物理化学实验教学的创新研究*

陈永宝 訾学红 刘淑珍

(北京工业大学环境与能源工程学院 北京100124)

物理化学是重要的化学化工专业基础课，其基本原理和相关知识可在诸多领域得到应用，如化工(热力学和动力学)、材料(表面和胶体化学)、药物(热力学)、冶金、电池(热力学、电化学)、电镀(电化学)等［1］。物理化学实验是物理化学课程教学的重要组成部分，是培养学生物理化学基本素质、动手能力和科研能力的重要教学环节［2-4］。但现有的实验教学模式未能充分体现对学生自主实验能力的培养，导致学生实验的积极性不高、依赖心强，教学效果不理想［5］。学生预习流于形式，过分依赖于指导书和指导教师的课堂讲解、实验指导，对做过的实验没有深入认识，不能主动地用学过的物化知识解决现实问题。据此，我们在教学中着眼于对学生创新能力的培养，坚持以学生兴趣为出发点，让学生将学到的理论知识用于解决生活中遇到的问题，选择一些传统的热力学实验(燃烧热的测定)、电化学实验(醋酸电离常数的测定)和表面化学实验(表面张力的测定)，进行教学改革和创新，收到了良好的教学效果。介绍如下。

(1)实验内容与生活相结合，激发学生的实验兴趣。

兴趣是个体行动的巨大动力。实验兴趣是指学生对实验所产生的积极的、带有选择性和倾向性的态度和情绪，它影响着实验教学的效果，决定着实验教学的成败。只有学生对实验感兴趣，才能主动去了解实验、探索实验，积极思考和实践，并在此过程中产生愉快的情绪和体验，这样才能产生良好的教学效果。相反，如果学生没有实验兴趣，就会寻找各种理由来应付实验。

在燃烧热测定实验教学中，我们从“人为什么要吃饭?”这一基本问题入手，引导学生意识到人体同样遵循热力学第一定律，认识到能量过剩或缺乏带来的影响和结果，以引起学生的关注和兴趣，从而去测量日常所吃食物的热量，进而解决“怎样吃才健康?”的问题。在醋酸电离常数测定实验教学中，我们从食用醋“勾兑门”这一社会热点问题入手，引导学生比较酿造醋、配制醋和假醋的区别，了解醋的食用价值和营养成分;然后通过让学生测量日常食用醋的导电能力，进而解决“怎样鉴别食用醋?”的问题。对于表面张力测定实验，我们从荷叶上的露水、美丽的肥皂泡等生活现象入手，引导学生关注表面现象，了解表面张力和表面活性剂;然后通过让学生测量日常洗涤用品的表面张力，进而解决“怎样洗东西才干净?”的问题。

将测量对象与日常生活相结合的教学改革和创新，实现了实验内容的自主选择，激起了学生的实验兴趣，学生主动要求测量米饭、馒头、白菜、水果、干果等食品的热量，检测白醋、陈醋、香醋、米醋、饺子醋、苹果醋、保健醋、食用醋精等食用醋的导电性能，测定市售雕牌速溶快洁、奥妙净蓝全效无磷、汰渍净白去渍无磷等洗衣粉和雕牌超能、奥妙超效、汰渍三重功效等洗衣皂的表面张力。

(2)制作实验教学片，培养学生的操作技能。

燃烧热、电离常数和表面张力的测定实验能帮助学生掌握和理解热力学第一定律、系统与环境、状态函数、恒容热效应、反应进度，电导率、摩尔电导率、电离度、电离平衡常数和表面吸附、表面张力、表面自由能、吉布斯吸附量、表面张力与吸附的关系等热力学、电化学和表面化学的基本概念和知识，训练学生操作使用量热计、数字温差仪(替代贝克曼温度计)、微压差测量仪、恒温水浴、信号发生器、分析天平、万用表、压片机、台秤、充氧仪、氧气钢瓶、减压阀、简易电桥、电极、容量瓶、移液管、表面张力仪等仪器设备，具有内容抽象、仪器种类多、操作较复杂的特点。

如果学生仅靠实验指导书进行预习，往往理解不透，抄预习报告应付检查的现象很普遍，基本达不到教学要求的预习效果;仅靠实验课上教师的示范讲解，则很难在短时间内完全掌握所用仪器的使用方法和实验的关键操作，实验中难免会出现种种问题，甚至导致实验失败。为此，我们让具有丰富实验教学经验的一线教师亲自设计、操作演示实验;由专业人员拍摄并制作实验教学片;采用特写镜头对实际操作过程和仪器状态进行了细微的记录，使关键步骤得以强调，过程生动而直观。将制成的实验教学片放在校园网上供学生自主学习使用。

有了教学片的帮助，学生在预习时就不会感到“摸不着头脑”;加上实验时教师的讲解和演示，就能使学生很快掌握实验要领和仪器操作，大大减少实验问题，实验成功率也大幅提高，燃烧热测定实验的点火成功率接近100%，很受学生欢迎。更为重要的是，借助于教学片，能够将教师从实验和操作的示范讲解中解脱出来，有更多时间去发现学生实验中的问题，并启发学生分析问题、解决问题，培养学生勤于思考、善于思考、创新思维的能力［6］。

(3)采用案例分析教学法，培养学生的科研素养。

案例分析教学法就是把实际实验中出现的情况和问题作为案例，交给学生研究分析，培养学生发现问题、分析问题和解决问题的能力。在案例分析教学时，教师扮演设计者和激励者的角色，鼓励学生独立思考、积极参与讨论;引导学生不仅要注重知识的积累，更要重视知识的运用;在学生主动思考、提出问题、想出解决方案后，进行引导和总结。这样做不仅能够调动学生的学习主动性，培养学生的基本科研素养，增强学生的创新意识和能力，而且能够发现教师自身的弱点和不足。

为了有效培养学生的科研素养，我们首先以过去的燃烧热、电离常数和表面张力等实验的学生报告作为实例，让学生进行讨论，指出报告中的问题，分析原因并给出正确的解决办法;重点解决实验过程是否正确、原始记录是否准确、数据处理是否有误等问题;然后以特定的日常生活用品作为研究对象，讨论具体的物性测量问题，培养学生实验方法和技术的综合运用能力。以苹果燃烧热的测定为例，学生要考虑含水量、形态对测定的影响，选择测定方法(传统的量热法或成分分析法或差热分析法)，明确每种方法所测得的结果是低热值、高热值、总热值中的哪一个，并为食用提供能量参考。又如山西老陈醋电离常数的测定，学生要考虑醋中各种成分的影响，选择简易电桥法或电导率仪来测量溶液的导电能力，同时要测定醋的浓度，明确总酸、挥发性酸、不挥发性酸的概念，并为不同种类食用醋的鉴别提供实验依据。再如，雕牌速溶快洁洗衣粉表面张力的测定，学生要考虑洗衣粉溶液浓度对表面张力的影响，明确临界胶束浓度(CMC)的概念，测量CMC时要选择是使用最大气泡法，还是电导法或者荧光光度法，并验证溶液浓度达到CMC时去污能力是否也达到最强。

(4)开放实验室，培养学生的实验自主性。

在强调素质教育和创新教育的今天，实验室的开放已成为普遍认可的实验教学创新模式。为了培养高素质应用型创新人才，配合物理化学实验的创新教学，满足学生的实验需求，我们全面开放了物理化学实验室，给学生充分自我展示、自我发展的机会和空间，以达到培养学生自主实验、科学实验和创新实验的目的。

学生在掌握了基本的实验技能和仪器操作，完成了教学实验案例分析并经过实验室安全培训之后，就可以自主使用物理化学实验室。在时间上，学生只要通过预约，就能随时进入实验室做实验。在内容上，只要与物理化学实验相关，学生就可以自主确定测定对象;在保证安全的前提下，测量哪种食物的热量、研究哪种食用醋、评价哪种洗衣粉或肥皂，都由学生自己做主。在资源供给上，优先使用实验室的现有资源，不足部分从其他实验室进行调剂;对于无法调剂的资源则外购，若购置经费不足，则建议学生更改实验思路。

(5)实验报告论文化，训练学生的科学思维。

传统的教学实验完成后，通常要求学生交一份规定格式的实验报告，主要包括实验目的、实验原理、实验仪器与药品、实验步骤、数据处理、思考题和总结分析。对于实验报告的前4项内容，学生往往习惯于照抄实验指导书;对后面的几项内容也多是相互借鉴完成，难以达到提高学生分析总结能力、训练学生科学思维的目的。

我们将实验的总结报告论文化，要求学生按科学论文的格式写实验报告，全面训练学生的科学思维。论文前面要有摘要和关键词。论文主体要说清楚3个问题:一是为什么要做实验，即实验的意义;二是自己怎么做的实验，包括实验数据的分析处理;三是得出了什么结论，并指出需要努力的方向。在论文最后面要列出参考文献。学生在提交实验小论文后，还需要向其他同学和教师汇报实验情况，完成相互交流、共同提高的教学环节。

近年来的物理化学实验教学创新和改革实践已经展示出培养学生实验能力、科研素养和创新能力方面的魅力，参与创新实验教学的学生，普遍感到很有收获，学会了主动思考、自主实验、科学总结，初步掌握了分析问题和解决问题的基本方法，具备了一定的创新意识和能力。当然，这种教学创新还需要进一步研究和实践，解决实验教学时间偏长等问题;在不断完善、不断优化、不断拓展中，全面提高物理化学实验教学的水平和质量，为培养高素质应用型创新人才提供一条新途径。

［1］李学峰，赵艳茹.大学化学，2012，27(5):14

［2］郑传明，吕桂琴，王良玉.实验技术与管理，2008，25(1):132

［3］高书燕.大学化学，2011，26(5):52

［4］唐业仓.广东化工，2011，38(4):249

［5］陈永宝，徐庆辉，夏定国，等.中国现代教育装备，2010(21):84

［6］白广梅，王小逸，陈永宝，等.中国现代教育装备，2011(15):141