物理化学理论课教学和实验课教学相结合的一些探索

许秀芳

(南开大学化学学院，天津300071)



物理化学理论课教学和实验课教学相结合的一些探索

许秀芳*

(南开大学化学学院，天津300071)

摘要：针对物理化学理论课和实验课教学的特点和存在的一些问题，结合教学实践阐述了物理化学课程教学中将理论课教学内容和实验课教学内容相结合的一些经验和方法，探讨了物理化学课程教学方法的一些改革措施和取得的效果。

关键词：物理化学；物理化学实验；理论课教学；实验课教学

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物理化学是化学类基础课程的重要组成部分，在许多学校的化学、环境科学与工程、生命科学、医学、药学等多个专业开设。物理化学从研究物理变化和化学变化的联系入手，探求化学变化的基本规律，能够为其他专业课的学习提供方法和理论指导，在基础课和专业课之间起着桥梁和纽带的作用。与其他化学专业课程相似，物理化学也是一门以实验为基础的科学。笔者自任教以来，一直承担着物理化学理论课和实验课的教学工作。在教学中发现，目前物理化学基础课教学中存在着明显的理论教学与实验教学不同步的情况。往往是学生在实验课上所要用到的物理化学知识在理论课上还没有讲；而到了理论课讲到这一部分时，学生早已经忘记了相关实验内容。所以，学生在实验课上更多地扮演着“操作工”而不是“研究者”的角色，难以达到通过实验来加强理论学习和通过理论知识分析实验结果的目的。近年来，随着我国高等教育全方位改革的进行，教学模式、教学方法和教学理念正在发生根本变化，在注重传授知识的同时，更加注重提高学生的综合素质、创新能力和竞争能力[1]。为解决物理化学基础课教学中这一普遍存在的问题，促进学生素质的全面提高，国内化学教育工作者进行了一些积极的尝试，采用的方法包括：(1)改革实验教材内容，在原有的验证性实验基础上，增设与新理论、新方法相关的综合性实验和设计性实验；(2)将实验预习和理论课讲解相结合，在实验预习课上给学生讲解实验目的、步骤、操作要点、注意事项、误差来源等项目，同时在理论课上结合物理化学相应知识点解释实验现象；(3)建立仿真实验室，使学生可以在计算机上进行实验课程的仿真模拟；(4)制作实验教学片，设立演示实验等[2－6]。为提高教学质量，改善教学效果，笔者以理论课教学和实验课教学相结合为目标，在物理化学教学中进行了一些新的教学方法和手段的探索，力求使学生更轻松、全面、系统地掌握物理化学知识。

1　充分掌握物理化学理论课及实验教学内容

为达到理论课教学与实验课教学相结合的目的，物理化学理论课的任课教师应尽量同时承担物理化学实验课教学或坚持在物理化学领域从事一线研究工作。在备课过程中，教师应在充分查阅资料的基础上深刻理解实验内容，并亲自对每个教学实验进行操作。这样有助于在理解理论课教学和实验课教学中每一个知识点的基础上增加自身的知识积累，做好随时为学生解答问题的准备，指导学生灵活运用所学的理论知识解决实验中遇到的问题[7]。以实验课教学为例，学生在热力学实验中会接触到反应平衡常数、内能、焓、反应热等概念；在动力学实验中主要用到反应速率常数、活化能等概念。上述概念比较抽象，而在理论课教学中教师又很少讲到它们之间的联系，这就有可能造成学生在理解和掌握上的困难。因此，笔者在热力学实验或动力学实验的预习课上，利用图形和公式推导的方式为学生讲解了内能变化、焓变、反应热与活化能之间以及反应平衡常数与反应速率常数之间的关系。对于大部分正、逆向均可进行的基元对峙反应，其历程如图1所示，反应由始态出发，经过一个过渡态后到达终态，其中始态、终态和过渡态的能量分别为E始态、E终态和E过渡态。反应方程式可以表示为，反应平衡常数为K，正向反应速率常数为k，逆向反应速率常数1为k2，则正向反应速率为r1= k1[A]a[B]b，逆向反应速率为r2= k2[C]c[D]d，当反应达到平衡时有r1= r2，则，即反应平衡常数等于正向反应速率常数与逆向反应速率常数的比值。

图1　化学反应历程示意图

在明确了平衡常数与速率常数的关系之后，我们进一步对T微分得。将阿累尼乌斯公式的微分式。根据恒容条件下的van't Hoff方程，可得反应的内能变化(同时也是恒容反应热)ΔU = E终态－E始态= Ea1－ Ea2。虽然ΔH和ΔU不完全相等(ΔH =ΔU +Δ(pV))，但对于物理化学实验课程中动力学实验部分普遍采用的溶液相反应(Δ(pV) = 0)而言，可以近似认为焓变(同时也是恒压反应热)ΔH = Ea1－Ea2。通过以上图形和公式的讲解，能使学生较为清楚地了解内能变化、焓变、反应热与活化能之间以及反应平衡常数与反应速率常数之间的关系。

2　将多媒体技术引入课堂演示实验

课堂演示实验是中学化学教学中普遍采用的一种理论与实验相结合的教学方式。但物理化学实验由于其实验时间长、需要使用仪器进行测试的特点，不适于在课堂上进行现场演示。近年来，计算机科学的发展为课堂教学提供了集图、文、声、像和三维动画为一体的多媒体技术，并在物理化学、有机化学、无机化学、结构化学和分析化学教学中得到了广泛应用[8－11]。针对这一特点，我们以物理化学理论课的多媒体课件为基础，以物理化学实验课教学中广泛采用的热力学、动力学、化学平衡、相平衡、电化学、表面和胶体等实验作为重点，添加相关的实验过程、实验仪器、实验原理部分的课件和视频内容，编制了面向化学、环境科学与工程、生命科学、医学和药学等专业物理化学基础课教学的理论和实验相结合的多媒体课件，在课堂上进行演示。另外，在最近的教学工作中，我们尝试性地在多媒体课件中加入了由中国科学技术大学先进技术研究院和清华大学出版社联合制作的全新网络科普项目《美丽化学》(http://www.beautifulchemistry.net)中用现代数字技术制作的化学结构和化学反应的图像和动画。实践证明，将实验和科研成果以多媒体课件的形式穿插于理论课课堂上进行演示，让学生加深对基础理论的理解，能够使学生更容易掌握所学到的物理化学知识，对解决物理化学教学中理论课和实验课脱节的问题具有较好的作用。

3　将实验内容编制为例题进行课堂讲解

由于物理化学教学中理论课程和实验课程不同步，会造成学生在实验课上只是按照实验教材规定的步骤进行操作和记录数据，随后根据给定的公式进行计算，而对为什么这样处理不知其然。针对这一问题，笔者在物理化学理论课教学中精心挑选了一些实验中涉及的内容和结果，编制成例题，利用课堂教学或习题课的时间给学生进行讲解，以加深学生对相关知识的理解。例如，在涉及化学动力学的丙酮碘化反应实验中，以碘溶液在560 nm处的吸光度D对反应时间t绘制的D-t曲线为一条直线[12]。绝大多数学生都能得到线性关系很好的直线图形，但对D-t曲线为什么是直线的原因不清楚。据此，笔者在化学动力学教学中编制了如下例题：丙酮碘化反应方程式为CH3COCH3+ I2→CH3COCH2I + I-+ H+，反应产物H+起着自催化作用，故反应速率方程可写为r = kcp(CH3COCH3)cq(I2)cm(H+)，其中反应级数p = m = 1，q = 0，丙酮和盐酸的初始浓度远大于碘的初始浓度，试分析D-t曲线形状并说明原因。

解：反应级数p = m = 1，q = 0，因此反应速率方程可写为：

根据朗伯-比尔定律，波长一定，有D = elc，其中D为吸光度，e为摩尔吸光系数，l为比色皿厚度，c为碘浓度，将c = D/el代入式(1)，有:

转化得：

由于丙酮(CH3COCH3)和盐酸的初始浓度远大于碘的初始浓度，可以认为在反应过程中二者浓度保持不变，则上式简写为:

积分得:

由此可知，D-t曲线为直线。

通过以上例题的讲解，加深了学生对实验的印象和相关知识的理解，得到了较好的效果。

4　利用实验总结介绍物理化学相关知识

在物理化学实验课程不同类别的实验之间，往往会安排实验总结的内容。教师可以利用实验总结，讲解与实验结果及实验现象相关的物理化学知识，以加深学生对该部分知识的理解。例如，在对动力学实验进行总结时，教师可以针对溶液中的离子反应实验的结果讲授以下内容：对溶液中的反应，利用碘钟法进行动力学研究，实验结果可得S2的级数为1，I－的级数也为1，反应级数与反应方程式的计量系数不一致，由此可以推断该反应是复杂反应。如果把该反应的历程设想为如下的双分子反应步骤：

其中k2≫k1，k2≫k3，根据(IS2O8)3－的稳态近似，推断(IS2O8)3－的生成速率与消耗速率相同。根据质量作用定律可得，将该式进行推导可得。由于k2≫k1，k2≫k3，上式可近似为。进而由生成物浓度计算反应总速率得，即推导结果与实验结果一致。

再例如，教师总结动力学实验时，为开阔学生的思维可以提出如下问题：速率常数除了可以通过动力学实验求出，还有别的办法可以求出吗？然后启发学生：根据基元反应的过渡状态理论推出的艾琳公式，可得：

利用量子化学计算的方法得出过渡态和反应物的吉布斯自由能G反应物和G过渡态，从而得到，带入式(3)即可计算基元反应的速率常数。而对于复杂反应，则应首先确定复杂反应的机理，然后对其中的速控步应用式(3)来估算反应的速率常数。这样的例子不仅开阔了学生的思维，还加深了学生对理论知识应用于解决实际问题的理解。

5　利用名家讲座和小论文方式提升学生的学习兴趣

在课堂讲授之余，教师可以随着各章节的进度，邀请相关领域的知名学者为学生做专题讲座，让学生体会到物理化学在诸多科学领域的广泛应用，从而消除学生对物理化学“实用性低”的印象。例如，在讲授量子化学和统计力学原理部分时，我们邀请理论和计算化学领域的专家做了“Gaussian程序及其在化学研究中的应用”的专题讲座；在讲授胶体和界面化学部分时，我们邀请界面化学领域的专家做了“纳米表界面化学”的专题讲座等。另外，我们还通过小论文的方式，让学生查阅文献资料，利用所了解的物理化学知识和技术手段，自己设计实验和解释实验现象；安排学生在课堂上宣讲论文，组织全体学生进行讨论和辩论，引导学生自由发表意见并邀请相关领域的专家学者进行点评，使学生知其然并知其所以然。对有见地的设计实验，不仅要给予充分肯定，鼓励创新思维，还可以联系有条件的实验室，让学生将所设计的实验付诸实施。例如在为医学、药学和生命科学专业的学生讲授胶体部分内容时，学生通过查阅资料，了解到人的体液均为胶体，可以利用胶体粒子带电的特点，通过电泳方法分离体液，判断某器官是否病变。据此，他们设计了在电场作用下，将唾液中的消化酶分离出来，从而单独研究酶的活性的实验内容。这种启发式教学的方式激发了学生的积极性，每次主动要求设计实验和宣讲论文的学生都超过50人。课堂讨论非常热烈，很多学生在查阅大量资料的基础上，对现有的物理化学教学实验提出了改进意见，或是设计出构思新颖的物理化学实验，既调动了学生学习物理化学知识的兴趣，也培养了学生的创新能力。

6　开放实验室

在教学中，教师应有意识地介绍相关学科的最新研究进展，将物理化学基础知识与学科的前沿研究领域相结合，在有条件的情况下将实验室向学生开放，为学生在课余时间进行科学实验提供方便。一方面，教师可以组织学生参观实验室，结合自己的科研工作，向学生介绍物理化学相关领域最新的科学研究进展，并讲解其中涉及的物理化学基础知识；另一方面，还可以吸收部分学生在空余时间参与到教师的科研工作中，让学生通过切身体会了解如何运用物理化学基础知识解决科学问题。近几年来，先后有多名本科生利用课余时间到笔者的实验室开展了有机化学反应机理的计算研究等科学工作。通过这种让学生真正接触科学研究的方法，不但加深了学生对物理化学知识的理解，而且有利于学生加深对其他专业知识的了解和思考，激发学习兴趣，提高学生的整体素质。至今在笔者实验室从事过科学体验的本科生先后有3人获得“校优秀毕业生”的称号，1人获得化学学院本科毕业生的最高荣誉“杨石先奖学金”。

7　物理化学实验教学中应避免的几个误区

在多年的教学工作中，笔者体会到目前在物理化学实验教学中还存在着一些误区。误区一是孤立地看待各个实验，彼此之间缺乏关联。有些教师要求学生从实验方法、步骤到数据处理全部“依葫芦画瓢”式地按照教材进行，使学生在实验中更多地扮演着“操作工”的角色，缺乏对实验的思考和不同实验之间的横向比较。针对这一问题，教师应在实验总结时有意识地增加一些对各个实验之间的共性和相互联系的讲解。如化学动力学主要考查反应物或产物的浓度随时间的变化。笔者所在学校开设的化学动力学实验主要有丙酮碘化反应、乙酸乙酯皂化反应、蔗糖酸催化转化反应等。在这些实验中，学生需要测量的物理量主要有吸光度、电导、旋光度等。在进行这部分实验的总结时，教师可以引导学生思考这些物理量之间的共性。根据吸光度、电导率、旋光度的表达式：吸光度D = elc (e为摩尔吸光系数、l为光程长度、c为吸光物质浓度)，电导率κ=Λmc(Λm为摩尔电导率、c为电解质浓度)，旋光度α=Mrlc (为比旋光度、Mr为旋光物质相对分子质量，l为光程长度、c为旋光物质浓度)，可以发现吸光度、电导率、旋光度这几个物理量均与浓度有线性关系。由此可知这几个化学动力学实验的共性在于均是采用了观测与浓度有线性关系的物理量随时间的变化来跟踪浓度随时间的变化，从而解决浓度难以在实验过程中进行实时检测的问题。在此基础上，教师可以进一步引导学生思考通过以上方法还能检测哪些物理量。通过查阅资料，学生们提出体积(过氧化氢分解反应)、荧光强度、圆二色强度等也可以用来跟踪浓度的变化。通过这样的横向比较和展开，能够更好地让学生加深对相关知识的印象。误区二是过多注重实验结果正确与否，忽视对学生科学素养的培养。有些教师在进行物理化学实验教学过程中，过分注重学生是否按给定步骤操作、原始数据是否合理、公式运用和计算结果是否准确等，而较少注重对学生分析和处理实际问题能力的培养。在实验过程中，如果遇到学生实验失败，大多是简单地要求学生重做实验。其实，即便是失败的实验，教师也应该引导学生分析产生错误的原因，并利用所学到的物理化学知识加以解决，这样更有助于提高学生的科学素养。

总之，在物理化学的教学过程中，笔者在理论课教学和实验课教学相结合的教学方法方面进行了一些尝试。实践证明，这些方法能够在一定程度上提高学生学习物理化学的兴趣，解决物理化学基础课中理论课教学和实验课教学脱节的问题，消除学生对物理化学“抽象、难学、实用性低”的印象。为进一步提高理论结合实验的效果，教师应加强自身的业务学习，不断提高专业素质和授课水平，在实验课教学中巩固理论课教学效果，在理论课教学中引导学生思考实验现象背后的理论知识，从而达到丰富教学内容，提高教学效率，提升学生整体科学素质的目的。

参考文献

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[12]王秋长,赵鸿喜,张守民,李一峻.基础化学实验.北京:科学出版社, 2003: 379.

∙教学研究与改革∙

Some Explorations on Incorporation of Theoretical and Experimental Teaching in Physical Chemistry Course

XU Xiu-Fang*
(College of Chemistry, Nankai University, Tianjin 300071, P. R. China)

Abstract:Aiming at the properties and some problems of physical chemistry theoretical and physical experimental courses, we discuss our experiences and methods on the association of theoretical teaching with experimental course. In addition, some experiences on the reform of physical chemistry teaching and the corresponding achievements are also discussed.

Key Words:Physical chemistry; Physical chemistry experiment; Theoretical teaching course; Experimental course

中图分类号：O64；G64

doi:10.3866/PKU.DXHX20160317

*通讯作者，Email: xxfang@nankai.edu.cn

基金资助：天津市自然科学基金(14JCYBJC20100)；南开大学教育教学改革项目