“理论、实践与科研三位一体”物理化学实验教学改革

郭 婷， 孟 涛， 方 伊， 童志平， 舒学彬

(西南交通大学 生命科学与工程学院 实验中心， 四川 成都 610031)



“理论、实践与科研三位一体”物理化学实验教学改革

郭 婷， 孟 涛， 方 伊， 童志平， 舒学彬

(西南交通大学 生命科学与工程学院 实验中心， 四川 成都 610031)

物理化学是一门从物理学角度分析物质体系化学行为的原理、规律和方法的学科，可谓近代化学的原理根基。目前物理化学实验教学中实践与理论割裂，理论教师和实验教师分别由不同的老师担任，沟通不够。课堂教学与实验开展不同步实践与科研生产脱节的弊端。为此，提出“理论、实践与科研三位一体”物理化学实验教学新模式。通过几年的改革探索和不断的总结创新，“理论、实践与科研三位一体”模式在物理化学实验教学中逐渐显示出良好的效果，为培养市场需要的应用人才，创新拔尖的科研人才提供有益的借鉴。

物理化学实验； 教学改革； 理论与实践

0 引 言

没有一支宏大的高素质人才队伍，全面建成小康社会的奋斗目标和中华民族伟大复兴的中国梦就难以顺利实现。未来中国的发展，离不开高等教育提供的人才和智力支持，离不开植根于高等教育的知识创新和技术应用。自1999年高校扩招以来，花了很多的时间和精力在建新校区，盖新大楼，购新设备上，硬件条件大为改善，然而近年来高校毕业生就业难和市场所需要的人才供给不足之间的矛盾却日益加剧；科研论文发表量大幅提高，总体质量水平和他引次数仍然比同行低很多。目前，国内许多高校针对传统教学思想、体系和方法的不足，开展了各种教育改革措施，取得了一定的成效[1-8]。也曾就高等工程人才培养提出一种“一个根本，五个结合”的实验教学新模式[9]。

物理化学是一门从物理学角度分析物质体系化学行为的原理、规律和方法的学科，可谓近代化学的原理根基。它所研究的内容[10]：变化的可能性—方向与限度，变化的现实性—速率与机理，物质的结构与性质及其规律，对于实际指导诸多领域的生产实践，对于理论解释许多新现象行为的发生，都起着重大的作用。物理化学实验需要综合运用物理和化学的原理与技术，方法与仪器，以及数学运算工具，是一门理论性、实践性、综合性和研究性很强的课程，在化学、化工、制药、生命、材料、环境等专业的人才培养中占有重要的地位[11]。

1 物理化学实验教学中存在的主要问题

1.1 实践与理论割裂

很长一段时间以来，物理化学实验与理论教学是割裂的，理论教师和实验教师分别由不同的老师担任，沟通不够[12]。课堂教学与实验开展不同步，常常实验开了，所涉及到的理论部分却还未讲到。由于时间有限，实验教师只能将关注点放在如何让学生顺利完成实验，掌握仪器使用，了解注意事项，以及如何进行数据处理上。这样一套传统的实验教学固有模式造成学生实验前“云里雾里”，实验中“照猫画虎”，实验后“眨眼就忘”，整个过程演变成机械化的只在追逐成绩的目标中度过。实践失去了理论的支撑，成了无本之木，学生无法消化，片面理解，严重打击了学生的实验积极性，更妄谈技术和创新人才的培养。

1.2 实践与科研生产脱节

实验与实际和科研脱节，不仅表现在实验内容上，同时也反映在实验设置上。单一陈旧的实验项目，呆板僵化的实验过程，预期不变的实验结果，统一模式的数据处理，种种的这些“不出意外”和按部就班的套路，在很大程度上削弱了学生的实验兴趣，束缚了学生的主动性和创造力，更不利于锻炼学生独立思考和解决问题的能力。事实上，在生产实际中往往会遇到很多意料不到的问题，而科学研究更是具有很大的探索性和挑战性。然而，传统实验教学思想和方式培养出的学生很容易养成数据好就万事大吉，数据不好就慌张的坏习惯。因而，实干起来遇到一点问题就不知所措，专业技能不如专科生，眼高手低不受市场欢迎就不足为奇了。实验与实际和科研脱节，如一潭死水，没有生命力，现在的学生何等聪明，这样的实验做来也无用，当然糊弄了之。

图1 “理论、实践与科研三位一体”实验教学新模式

1.3 理论、实践与科研各自为政

从理论基础的奠定，到实验技能的掌握和科学素质的养成，到勇攀科研高峰或在生产实际中大显身手，本是三个循序渐进，密不可分的过程。如图1所示，实验就像汉堡中的内容物，上下连着理论和科研实际这两片白面包，光吃白面包，无味；光吃内容物，油腻；只有一口三层下去才是美味，学生都爱这个。为什么不能尝试一个让学生觉着滋滋有味又富有营养的理论、实践与科研三位一体的“汉堡式”物理化学实验教学探索？实验教学若还是和理论、科研各自为政，实验教师若还是和理论教师、科研教师只各自局限于自己范围，目前似是无患，但隐患问题必将日益凸显爆发。实验教学应当承担起桥梁的作用，实验教改势在必行。

2 “理论、实践与科研三位一体”改革举措

2.1 从理论中来，到实践中去

(1) 由理论带入实验。以往实验教师常说“这个你们理论课上应该讲过，时间关系实验课上就不多说了”。此话一出，无形中割裂了理论和实验，学生一颗探究的好奇心立马被浇灭。现在，在实验课上设置一个新的环节，用开始的10 min进行理论问答。即实验课上讲理论，对本实验所涉及的理论进行高度概括和引领。采取的方式是问答式的[13]，而不是教师一人高谈阔论。以经典的“燃烧热的测定”实验为例，首先抛出第一个问题：“热力学板块有哪些函数？”，学生们开始搜寻记忆，纷纷作答，原本在理论课上分为几章的热力学内容立刻被串联起来。紧接着：“这些函数中能够直接用实验方法测出的是哪些？”。学生们过滤一遍，有功和热，其他函数的数值可由功和热推导而来，因此认识到本次实验重要性。接下来：“如何才能获得热值？”，“本实验所得的是QP还是Qv值，二者如何换算？”……简单10 min的理论问答，不仅将理论和实验融合，更引起学生对本次实验的重视，主观能动性调动起来，课堂气氛变得热烈。

(2) 实验使理论直观深刻。许多学生都曾为应付考试死记硬背过，比如真实液态混合物的温度-组成相图，那样一张貌似兔子耳朵，具有最低恒沸点的图对大多数学生来说都不知从何而来。事实上，在实验中只要通过实验教师简单的点拨，“为什么会有最低点出现？”，“这个点有何特别之处？”，“理想系统中易挥发组分在气相中的相对含量总大于平衡液相中，具有恒沸点的系统又是怎样的？”。一步步引导学生弄清楚这些问题后便豁然开朗，在大脑中形成一张立体知识网络，深刻不忘。

(3) 必须强调“实验结果与讨论”中的理论分析。实验结果与讨论是科研工作中最重要的一个环节，但是在数据优先的分数指挥棒下，许多学生并未真正重视对实验结果的探讨。通常，数据不好就罗列出一系列可能的操作失误，至于哪一个起决定性作用，是如何影响数据结果的，理论上为何如此，一概不管。现在，我国很多科研工作者都遇到这样一个瓶颈，实验中条件和影响因素都摸的很清楚，但是要从理论上解释从原理上阐明就是含糊不清，这很可能与本科阶段就养成的重结果轻分析的毛病有关。因此，在低年级本科实验教学中，必须强调对于实验结果的分析讨论，尽早锻炼学生从理论、原理的角度剖析结果的能力。

2.2 从实践中来，到科研生产中去

(1) 从科研及生产出发的实验内容[14]。化工专业学生，“双液系气-液平衡相图测绘”的切入点放在石油化工中如何利用相图指导生产，比如怎样获得某一沸点的纯馏分。针对环境专业学生，“燃烧热的测定”实验样品我们鼓励学生自己去发掘，变为“生活废物热质测定与发电可行性”科研小课题。针对生物专业学生，“蔗糖水解反应速率常数”实验中的水解催化剂采用学生自己发酵得来的酶，提高了实验的综合性；而对于药学专业学生，该实验的侧重点则放在旋光性物质的特性上，启发学生思考为什么西药的发展趋势是手性药物，拓展学生的知识面。

(2) 与生产实际对接的实验模式。为了打破惯有的实验套路，我们尝试用模拟职场等方式来进行实验教学。例如，学生是公司新人，实验项目是客户订单，实验报告是企划方案，让学生站在职场考验的角度完成实验。如此以来学生很容易领悟，原来实验报告的图画出来不单是给自己看的，更是给领导、给客户看的。图要有图题，且必须位于图的正下方；比例尺的选取要方便易读；测量精密度要在图中以有效数字形式表示清楚；数据点必须明显标出，可用不同符号标记。总之，与人方便，于己才能脱颖而出。仅是对教学模式进行一点简单的转变，就能让学生发现并反省凡事以自我为中心的习惯，比“填鸭式”教学的效果好很多。

(3) 训练科学思维，培养科研素质。“优秀是一种习惯”，本科低年级学生在科研上犹如一张白纸，及早训练正确的科学思维方式，培养良好科研素质，树立严谨的科学态度，将会为日后这批年轻人成长为创新拔尖的高水平人才打下坚实的基础。① 要辩证看待实验中的错误[15]。不要让学生养成实验数据“理想”就好的心理，通常，教师更希望看到学生得到意料之外的结果。引导学生找出问题，分析问题，进而解决问题，从错误中体会现象和理论之间的内在联系。此时才是锻炼学生观察、分析能力，理论联系实际的大好机会。比如，燃烧热实验结束后有黑色物质残留，学生经过一系列的复杂操作却得到这样的结果打击很大。此时教师适当引导：“黑色残留物是什么，为什么没有燃烧完全？”，“实验值与理论值相比怎样？”。只要分析讨论的好，甚至可以得到A+的好成绩。慢慢地学生不再畏难，不惧失败，逐步学会分析和总结，更不会为了好成绩而抄袭造假。② 要注重实验细节。细节决定成败，实验中亦是如此。燃烧热实验中很容易因为微小的失误造成整个实验的失败，比如片剂硬度不合宜，铁丝未绑好，温度计探头没有放置水中，搅拌未开等。教师在实验前除了安全问题，不必把其他的注意事项说的很明确，应当放手让学生去做，经历过失败才能学会如何避免失败，下一次才会更加细心谨慎。③ 要培养良好的实验素养。包括实验前认真准备，学会事先在心中“画”出实验的本领；实验中科学合理的安排先后步骤；实验后清洗和整齐摆放实验仪器；整个实验过程中善于发挥团队的力量等。一位从哈佛大学做访问学者回来的教师感慨，一次他在实验后没有将用完的仪器放回指定位置，第2天就被在组会上不点名批评。整齐有序的实验环境，我为人人，人人为我的实验氛围是做好科研和实际工作的前提保证。

2.3 理论、实践与科研三位一体

(1) 理论、实践与科研应当有机地融合。“学而时习之”，强调要知行统一，理论联系实际。用理论指导实践，以实践为科研生产奠定基础；在开展科学研究、产出成果之后，反过来丰富原有学科和理论，提升实验教学内容、方法和手段，满足科技发展对人才培养的要求。如此才是理论、实践与科研真正的三位一体。

(2) 产、学、研结合，为人才成长提供沃土。课堂教学的时间是有限的，教师应当鼓励有志的学生，通过学生自己找课题或教师拿出科研、企业项目，借助个性化实验、SRTP以及相关比赛等平台，支持学生将课堂的兴趣延续到课下来，让学生自主化、个性化、多元化发展。通过产教融合、校企合作、工学结合，培养生产一线的高层次技能人才，逐步实现人才培养和就业需求的无缝对接。本学院教师曾经指导学生进行“超疏水汽车挡风玻璃”SRTP项目，该项目获得了全国大学生“挑战杯”科技大赛的三等奖，还吸引了深圳一家企业前来咨询合作。

(3) 提高教学质量。培育高素质人才归根结底还是在于人，在于所有教育工作者的努力。理论教师、实验教师和科研教师要打破界限，充分沟通，相互学习。除了教学水平的自我完善，实验教师还必须从理论修养和科研能力两方面不断提高自身素质。一个不钻研理论，对科研不闻不问，只埋头于仪器操作和实验技能的实验教师一定不是一位优秀的实验教师。只有教师自己的眼界开阔了，跟上时代发展和事业要求，才能帮助学生望的更远，达到更高的高度。

3 结 语

大学教育不能自娱自乐，为了培养市场需要的应用人才，培养创新拔尖的科研人才，实验教学必须肩负起启下(基础理论)承上(科研生产)的作用。通过几年的改革探索和不断的总结创新，“理论、实践与科研三位一体”模式在物理化学实验教学中逐渐显示出良好的效果。学生普遍反映实验变得滋滋有味又富有营养，学生的综合素质得到了明显提高。目前，三位一体的教学模式已被推广到其他实验课程中去。时代在发展，科学在进步，高等教育改革不可能一劳永逸，面对新的问题和挑战，我们要在教学中不断探索实践，为培养“致天下之治”的人才贡献自己的力量。

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A New Mode of “Union of Theory, Practice and Research” for Experimental Teaching of Physical Chemistry

GUOTing,MENGTao,FANGYi,TONGZhi-ping,SHUXue-bin

(Experimental Center, School of Life Sciences and Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

In this article, the problems in the present experimental teaching of physical chemistry have been discussed. The problems include the split between practice and theory, and the lag between practice and research. Accordingly, a teaching mode of "union of theory, practice and research" has been proposed. A series of new measures of teaching reform have been carried out for the development of technologically applied professionals as well as advanced scientific researchers.

physical chemistry experiments; teaching reform; theory and practice

2014-06-22

郭 婷(1981-)，女，江苏南京人，博士，工程师，主要从事物理化学实验教学和功能材料科研工作。

Tel.:028-66366959；E-mail:tt-g-19@163.com

O 641； G 642

A

1006-7167(2015)05-0138-03