地方院校物理化学开放式实验探索与实践

冯秀玲

(怀化学院 化学与材料工程学院，湖南 怀化 418008)

物理化学实验是怀化学院化学专业、制药专业、材料专业、生物工程和食品工程专业必开的一门基础实验课程。物理化学实验课程不仅影响学生对物理化学理论知识的理解和掌握，还与后续专业课程、综合实验、毕业论文设计密切相关[1-2]。怀化学院作为以应用型人才为培养目标的地方高校，教学中十分注重实验教学。传统的物理化学实验教学模式存在一些弊端，作为教学的补充和强化，物理化学开放式实验教学的探索是必要的。

1 物理化学开放式实验教学的必要性

1.1 传统物理化学教学模式的弊端

与其他化学实验相比，物理化学实验具有理论性强、操作复杂、实验数据测定和处理难度大等特点，这给学生的实验预习、实验内容的理解和实验操作带来了一定的难度。而传统物理化学实验教学内容陈旧、教学手段单一，无法有效地激发学生的实验热情，达不到良好的教学效果[3]。传统物理化学实验的教学内容大部分为物理化学理论的验证性实验，综合性和设计性实验偏少，教学模式主要是学生按照实验教材预习，教师讲解实验内容并在实验过程中指导操作，学生课后处理数据做实验报告[4]。这样的教学模式固定、程序化。由于物理化学理论抽象，物理化学实验内容的理解较难，预习难度大，导致学生学习缺乏积极性，预习效果差[5-6]。很多学生不能根据实验原理理解实验步骤，实验过程不能灵活的处理简单的实验故障，不会根据实验数据分析判断实验操作的错误，有些学生不能独立完成实验，主要依赖教师的指导，学生缺乏自主学习知识的积极性，不能在实验中有效提高动手能力、思考能力和综合能力。而开放性实验由教师向学生提出任务要求，学生根据要求查阅相关资料自己设计实验思路和实验步骤并实施，教师进行相关的指导，实验性质由验证型向综合型、设计型、研究型过渡，让学生成为实验的主体，充分调动学生学习的积极性，有利于培养学生的思考、实践和创新能力[7]。

1.2 物理化学实验仪器设备等教学资源短缺

随着学校的招生人数增加，物理化学实验室承担了化学、材料、生工、制药等专业的实验教学工作，同其他地方院校情况类似[8-9]，物理化学实验设备和实验场地已经到达了饱和状态。由于学生人数多，仪器数量有限，实验以分组的形式进行，每个小组3～5人。分组实验导致学生不能完整地操作实验，有些学生由于缺乏自信，实验过程不参与，只旁观，同组实验学生的实验报告互相抄袭。开放式实验实施开放式实验室管理，所有实验资源(包括实验时间、实验仪器设备、实验场地等)向学生开放，学生在实验室开放期间可以独立操作实验，有利于激发学生实验的积极性，而且教学资源能够被充分利用。

2 物理化学开放式实验内容

根据怀化学院的教学水平、实验室资源及管理水平，物理化学开放式实验应该多选用适合实验室仪器设备的难度适中、趣味性强并且能够结合教师科研的综合性、设计性实验，但也要保留适量的验证性实验。实验内容要体现趣味性和应用性，这样有利于学生积极参与开放性实验。为了适应学生不同的知识层次及学习要求，开放性实验选择了8个。1)验证性实验：泡压法测定乙醇溶液的表面张力，蔗糖水解反应速率常数的测定，盐桥的制备。2)设计性实验：纯水的制备及水质检测,中孔活性炭制备及吸附性能测定，2-氨基甲酸分解反应标准平衡常数的测定。3)与教师科研相结合的综合性实验:配合物的制备及热稳定性测定，多酸石墨电极的制备及电化学性能研究。

将课堂教学实验作为开放性实验并不是重复课堂教学，而是对课堂实验的引申和拓展。如泡压法测定乙醇溶液的表面张力的实验，由于仪器更新，实验教学使用的仪器装置与以前教学使用的仪器装置不同，让学生使用不同的仪器重新操作，通过对比两种不同装置的附加压力产生的受力分析，深刻地理解附加压力产生的原因。蔗糖水解反应速率常数的测定实验作为开放性实验采用了与教材不同的实验原理，学生通过对比体会实验原理的设计思想，开阔思路。设计性实验要求学生通过查阅资料后推导实验原理、确定实验方法、设计实验步骤、选择仪器及数据处理方法。设计性实验难度不易太大，而且具有一定应用性，这样有利于激发学生的兴趣，增强学生的自信。所选择的两个综合性实验要求学生进行无机、有机合成、重结晶及性能表征测试等操作，实验数据图谱处理后根据基础化学理论进行红外分析、热重量分析、电化学分析。综合性实验综合利用各学科理论及实验技能以培养学生的综合能力，使学生理解各学科之间的相互联系，理解物理化学作为理论化学的作用，为以后的毕业论文奠定坚实的基础。

物理化学开放式实验教学要经过一个循序渐进的过程，应该指导学生先易后难的选做实验，先做验证性实验，再选做设计性、综合性实验，这样有利于学生在宏观上对实验层次和框架有一定的理解。实验内容可以在先确立的8个实验基础上更新、替换从而提供给学生更多的选择机会。

3 开放式物理化学实验指导

3.1 以学生为主体的指导方式

物理化学开放性实验的指导区别于传统实验的指导方式，主要原则以学生为实验主体，教师的指导方式为引导[10-11]，通过提问、讨论引导学生思考，通过指导思路引导学生独立解决问题，从而培养学生的科学的思考方法。不同性质、不同难度的实验，指导重点及方式应该不同。

对于验证性实验要求学生在课堂实验的基础上进一步思考、引申、对比、教师的指导侧重于思考方法的指导。如蔗糖水解反应速率常数的测定实验，实验步骤操作简单，但实验原理设计巧妙，要求学生采用不同于教材的实验原理，重新测定蔗糖速率常数，引导学生通过对比思考不同原理设计方法的优缺点，学生的实验报告内容可以主要针对原理部分以论文的形式阐述，这样突出实验重点。设计性实验要求学生通过参考类似实验的相关实验教材、查找资料设计实验原理及步骤，指导老师根据学生的设计方案针对不合理的实验原理设计和步骤细节内容提出问题，学生根据指导老师的问题进一步学习、思考，改进方案。每个设计性实验的难点都不同，例如中孔活性炭制备及吸附性能测定，通过资料查阅设计吸附性能测试方案是重点，而2-氨基甲酸分解反应标准平衡常数的测定实验关键在于实验装置的设计，教师要通过引导让学生独立思考，独立解决实验设计的难点。

3.2 网络化指导

利用网络资源，进行网络化指导也是开放性实验的有效指导方式。在院部网站构建物理化学实验网络教学平台，链接高校的物理化学实验精品课件,物理化学实验视频，在教学平台上发布关于物理化学实验改进、开放性物理化学实验及软件处理物理化学实验数据的期刊论文。这种网络化指导方法以丰富的背景材料支持教学内容，拓展了学生的思路[12]，有利于学生的学习。

4 物理化学开放式实验管理模式

物理化学开放式实验应该综合考虑物理化学实验的课程教学、实验室管理、学生的课程安排等因素制定相关的开放式管理模式。由于化学与材料工程学院的物理化学实验室承担的教学工作繁重，因此开放性实验应该安排在学期结束前一个月，这个时间段，学生的物理化学实验课程已经结束，仪器、试剂等教学资源可以保障开放性实验的顺利进行，而且通过课堂教学学生已经具备相关的理论基础及一定的实验技能，作为学习补充和进一步强化，学生可以根据自己的兴趣及对知识的掌握程度，自主的选择实验内容。具体开放性实验的实施应先组织学生报名摸底，报名表(如表1所示)备注实验的名称、性质及基本要求以供学生选择参考。根据学生的报名情况，实验室管理员安排实验仪器、试剂及指导教师。学生根据自己的时间，在线预约实验时间、内容及指导教师。

为了有效激发学生参与开放性实验的积极性，提高开放性实验的实验质量，实验室应完善开放性实验的考核方法。要求学生完成3～5个开放性实验(所选择的实验至少含一个设计性或综合性实验)，学分为2分，该学分可以作为奖励学分计入总学分，并作为评优及参加省级化学实验竞赛的参考条件。每个开放性实验的成绩突出体现学生实验作风、思考能力、排除实验故障的平时表现，按照实验表现占40%，实验报告占30%，实验效果占30%打分，总成绩再乘以该实验的难度系数。

开放式管理模式可以充分利用教学资源，实验过程中，学生独立操作实验，实验时间不受限制，学生可以通过实验实践自己的想法，需要教师指导时可以随时联系，实验不成功，通过讨论，教师的引导及查阅资料修正方案。通过这样的管理模式使学生在实验中充分发挥主动性和创造性，达到良好的实验教学效果。

表1 开放性实验班级报名表

5 结束语

经过近一年的物理化学开放性实验的探索和实践，积累了经验也取得了很好的实验教学效果。实践证明，开放性实验可以显著培养学生独立操作的能力、分析问题的能力、创新能力、理论联系实际的能力及科学的思维方法。但是具体开放性实验的内容、指导及管理模式需要进一步完善和改革，在教学实践中发现。虽然开放性实验对学生在教学资源、时间、管理方面开放，但是选择开放性实验的学生一般为学习成绩较好的学生。因此，应该改进实验内容及相关制度以吸引更多的学生主动参与开放性实验。在教学指导方面，教师应该掌握不同学生对知识的掌握情况进行个性化指导，使每个学生在原有的知识层次上有所提高，有所进步。地方院校的物理化学开放性实验需要在实验中不断完善，不断改革，不断深化。