物理化学实验教学的改革与创新

张国艳， 金为群， 王 岚

(吉林大学化学学院，吉林 长春130012)

0 引言

物理化学实验是继学生完成无机化学、分析化学、有机化学等课程的学习之后，在高年级开设的一门化学实验课。做好物理化学实验，不仅能够锻炼学生综合运用物理、化学和数学知识来解决实际问题，进行基础科研的能力，而且能够激发学生的主观能动性，培养学生的创新意识和创新能力［1-3］。大学物理化学实验教材主要包括基础实验、综合实验和设计实验三部分。目前，这三部分的教学存在一定的问题，有待改革和创新。

1 基础实验教学的改革和创新

基础实验，即验证性实验，主要是以已学的理论知识为原理，按照已拟定的实验方案测得实验数据，用数学原理和方法科学地处理实验数据后将实验结果与理论值进行对比，从而使学生对理论知识有一个较直观和深刻的理解。这一部分的教学存在的主要问题是很多老师只是按部就班地将整个实验从实验目的、实验原理、实验步骤到数据处理进行了讲解，而没有和学生一起对拟定的实验方案的合理性和科学性进行深入的探讨，这样的结果是学生思考得少，想法少，因而从中获得的启发不大，对将来如何自主设计实验缺乏论证能力。

如果这一部分的教学能够根据实验方案从实验的顺序、试剂的用量、设备的设计和测量原理等方面进行讨论的话，在一定程度上会提高学生的主观能动性。以燃烧热实验为例，这个实验从样品的制备、充氧、点火燃烧到滴定，每一步都有着操作上和设计上耐人寻味的地方。先说样品的制备，有压片法和缠绕法，哪一种方法对样品质量的影响更小?如果样品不是固态的，应如何制备样品以及实验方案应如何设计?另外将充好氧气的氧弹放入恒温套之前，卡计的梨状设计以及卡计里的水需准确量取用意何在?绝热体系由哪些构成?整个实验中影响温度的因素有哪些?如何比较客观地确定实际样品燃烧前后引起的卡计温度升高的数值?最后的滴定实验对实验结果影响有多大?相信解决了这些问题后，学生对于量热法测量有机物的燃烧热会有一个更全面更科学的认识。

2 综合实验教学的改革与创新

物理化学实验在得出有关物质的物理性质、化学性质及其化学反应规律时常常借助于物理学的一些实验设备和技术，通过追踪化学变化过程中体系某些可测物理量的变化，按照这些可测物理量与体系组成的定量关系来确定体系的状态。所以说物理化学实验不仅涵盖了化学学科各领域所需要的基本研究工具和方法，而且能够反映出各种谱学技术和计算机技术的发展水平。另外在数据处理方面，不仅仅需要相应的物理化学理论知识，还需要一定的数学分析方法来保证实验结果的准确性。因此，相比于其他化学学科的实验，其综合性很强。这一部分的教学存在的主要问题是实验内容陈旧，跟不上现代科技发展的步伐，加之所使用的物理实验设备和技术比较落后，培养出来的学生的知识层次较低，实验技能较差。

这些问题可以根据当今科技发展的水平，结合各学科研究的最新成果来加以改革。二组分合金体系固液平衡相图的绘制一直是物理化学实验的基本内容，传统的实验设备是控温仪和可控升降温电炉。通过实验学生可以理解热分析法绘制固液平衡相图的基本原理，并了解热电偶的测温原理。如果改变一下样品的种类、仪器设备和测试内容，学生获得的信息量远不止这些。比如利用差热分析仪，通过测量待测样品的质量与温度变化关系得到热重曲线(包括失重和增重)，不仅可以确定组成结构、转化温度，还可以测定热效应等物理化学性质［4，5］。再比如，改变传统测试含结晶水的样品，取而代之一些和现实生活密切相关的样品，如聚氯乙烯(PVC)是一种普遍使用的塑料，PVC加工过程中用量最大的助剂之一邻苯二甲酸二辛酯(DOP)在加工过程中易挥发，大剂量进入人体时具有致癌作用。通过对PVC树脂的失重分析曲线及相关数据的测定可以对这一食品安全问题有更直观的认识，从而激发学生开发PVC增塑剂新原料的热情［6］;再比如，航天耐温材料的热稳定性一直是材料科学关注的重点，利用热重分析技术将合金的高温恒温氧化实验用时间-氧化增重曲线表示，通过分析增重曲线，可以确定氧化的速度，进行动力学研究，从而获得更理想的新型航空航天用高温结构材料［7］。

3 设计实验教学的改革和创新

设计实验是在老师的指导下，应用学过的知识，通过查阅有关参考资料，自行设计实验方案并独立完成的实验。设计性实验使知识相互渗透、补充，能够使理论知识联系实际问题，可以培养学生的独立思考能力、动手能力和创新性，从而更具吸引力。这一部分的教学存在的主要问题一是教师在平时对这方面内容渗透得少，学生不注重问题的积累;二是学生们往往在教材提供的设计性实验题目中进行选择，选题范围窄，重复较多，体现不出学生的思维个性化;三是受实验设备和药品的限制而流于形式，没有达到真正的效果。

针对第一个问题，教师在讲解实验时，要注重实验的实际意义，向学生列举一些相关实验的最新进展和具体应用。比如，多孔材料及粉末的比表面积测定中溶液浓度可借助酸碱滴定、分光光度计或全自动比表面及孔隙分析仪等几种方法来确定。而全自动比表面及孔隙分析仪不仅可以测定比表面积，还可以测定孔体积、孔径分布和孔径大小，是评价催化剂、吸附剂、石棉纤维、碳材料的活性、吸附、催化等性能的一项重要参数，所以广泛用于药品、陶瓷、活性炭、油漆、涂料、碳纳米管和燃料电池等的研究中［8-10］。再比如电化学实验中电极是非常重要的一个器件，电极的灵敏性、选择性和稳定性关系到检测方法的效率，各种常规电极包括汞电极、金电极、玻碳电极等及其修饰电极，如金属氧化物纳米材料或石墨烯修饰的电极，已被应用于废水排放的检测体系和燃料电池中［11-14］。学生有了这些知识做铺垫，再辅助一些文献阅读，逐渐产生自己的一些想法，就会主动地设计方案来解决实际问题。

为了使设计实验达到预期目的，真正培养学生的创新意识和创新能力，教师在确定实验范围时尽量给予学生更多自主选择的空间，促使学生灵活调用已有的生活经验和知识储备，通过不同的方式、选择不同的方法，创造性地解决实际问题，从而最大限度地开发学生的创造潜能［15-17］。在评价学生实验成绩时教师要树立科学的评价理念和评价方法，注重提升自身的专业水平和道德修养，一定做到既要科学客观，又要及时发现学生思想上的闪光点，鼓励学生，激发他们的积极性。

4 结语

理论是在实验的基础上形成并逐渐发展建立起来的，而实验还可以验证理论的可靠性和适用性，所以说“实践出真知”。物理化学实验以其较强的综合性和思考性能够切实地锻炼学生独立解决实际问题的能力;另外，当代科技发展的水平推动物理化学实验的发展，学生能将所学理论知识紧密联系实际，从而更快地将理论知识转化为生产力。为了达到这些目标，物理化学实验教学的改革和创新势在必行。

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