楊冬梅++王軍
[摘 要]物理化學實驗作為理論課教學的輔助手段，綜合了化學領域中各分支所需要的基礎研究工具和方法，是化學實驗科學的重要組成部分。通過分析東北大學應用化學專業物理化學實驗課程中存在的問題，對物理化學實驗課程設置進行了改革，採取增加新的實驗項目、改革實驗方案、重組實驗內容以及開設大型、綜合性實驗等措施。教學實踐證明，重新設置後的物理化學實驗課程有助於培養學生的科研素質，能提升學生的實踐技能，對培養科研拔尖創新人才有重要意義。
[關鍵詞]應用化學專業；物理化學實驗；教學改革
[中圖分類號] O64；G642.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2016）02-0145-03
物理化學是東北大學應用化學專業的學生在完成了無機化學、分析化學的學習之後，繼續修學的又一門化學基礎課程。[1]物理化學實驗作為理論課教學的輔助手段，綜合了化學領域中各分支所需要的基礎研究工具和方法，是化學實驗科學的重要組成部分。[2]學生能通過實驗驗證所學的理論，鞏固和加深對物理化學原理的理解[3]，提高對物理化學知識的靈活運用能力，這有利於培養學生嚴謹的科學態度和創新精神[4]，為後續課程的學習打下堅實的基礎。因此，科學合理地設置物理化學實驗課程內容，對構建完整的化學基礎課程體系、提高學生的培養質量至關重要。[5]
一、應用化學專業物理化學實驗課程存在的問題
應用化學專業的特點決定了其對物理化學實驗內容深度、廣度和綜合度的要求不同於材料、冶金、成型、環境、生物工程等其他專業。東北大學化學實驗中心為遼寧省級實驗教學示範中心，為使學生能系統學習並掌握各種物理化學基礎實驗研究方法，便於教師在教學過程中實時掌控實驗進度和學習效果，實驗中心為應用化學專業單獨開設了兩個學期的物理化學實驗課程，而且取得了豐碩的教學成果。
然而，隨著科學技術的發展以及社會對應用化學專門化人才素質要求的提高，過去曾經被師生們樂道的一些優秀的實驗項目已經無法適應當前的需求。表1中分別列出了過去和現在為東北大學應用化學專業開設的物理化學實驗項目。通過調查研究，我們發現過去制定的培養計劃主要存在以下兩個方面的問題。其一，由表1可以看出，大部分的物理化學實驗為驗證性實驗，研究性、綜合性實驗較少。這顯然不利於培養學生的創新能力和解決實際問題的能力。其二，過去物理化學課程體系中理論課與實驗課的課時比例為2∶1，即理論課課時是實驗課的2倍。教學研究表明，雖然通過理論課的學習，學生可以掌握較多的理論知識，但由於實驗課時較少，學生的動手能力較差，對實驗室的各種基礎儀器設備的使用方法不能完全掌握，因此學生很難將所學到的各種實驗知識融會貫通，這對其以後的學習和工作是十分不利的。而且由於實驗項目較少、內容不新穎等問題，學生對物化實驗課的重要性認識不足，普遍存在重視理論課學習而輕視實驗操作訓練的現象，缺乏主動學習實驗技能、掌握實驗技術的積極性。因此，亟須對物理化學實驗課程的設置進行改革。
二、應用化學專業物理化學實驗課程設置改革
（一）增加新的實驗項目
為培養學生的動手能力和提升學生的綜合素質，在東北大學教務處的大力支持下，根據培養科研拔尖創新人才的需要，我們重新修訂了應用化學專業的培養計劃和物理化學實驗教學大綱。大幅提高了實驗課時在物理化學課程體系中的比例，將理論課和實驗課的課時比由原來的2：1調整為1：1；實驗項目也由原來的12個增加到了現在的22個，並允許學生選做其中的20個實驗。原教學大綱中設置的實驗項目中屬於熱力學模塊的實驗較多，而屬於電化學和化學反應動力學知識模塊的實驗較少。在教學過程中我們發現，由於學生對後兩個模塊中的實驗項目接觸較少，缺少理論聯繫實際的機會，所以對相關知識掌握得不好。因此，在修訂物理化學實驗教學大綱時，除保留原有實驗外，還增加了10個實驗。其中包括熱力學模塊實驗項目1個，電化學模塊實驗項目3個，化學反應動力學模塊實驗項目5個，介面與膠體化學模塊實驗項目1個。增加了新的實驗項目後，物理化學實驗教學內容在各個知識模塊間的分布變得更加合理。通過物理化學實驗課程的學習，學生不僅能加深對理論知識的理解，還能開拓視野，提升綜合運用理論與實驗知識的能力。
（二）改革實驗方案
除了增加新的實驗項目以外，我們還對原來的一些實驗項目進行了重新設計，以使實驗方案更加合理。例如「表面張力和接觸角的測定」實驗，原來的實驗方案是通過測定毛細管的半徑和水壓計的壓差值，再利用氣泡最大壓力法中表面張力的基本公式計算出水的表面張力。這種實驗內容比較單一，學生做實驗的興趣不高。通過反覆的測試和調整，我們將實驗方案修改為測定一系列濃度不超過0.1mol·L-1的正丁醇水溶液的介面張力，再根據吉布斯吸附公式計算溶液表面的吸附量以及正丁醇的橫截面積。實驗內容調整後，學生普遍反映對介面張力的性質、表面自由能的意義以及介面張力和吸附的關係了解得更透徹了。再例如「冰點下降測分子量」實驗，原來的實驗方案是分別測定水和濃度為0.3%的尿素水溶液的凝固點，再計算出尿素的分子量。由於尿素溶液濃度比較小，雖然選擇的溶液滿足稀溶液的條件，但測出的水與尿素溶液的凝固點之差不明顯。為了加深學生對溶液凝固點降低這一概念的理解，提高學生對這個物理化學現象對人們生產生活所產生影響的認識，經過多次對比實驗，我們最終確定將實驗中所用的尿素溶液濃度提高到1%，從而使測得的凝固點降低值達到0.3℃左右，實驗現象明顯，獲得比較好的實驗效果，達到了預期實驗目的。
（三）重組實驗內容
針對物理化學學科的特點和應用化學專業學生培養的需要，我們對一些物理化學實驗內容進行了調整。保留並整合了一些基礎性實驗以培養學生的基本操作能力。同時也拓展了一些經典實驗內容，將不同的知識點聯繫在一起，使學生在實驗過程中能靈活運用所學的物理化學知識。例如在新增加的實驗項目「臨界膠束濃度的測定」中，除了用電導法測定不同濃度的十二烷基磺酸鈉的電導率以確定其臨界膠束濃度外，還增加了臨界膠束濃度的另一種測定方法——介面張力法——的內容。在實驗過程中，學生們採用兩種不同的實驗方法確定相同表面活性劑體系的臨界膠束濃度，加深了對表面活性劑溶液性質的理解，同時還對兩種不同的實驗方法進行了實際操作和比較。再例如在「原電池電動勢的測定」實驗中，我們採用電位差綜合測試儀取代了原來使用的電位差計和檢流計，顯著縮短了實驗過程中儀器調試占用的時間，並增加了新的內容以充分利用這些節餘下來的寶貴時間。經過對實驗內容的重新設計和組合，學生在測定了以銅/硫酸銅為半電池構造成的原電池電動勢後，還可以繼續測定不同溫度和不同濃度的硫酸銅水溶液對溶液電導率的影響，進而分析對原電池電動勢產生的影響。因此，重組後的「原電池電動勢的測定」實驗已經成為一個綜合性較強的實驗，而不再是一個簡單的驗證性實驗。通過對這個實驗的訓練，學生可以對理論課中學到的電化學熱力學基礎知識有比較全面且深入的理解。
（四）開設物理化學大型綜合性實驗
為培養應用化學專業學生的綜合素質和科研能力，從2003年開始，我們又將物理化學基礎實驗與教師科研成果相結合，面向應用化學專業本科學生開設了一套大型綜合性實驗——聚苯胺的製備、表征及性能測試。這個大型綜合性實驗總共包括6個子實驗項目：聚苯胺的化學法製備、聚苯胺摻雜-反摻雜性能研究、聚苯胺的電化學法製備及電化學性能測試、聚苯胺電化學催化性能研究、聚苯胺氣敏性研究、聚苯胺在不同pH值的酸溶液中的電化學響應。學生完成這個大型綜合性實驗需要24學時。在實驗前，我們要求學生獨立查閱相關文獻資料並設計出完整的實驗方案，經與指導教師討論確認後，才能通過網上預約確定實驗時間並進入實驗室做實驗。學生在獨立完成全部子實驗項目後，應按照通用的學術研究報告標準寫出綜述報告，並對實驗過程中發現的現象及出現的問題開展分組討論。數年的實踐結果表明，這項綜合實驗的設置，不僅使學生熟悉了多種電化學實驗儀器和設備（例如，四探針電導率測試儀、電化學工作站以及CHI軟體）的使用方法，還對導電有機高分子材料有了一定的了解，有利於培養學生綜合運用知識、獨立解決實際問題的能力，並為學生將來從事科研工作打下了基礎。
三、課程設置改革後的成效
近幾年來，通過對物理化學實驗課程不斷研究和改革，不僅提升了學生的實驗操作技能，提高了學生做實驗的主動和積極性性，而且培養了學生嚴謹的科學態度和創新精神。實踐證明，重新設置後的物理化學實驗課程有助於培養學生的科研能力，對培養科研拔尖創新人才有重要意義。
[ 參 考 文 獻 ]
[1] 王軍. 對大學物理化學課程教學的思考[J] . 教育進展， 2013（3）：13-16.
[2] 王岩，李三鳴. 新課程體系下物理化學實驗教學的改革[J]. 實驗室科學，2012（1）：55-57.
[3] 楊冬梅，王軍. 物理化學實驗教學改革的總體設計及實踐[J]. 高等理科教育，2008（6）：103-105.
[4] 張國林，韓瑩，薛懷國，等. 大學化學實驗課程體系的改革與實踐[J]. 大學化學，2010（1）：23-25.
[5] 王軍，楊冬梅，霍玉秋. 創新型人才培養模式下的物理化學教學研究與改革[J]. 大學教育，2015（5）：99-101.
[責任編輯：陳 明]
[摘 要]物理化學實驗作為理論課教學的輔助手段，綜合了化學領域中各分支所需要的基礎研究工具和方法，是化學實驗科學的重要組成部分。通過分析東北大學應用化學專業物理化學實驗課程中存在的問題，對物理化學實驗課程設置進行了改革，採取增加新的實驗項目、改革實驗方案、重組實驗內容以及開設大型、綜合性實驗等措施。教學實踐證明，重新設置後的物理化學實驗課程有助於培養學生的科研素質，能提升學生的實踐技能，對培養科研拔尖創新人才有重要意義。
[關鍵詞]應用化學專業；物理化學實驗；教學改革
[中圖分類號] O64；G642.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2016）02-0145-03
物理化學是東北大學應用化學專業的學生在完成了無機化學、分析化學的學習之後，繼續修學的又一門化學基礎課程。[1]物理化學實驗作為理論課教學的輔助手段，綜合了化學領域中各分支所需要的基礎研究工具和方法，是化學實驗科學的重要組成部分。[2]學生能通過實驗驗證所學的理論，鞏固和加深對物理化學原理的理解[3]，提高對物理化學知識的靈活運用能力，這有利於培養學生嚴謹的科學態度和創新精神[4]，為後續課程的學習打下堅實的基礎。因此，科學合理地設置物理化學實驗課程內容，對構建完整的化學基礎課程體系、提高學生的培養質量至關重要。[5]
一、應用化學專業物理化學實驗課程存在的問題
應用化學專業的特點決定了其對物理化學實驗內容深度、廣度和綜合度的要求不同於材料、冶金、成型、環境、生物工程等其他專業。東北大學化學實驗中心為遼寧省級實驗教學示範中心，為使學生能系統學習並掌握各種物理化學基礎實驗研究方法，便於教師在教學過程中實時掌控實驗進度和學習效果，實驗中心為應用化學專業單獨開設了兩個學期的物理化學實驗課程，而且取得了豐碩的教學成果。
然而，隨著科學技術的發展以及社會對應用化學專門化人才素質要求的提高，過去曾經被師生們樂道的一些優秀的實驗項目已經無法適應當前的需求。表1中分別列出了過去和現在為東北大學應用化學專業開設的物理化學實驗項目。通過調查研究，我們發現過去制定的培養計劃主要存在以下兩個方面的問題。其一，由表1可以看出，大部分的物理化學實驗為驗證性實驗，研究性、綜合性實驗較少。這顯然不利於培養學生的創新能力和解決實際問題的能力。其二，過去物理化學課程體系中理論課與實驗課的課時比例為2∶1，即理論課課時是實驗課的2倍。教學研究表明，雖然通過理論課的學習，學生可以掌握較多的理論知識，但由於實驗課時較少，學生的動手能力較差，對實驗室的各種基礎儀器設備的使用方法不能完全掌握，因此學生很難將所學到的各種實驗知識融會貫通，這對其以後的學習和工作是十分不利的。而且由於實驗項目較少、內容不新穎等問題，學生對物化實驗課的重要性認識不足，普遍存在重視理論課學習而輕視實驗操作訓練的現象，缺乏主動學習實驗技能、掌握實驗技術的積極性。因此，亟須對物理化學實驗課程的設置進行改革。
二、應用化學專業物理化學實驗課程設置改革
（一）增加新的實驗項目
為培養學生的動手能力和提升學生的綜合素質，在東北大學教務處的大力支持下，根據培養科研拔尖創新人才的需要，我們重新修訂了應用化學專業的培養計劃和物理化學實驗教學大綱。大幅提高了實驗課時在物理化學課程體系中的比例，將理論課和實驗課的課時比由原來的2：1調整為1：1；實驗項目也由原來的12個增加到了現在的22個，並允許學生選做其中的20個實驗。原教學大綱中設置的實驗項目中屬於熱力學模塊的實驗較多，而屬於電化學和化學反應動力學知識模塊的實驗較少。在教學過程中我們發現，由於學生對後兩個模塊中的實驗項目接觸較少，缺少理論聯繫實際的機會，所以對相關知識掌握得不好。因此，在修訂物理化學實驗教學大綱時，除保留原有實驗外，還增加了10個實驗。其中包括熱力學模塊實驗項目1個，電化學模塊實驗項目3個，化學反應動力學模塊實驗項目5個，介面與膠體化學模塊實驗項目1個。增加了新的實驗項目後，物理化學實驗教學內容在各個知識模塊間的分布變得更加合理。通過物理化學實驗課程的學習，學生不僅能加深對理論知識的理解，還能開拓視野，提升綜合運用理論與實驗知識的能力。
（二）改革實驗方案
除了增加新的實驗項目以外，我們還對原來的一些實驗項目進行了重新設計，以使實驗方案更加合理。例如「表面張力和接觸角的測定」實驗，原來的實驗方案是通過測定毛細管的半徑和水壓計的壓差值，再利用氣泡最大壓力法中表面張力的基本公式計算出水的表面張力。這種實驗內容比較單一，學生做實驗的興趣不高。通過反覆的測試和調整，我們將實驗方案修改為測定一系列濃度不超過0.1mol·L-1的正丁醇水溶液的介面張力，再根據吉布斯吸附公式計算溶液表面的吸附量以及正丁醇的橫截面積。實驗內容調整後，學生普遍反映對介面張力的性質、表面自由能的意義以及介面張力和吸附的關係了解得更透徹了。再例如「冰點下降測分子量」實驗，原來的實驗方案是分別測定水和濃度為0.3%的尿素水溶液的凝固點，再計算出尿素的分子量。由於尿素溶液濃度比較小，雖然選擇的溶液滿足稀溶液的條件，但測出的水與尿素溶液的凝固點之差不明顯。為了加深學生對溶液凝固點降低這一概念的理解，提高學生對這個物理化學現象對人們生產生活所產生影響的認識，經過多次對比實驗，我們最終確定將實驗中所用的尿素溶液濃度提高到1%，從而使測得的凝固點降低值達到0.3℃左右，實驗現象明顯，獲得比較好的實驗效果，達到了預期實驗目的。
（三）重組實驗內容
針對物理化學學科的特點和應用化學專業學生培養的需要，我們對一些物理化學實驗內容進行了調整。保留並整合了一些基礎性實驗以培養學生的基本操作能力。同時也拓展了一些經典實驗內容，將不同的知識點聯繫在一起，使學生在實驗過程中能靈活運用所學的物理化學知識。例如在新增加的實驗項目「臨界膠束濃度的測定」中，除了用電導法測定不同濃度的十二烷基磺酸鈉的電導率以確定其臨界膠束濃度外，還增加了臨界膠束濃度的另一種測定方法——介面張力法——的內容。在實驗過程中，學生們採用兩種不同的實驗方法確定相同表面活性劑體系的臨界膠束濃度，加深了對表面活性劑溶液性質的理解，同時還對兩種不同的實驗方法進行了實際操作和比較。再例如在「原電池電動勢的測定」實驗中，我們採用電位差綜合測試儀取代了原來使用的電位差計和檢流計，顯著縮短了實驗過程中儀器調試占用的時間，並增加了新的內容以充分利用這些節餘下來的寶貴時間。經過對實驗內容的重新設計和組合，學生在測定了以銅/硫酸銅為半電池構造成的原電池電動勢後，還可以繼續測定不同溫度和不同濃度的硫酸銅水溶液對溶液電導率的影響，進而分析對原電池電動勢產生的影響。因此，重組後的「原電池電動勢的測定」實驗已經成為一個綜合性較強的實驗，而不再是一個簡單的驗證性實驗。通過對這個實驗的訓練，學生可以對理論課中學到的電化學熱力學基礎知識有比較全面且深入的理解。
（四）開設物理化學大型綜合性實驗
為培養應用化學專業學生的綜合素質和科研能力，從2003年開始，我們又將物理化學基礎實驗與教師科研成果相結合，面向應用化學專業本科學生開設了一套大型綜合性實驗——聚苯胺的製備、表征及性能測試。這個大型綜合性實驗總共包括6個子實驗項目：聚苯胺的化學法製備、聚苯胺摻雜-反摻雜性能研究、聚苯胺的電化學法製備及電化學性能測試、聚苯胺電化學催化性能研究、聚苯胺氣敏性研究、聚苯胺在不同pH值的酸溶液中的電化學響應。學生完成這個大型綜合性實驗需要24學時。在實驗前，我們要求學生獨立查閱相關文獻資料並設計出完整的實驗方案，經與指導教師討論確認後，才能通過網上預約確定實驗時間並進入實驗室做實驗。學生在獨立完成全部子實驗項目後，應按照通用的學術研究報告標準寫出綜述報告，並對實驗過程中發現的現象及出現的問題開展分組討論。數年的實踐結果表明，這項綜合實驗的設置，不僅使學生熟悉了多種電化學實驗儀器和設備（例如，四探針電導率測試儀、電化學工作站以及CHI軟體）的使用方法，還對導電有機高分子材料有了一定的了解，有利於培養學生綜合運用知識、獨立解決實際問題的能力，並為學生將來從事科研工作打下了基礎。
三、課程設置改革後的成效
近幾年來，通過對物理化學實驗課程不斷研究和改革，不僅提升了學生的實驗操作技能，提高了學生做實驗的主動和積極性性，而且培養了學生嚴謹的科學態度和創新精神。實踐證明，重新設置後的物理化學實驗課程有助於培養學生的科研能力，對培養科研拔尖創新人才有重要意義。
[ 參 考 文 獻 ]
[1] 王軍. 對大學物理化學課程教學的思考[J] . 教育進展， 2013（3）：13-16.
[2] 王岩，李三鳴. 新課程體系下物理化學實驗教學的改革[J]. 實驗室科學，2012（1）：55-57.
[3] 楊冬梅，王軍. 物理化學實驗教學改革的總體設計及實踐[J]. 高等理科教育，2008（6）：103-105.
[4] 張國林，韓瑩，薛懷國，等. 大學化學實驗課程體系的改革與實踐[J]. 大學化學，2010（1）：23-25.
[5] 王軍，楊冬梅，霍玉秋. 創新型人才培養模式下的物理化學教學研究與改革[J]. 大學教育，2015（5）：99-101.
[責任編輯：陳 明]
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