基础物理化学设计实验的探索与实践

屈宜春　侯飞　李里

摘 要：文章结合多年来黑龙江大学在基础物理化学实验中开展设计实验的教学实践，阐述了设计实验项目内容的选择与设置的思路方法，并总结了在教学实践中积累的经验。

关键词：物理化学；设计实验

中图分类号：G642.3 文献标识码：A 文章编号：1002-4107（2015）04-0015-02

为了激发学生学习物理化学实验兴趣，提高学生的创新意识，我校于2005年开始在基础物理化学实验课程中增设了设计实验，充分地发挥了学生的主观能动性，把所学的理论知识加以运用解决实际中的问题，提高了学生的实践能力，使学生从实验中领会科研探索的思路和研究方法，培养了学生由“印证理论型”向“创新能力和素质提高型”的转变。多年来，我们通过积极地与其他院校的同行交流，虚心借鉴他们的经验，广泛地查阅有关的文献和书籍，在教学实践中认真研究与探索，使实验的项目与实验内容得以不断地改进与丰富。在本论文中，结合我们开设的设计实验的具体项目，介绍一下这些实验在选择和设置时的思路及在教学实践过程中积累的一些经验。

一、从经典的验证实验中发现新的研究内容

如何将经典的验证性实验延伸为设计实验是我们从事物理化学实验教学的实验教师一直认真探索的问题。例如电导法测定乙酸乙酯皂化反应的速率常数是国内外高校化学专业必开设的经典动力学实验[1-2]，很多高校在该实验的基础上开设了具有研究性特点的设计实验，张虎成等人设想并实现了在未知反应级数的前提下[3]，让学生灵活地利用动力学原理设计测定反应级数的测定方法，陈晓娟等开设了开放式研究性实验“酯类皂化反应溶剂效应”[4]，对酯类化合物皂化反应的动力学溶剂效应进行了初步分析，获得了有意义的结果。我校一共开设了20个基础的验证性实验项目，经过多年的教学研究与实践，我们在这些实验的基础上开展了很多设计实验项目。

“浓差电池的设计和电动势的测定”是在经典的电化学验证性实验“化学电池温度系数的测定”基础上开展的，要求学生根据实验室提供的电极材料设计4个浓差电池然后利用电位差计测定电池的电动势，学生普遍认为这个实验比较简单，可是在具体操作的时候却出现了很多问题，问题主要表现在学生在设计方案的时候缺少周密的考虑，比如设计的电池所用的电解质溶液是硝酸银，可盐桥的溶液却用的是氯化钾饱和溶液，结果连接上电池后二者相遇发生化学反应生成氯化银沉淀导致实验失败；有的同学将商品银丝不经活化处理就直接作为银电极使用，结果发现所得的电池电动势数据与文献上报道的理论值相差很大，遇到这些问题，作为教师，要让学生认真独立的思考问题出现的原因，然后重新修改方案，再通过实验来验证自己的想法的是否正确，切忌过多的干涉学生的想法，过多的提示与指导，否则不能更好地锻炼和培养学生独立分析和解决问题的能力。验证性实验的主要目的是使学生掌握物理化学实验的基本方法与技能，加深对有关的物理化学原理的理解，而设计实验更加侧重于提高学生灵活运用这些实验技术和原理的能力。

化学反应热的测定是要测定的反应热，可采取量热法及蒸发压法相结合来实现。它是在“燃烧热的测定”和“纯液体饱和蒸汽压的测定”两个基础验证性实验上开展的项目，在验证实验中，学生测定的是固体奈的燃烧热，而乙醇是可燃液体样品，既无固定形状又很容易挥发，所以首先要求学生思考如何将乙醇固定在燃烧池中，测出其燃烧反应的等容燃烧热，再利用公式计算出该反应体系的等压燃烧热，然后根据水的饱和蒸气压的测定方法，测出不同温度下水的饱和蒸气压，求得水的平均摩尔汽化热。这个实验将两个热力学实验巧妙的结合起来，不但提高了学生的物理化学实验技能，而且加深了他们对热力学基本理论的理解。

“酸催化蔗糖转化动力学”是由验证实验“旋光法测定蔗糖转化反应速率常数”而延伸的实验，曾是第四届全国大学生化学竞赛的实验项目之一，竞赛时首先给出了实验的基本原理，然后提出设计要求，要求在40分钟内设计一个合理的实验步骤，在某一温度下，通过改变酸的浓度，求出对应于酸的反应级数及酸催化的反应速率系数。我们在实验教学中对此进行了一些改动，因为和参加竞赛的学生相比，无论在实验的设计和操作方面，学生都有充分的时间思考和完成，所以我们没有给出实验的基本原理，这样在一定程度上就增加了设计的难度。对于这个实验，很多学生出现的问题在于不知道实验的目的与他们所作的验证实验的区别，不清楚反应的速率常数与酸的速率系数及酸的级数的关系，这反映了我们很多学生还没有深入和灵活地理解动力学的理论知识，在本实验中至少要测定两个酸度下反应体系的旋光度随时间的变化，然后利用对作图，分别求出两条直线的斜率，学生在设计实验方案与实验步骤时普遍出现了考虑问题不深入、不细致的现象，比如酸是催化剂，只能改变反应速率，不能改变反应的转化率，因此只要蔗糖的初始浓度不变，是常数，由于有些学生没有考虑到这个关系，因此分别测定了两个酸度下的，导致没有在规定的时间内完成实验。

综上所述，学生从设计实验方案到独立自主地完成实验，能够真正地提高他们独立思考分析问题和解决问题的能力。

二、鼓励学生自主选题设计实验

以上列举的是教师结合多年的教学实践并借鉴其他院校的教学内容与经验而开设的实验项目。除此之外，我们还鼓励学生自主开发实验项目，比如学生在做纯液体饱和蒸汽压实验过程中提出疑问，测试数据的初始温度为什么是40 ℃而不能低些，为此他们自己设计方案来研究，结果发现，实验过程中真空的程度对实验的结果有很大的影响，当真空度为-700 mmHg时，测试的温度应在40 ℃以上，才能保证得到的水的平均摩尔汽化热和正常沸点的误差在5 %以内，若要降低测试的初始温度，必须提高真空度。学生还通过上网查阅文献开发了“明胶的等电点测定方法与研究、表面活性剂在固体表面吸附量的测定”等等实验项目，在研究测定明胶的等电点方法时，他们大胆尝试了利用最大泡压法测定明胶等电点的方法，并且与常用的电导法进行了比较，发现在等电点时，明胶溶液的表面张力最小，在表面张力的曲线上出现了拐点，而利用该方法测定明胶的等电点的文献鲜见报道。研究的成果增强了学生大胆创新的信心。在研究表面活性剂在固体表面上的吸附量时，他们考察了阴离子表面活性剂十二烷基硫酸钠（SDS）在不同固体吸附剂上的吸附行为；在选择SDS浓度的测定方法时，由于国标法是亚甲基蓝分光光度法，测试的过程中要进行萃取等烦琐操作，为此学生大胆地设计了分别利用电导法和最大泡压法测定其浓度。虽然方法的精密度不如国标法，但是这两种方法操作非常简单、快速，且基本能够满足学生实验的要求。在研究表面活性剂在纳米二氧化钛上的吸附行为时，考虑到二氧化钛纳米粒子所带电荷的性质可能会影响其对表面活性剂的吸附性能，为此他们设计利用改变pH值来改变纳米粒子表面的带电情况，进而研究考察它们在不同的pH体系下对活性剂的吸附性能，为了验证他们的结论还选用了阳离子表面活性剂CTAB来进行对比研究。在这些实验过程中，学生随时会遇到问题，会有新的想法和思路，然后要深入和广泛地查阅文献来改进实验的方案。多年的教学实践表明学生对这类实验表现出极大的兴趣，因为他们在其中体会到科研探索的乐趣。

三、将教师的科研项目与教学内容相结合

目前，很多高校都将教师多年从事科研工作的内容与成果编写成了实验项目，我们也在基础的物理化学实验中针对化学教育改革实验班的学生开设了这一类具有综合性特点的研究项目，因为这些学生学习基础非常好，毕业时大多数被报送读研究生。为了丰富和扩展他们的理论和实践知识，培养他们科学研究的兴趣，为将来更好地从事科研工作打下基础，我们结合教师的科研课题开设了一些设计实验项目。这些实验要求学生首先自己查阅文献，了解相关领域的知识与研究现状，然后独立设计实验的思路和方案，经过和老师一起探讨后确定样品的制备方法、表征手段及性能测试的方法，由于这些实验工作量相对较大，因此实验的形式采取开放性，学生在课余时间可以随时到实验室开展实验，通过这些实验研究，不但锻炼和提高了他们的实验技能，更重要的是使他们初步了解了科学研究的思路，体会了科研工作的艰辛，培养了他们认真进行科学研究工作的素养，并且由于这些研究内容涉及的领域广泛，是表面化学、半导体光物理与光化学、光催化化学多学科知识交叉的研究项目，极大地丰富了他们的理论知识，开阔了他们的思路，提高了他们科学研究的兴趣，为将来从事科学研究工作奠定初步的基础。

四、结语

通过多年来在教学实践中的摸索与探讨，我们在设计实验内容的选择和设置方面逐步地积累了一些经验，也取得了较好的教学效果，使学生在学习兴趣、动手能力、独立思考问题及科学研究能力等方面都得到培养和提高。开设设计实验后，先后有15名化学实验班的学生参加了全国大学生化学竞赛，其中有4人取得了二等奖，3人获得了三等奖，明显好于没有开设这类实验前时学生的竞赛成绩。

近年来发现，一些设计实验经过几年的教学实践，其内容的创新性就会有所降低，这就要求我们要在实践中不断地研究探索新的研究项目，要大量地查阅相关的文献与书籍，多与其他院校的教师交流与探讨，借鉴其他高校同行的教学实践经验，使设计实验的项目与内容不断地得以更新和丰富。

参考文献：

[1]复旦大学等.物理化学实验[M].北京：高等教育出版社，2007：103.

[2]邱金恒，孙尔康，吴强.物理化学实验[M].北京：高等教育出版社，2010：74.

[3]张虎成，裴渊，赵扬.电导法测定乙酸乙酯皂化反应级数[J].大学化学，2012，（27）.

[4]陈小娟等.酯类皂化反应动力学溶剂效应的研究[J].大学化学，2013，（28）.