驗中適當引入一些教師的科研項目內容，實現(xiàn)科研成果反哺教學，如筆者將從事緩蝕劑研究的一些項目成果，進行精選提煉設計為學生的研創(chuàng)型實驗，使學生在做完實驗后能夠較好地領略實驗方案的設計、數(shù)據(jù)的分析處理、實驗結果的探討。對高年級學生進行畢業(yè)論文設計和學生畢業(yè)后從事科研生產(chǎn)實踐具有十分重要意義。

3 改革教學方式

傳統(tǒng)的物理化學實驗教學方式主要為學生預習、教師講授、學生模擬操作、提交實驗數(shù)據(jù)、撰寫實驗報告。在教學模式和教學過程均是完全統(tǒng)一安排，大多數(shù)學生只是被動接受，抱著應付完成實驗操作的思想，缺乏實驗的積極性，難以使學生留下深刻的印象和發(fā)揮出較好的教學效果。在預習環(huán)節(jié)，學生交上來的預習報告大多數(shù)是直接從教材上的摘抄，缺乏對實驗目的、方法、原理和操作步驟的深入思考。為了改變這個現(xiàn)狀，根據(jù)實驗教學的目標應該從知識技能的傳授過渡到能力和素質的養(yǎng)成的導向[10-11]，筆者對教學方式進行了大量的改革探索與實踐。

(1) 在預習環(huán)節(jié)。嚴格要求學生預習時需查閱除了教材以外的文獻資料，需對測定的物理量及參數(shù)的物理意義、實驗方案的設計等均進行概述和總結，讓學生用流程圖方式寫出實驗步驟，對實驗中用到的原理和公式及拓展均需要進行認真思考。在教師講授時，應以問題互動式和啟發(fā)討論式為主的教學方式對實驗進行講授，此時的重心主要集中在實驗研究方案設計的思路方面，在對實驗操作的講授時教師不能完全包辦，應留給學生一定的思考空間，應抓住主要涉及的學生首次使用的儀器進行講述。此外，在教師講授時也可以適當引入一些多媒體教學方式，如制作一些微視頻材料，讓學生能夠領略一些與開展實驗的相關資料和拓展資料。由于學時或實驗室條件的限制，一些物理量的測定方法可能有多種，但實驗只是用了其中的一種，對于其他方法也可以用多媒體對其他方法的實驗進行展示，讓學生進行對比各自方法的優(yōu)缺點。如以表面張力的測試為例，測試方法有毛細管上升法、環(huán)法、提拉法、最大泡壓法，在實驗測定中各高?？赡芤宰畲笈輭悍橹?，那可以將其他方法進行視頻演示，讓學生印象深刻。在講授時，也可以結合身邊的實例來說明該實驗的重要意義及拓展應用，如凝固點降低法測分子量在合成藥物分子量測定中的應用，接觸角測試在超疏水材料研究方面的應用。

(2) 在實驗課中的操作方面。要改變學生 “照單抓藥”的實驗模式(一邊看書、一邊做)，要求在實驗操作過程中做到“一氣呵成”，對于實驗裝置的搭建中碰到的問題，鼓勵學生先行思考和解決，而不是教師即刻完全包辦解決。此外，需以創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)貫穿于整個實驗教學過程中，在實驗教學中應引導學生對一些實驗的條件進行變量設定探索，從而更好地培養(yǎng)學生的綜合創(chuàng)新能力。例如，在“碘鐘”反應實驗的教學方案中，不給出每個試劑的具體的添加用量，而只是給出一個大致的濃度范圍，要求學生通過具體實驗操作在這個范圍內嘗試出一個合適的濃度用量。通過教學實踐，發(fā)現(xiàn)一些學生是在幾次嘗試失敗后才能成功地完成實驗，可以進一步讓學生明白在“碘鐘”反應的過程中硫代硫酸鈉與碘化鉀的濃度用量對整個初始速率反應法測定的速率常數(shù)具有重要的影響。對于學生在實驗的過程中遇到的問題，如不顯藍色、一混合立即顯藍色的問題，通過啟發(fā)和提示，讓學生自己去分析原因并找到解決問題的方法。通過此類變量設定的探索實驗，較好地激發(fā)了學生對實驗現(xiàn)象背后隱藏的科學本質問題進行探索?？傊谡麄€實驗過程中應該堅持以學生為中心、教師由講授者向引導者轉變[12]。教師不應對學生的實驗操作干預得過多過細，否則會造成學生實驗過程中畏手畏腳，應該給予學生大量的可操作空間，實現(xiàn)“學生按教師指令做實驗”向 “學生自己做實驗”轉變。此外，對于一些復雜實驗要求幾個同學為一組進行分工協(xié)作完成，在實驗過程中鼓勵學生相互之間進行思考和討論，做到實驗數(shù)據(jù)共享和共同探討處理實驗過程中碰到的問題，培養(yǎng)學生交流協(xié)作的團隊精神，以利于形成良好的實驗氛圍。

(3) 在實驗數(shù)據(jù)記錄方面。教學實踐中發(fā)現(xiàn)有的學生會受周圍同學的干擾，有“先入為主”的習慣，當周圍其他同學的數(shù)據(jù)出來以后，該同學就會有意識地將自己的實驗數(shù)據(jù)往別人的數(shù)據(jù)上接近，甚至一旦發(fā)現(xiàn)自己的實驗數(shù)據(jù)和別的同學不一致時，立刻會認為自己的實驗操作出了問題。針對此情況，一方面要增強學生對自己實驗結果的自信心；另一方面，對一些實驗數(shù)據(jù)的可疑值進行原因查找和驗證。事實上，物理化學中的許多實驗就是在測定體系完全一致的情況下，由于儀器的原因，實驗數(shù)據(jù)很難具有高度的重合性。以表面張力實驗為例，由于測試的毛細管常數(shù)不同，所以每組實驗同學的實驗數(shù)據(jù)是不可能相同的。當然，有的實驗數(shù)據(jù)屬于操作不當造成的錯誤，此時要引導學生對實驗數(shù)據(jù)進行分析原因，然后進行思考找出原因。在實驗數(shù)據(jù)記錄中，要求學生對原始數(shù)據(jù)進行準確記錄，包括一些失敗的實驗結果也要記錄下來，以便能夠順利查找實驗失敗的原因。

4 建立課程科學考核評價體系

科學的考核評價體系可以促進整個實驗教學過程得以良性循環(huán)發(fā)展，傳統(tǒng)的物理化學實驗對成績評定過分看重學生實驗結果的準確度和精密度，忽略了對學生實驗過程中的科研創(chuàng)新思維能力的考察。筆者經(jīng)過多年的探索，建立了一整套相對更為合理的課程考核評價體系：整個物理化學實驗課程的成績由兩個大的部分構成：平時成績(60%)+ 設計型實驗考試(40%)。對于平時成績考核由所開展的平時實驗加權平均得出，即對每個實驗都要進行考核，每個實驗都以百分制進行計算，由開展實驗的各個教學環(huán)節(jié)組成：預習(20%)+ 實驗操作(25%)+ 互動討論(25%)+ 實驗報告(30%)。

在預習環(huán)節(jié)的考核中，主要從學生預習中關于原理的思考和方案的設計進行考核，而對于預習報告中完全照抄教材的原則上給予不及格處理。在實驗操作過程中，注重實驗操作的連貫性，兼顧每個實驗細節(jié)過程的嚴謹性，當然對于實驗過程中的疏忽失誤能夠進行思考并能夠獨立解決問題的學生，原則上不扣分。在互動討論環(huán)節(jié)，主要是對實驗中的原理和教材中的思考題部分用自己的話進行概述，并能夠對一些實驗中涉及的科學問題進行適當?shù)赝卣梗€有對一些實驗現(xiàn)象能夠做出合理解釋。此部分自納入考核環(huán)節(jié)中受到了學生的普遍重視，學生對實驗思考的積極主動性得到加強，而不是被動地學習。此外，應重視每個實驗操作過程中出現(xiàn)的問題和對于實驗異常結果的討論和想法。在電位-pH曲線的測量中，往往對于測試溶液的pH值的控制是得出合理實驗數(shù)據(jù)的關鍵所在，如果學生對一些實驗操作失敗后，不查找原因就急于重做，那么很難保證重做就會成功，而且對于學生總結實驗失敗這個環(huán)節(jié)的訓練被忽略了。在互動討論部分，應該鼓勵學生的思維創(chuàng)新，只要是學生在對某個問題上的思考有其獨到之處，雖然可能有一定的局限性，但仍然可以給予好的評價和成績評定上給高分。

在實驗報告部分的撰寫中，對于實驗目的、原理、儀器藥品、步驟4個部分發(fā)現(xiàn)學生大多數(shù)直接照搬教材。為此，筆者嘗試將實驗報告這4部分進行科研論文的形式引導給學生，讓學生正真地懂得做此實驗的目的和意義，在實驗步驟中做到簡明扼要、言簡意賅。對于實驗數(shù)據(jù)處理方面，傳統(tǒng)的處理方法為學生用坐標紙進行描點，然后根據(jù)趨勢畫出直線或曲線，這種方法存在誤差大、主觀性強的缺陷，即使同一組數(shù)據(jù)也會得出不同的結果，所以在實驗數(shù)據(jù)處理部分要求學生用Origin軟件進行處理，如直線擬合、曲線擬合、分段擬合等[13]。引入Origin軟件處理實驗數(shù)據(jù)不僅使圖形更加直觀，而且減少了數(shù)據(jù)處理的誤差，更重要的是對學生將來從事畢業(yè)論文寫作和科學研究打下了堅實的基礎。對于圖形處理中，對坐標軸的物理量及單位，坐標的取值范圍的合理性等均列入了重要的考察范圍。在數(shù)據(jù)處理后，對于實驗結果的討論也要做相應的討論；在思考題部分雖然在教學過程中也有所提及，但在實驗報告中也要再次進行討論。除了教材中的思考題之外，鼓勵和引導學生對實驗過程中的一些實驗現(xiàn)象、概念和原理進行自由選題討論，對此部分的考核，不苛求學生討論的全面性和與參考答案的一致性，主要看重的是學生對討論部分的合理性和對科學問題的獨立思考能力。

培養(yǎng)學生進行實驗方案的設計及科學問題的探究是物理化學實驗的教學目的，以此為導向，在期末設計性的實驗考試中主要考察學生在學習完物理化學實驗的基礎上，在沒有教師的指導幫助下，能夠確定合適的實驗方法、選用合適的儀器，采用正確的操作方法測量得出準確可靠的數(shù)據(jù)、選用相關的原理和公式分析處理實驗數(shù)據(jù)，得出實驗結果，并對實驗結果進行有理有據(jù)地討論，撰寫出實驗報告。教師需精心設計期末考核的實驗，以綜合性的實驗考察為主，題目不宜過難，但也不能是做過實驗的簡單重復。在期末實驗考試中，對于實驗方案的確定應現(xiàn)場給分，對于一些不太合理的實驗方案應引導學生現(xiàn)場改進；在實驗數(shù)據(jù)處理部分，要求學生用自己的電腦或實驗室提供的電腦進行現(xiàn)場處理，并由實驗室提供打印機打印出實驗數(shù)據(jù)圖形。通過期末考核，可以檢驗學生通過物理化學實驗的學習所得到的處理科學問題的能力。

將安全環(huán)保和學術道德規(guī)范也納入到科學考核評價體系中。對于實驗過程中的儀器的安全操作及實驗完成后的廢液的處理也對學生做規(guī)范要求。對于實驗中抄襲他人數(shù)據(jù)或篡改原始數(shù)據(jù)的直接對該所涉及的實驗成績給予不及格處理。

5 加強實驗室建設和管理

實驗室的設施是保證實驗教學順利開展的基本條件，為了創(chuàng)造有利于學生創(chuàng)新能力發(fā)展的教學環(huán)境和條件，應加強實驗室建設、更新儀器設備、增加實驗儀器的臺套件數(shù)。在實驗室建設中盡量地結合林業(yè)院校專業(yè)的特點，秉承“綠色化”實驗室的建設原則[14]，筆者所在學校在中央支持地方實驗室經(jīng)費的不斷投入后，先后淘汰了大量上個世紀80～90年代的儀器，更新了數(shù)顯恒溫水浴箱、數(shù)顯貝克曼溫度計、燃燒熱測定半自動裝置、數(shù)顯旋光儀、數(shù)顯精密pH計、旋轉式粘度計等儀器，進一步降低了實驗數(shù)據(jù)的誤差，提高了實驗效率，為開設綜合實驗和設計實驗的有效實施提供了便利；同時也將一些高檔研究儀器投入到物理化學實驗中，如電化學工作站用于電化學實驗研究，為學生開設了極化曲線及電化學阻抗譜(EIS)的測量。

實驗室是高校培養(yǎng)學生創(chuàng)新精神與實踐能力的重要基地，對于學生的培養(yǎng)不能僅僅依靠課堂教學，故在物理化學實驗室的管理上，實行學生預約登記進行開放管理的模式[15]。以科研帶動教學，鼓勵和引導學生進入物理化學實驗室進行相關課題研究是培養(yǎng)學生獨立實驗能力的有效方法，學生在指導教師的指導下，參與科研項目的部分工作，學生做完實驗和分析處理實驗數(shù)據(jù)后普遍都認為激發(fā)了他們的興趣，使原來不能理解的熱力學函數(shù)、電化學極化、緩蝕劑的性能測試等部分基礎理論知識點也得到了較大的提高，而且有的學生做出來的實驗數(shù)據(jù)可以整理成部分小論文，申報了相關的國家級、省級和校級的大學生創(chuàng)新訓練項目，使學生們有“成就感”，進一步形成良性循環(huán)?？s短了科學研究與學生之間的距離，有利于激發(fā)學生的科研興趣，培養(yǎng)學生提出科學問題、分析和解決問題的科研創(chuàng)新能力。

6 結 語

遵循因材施教的原則，筆者經(jīng)過多年的物理化學實驗的教學改革探索與實踐，編寫了對林業(yè)院校各專業(yè)適用性較強的物理化學實驗教材，在實驗內容上加大了綜合設計性實驗的開設力度和引入了研創(chuàng)性實驗，把學生從被動的學習中解放出來，調動了學生的積極性，不僅實驗操作能力得到加強，而且使學生認識問題、分析問題和解決問題的能力得到提升，學生預習和實驗報告的質量也顯著提升。然而，林業(yè)院校的物理化學實驗的教學改革仍然任重而道遠，還有許多方面亟待探索與實踐，以便更進一步提升教學水平和教學質量，更好地發(fā)揮物理化學實驗對培養(yǎng)高層次高水平人才的作用。

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