物理化学实验教学中培养学生的自主思考和创新实践能力

利明 杜甫佑

摘 要：学生的自主思考和创新能力的培养对加强他们的社会竞争能力非常关键，实验课程是这一培养过程非常重要的环节。针对《物理化学实验》课程在经历改革之后出现的设备改进与实验过程环节缺失矛盾、实验教学时间分配不合理、学生将实验原理与理论基础知识联系的能力缺乏、学生过于被动的问题，文章提出了一些解决问题的方法，旨在更有效的利用实验课堂时间，提高學生的自主性、在实验设计中的参与性，培养他们的实践创新能力。

关键词：实验教学；创新实践能力；自主性

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2018）07-0023-03

Abstract： The cultivation of independent-thinking and innovative-practice abilities of students is very important for enhancing their social competitive strength. The experiment classes are the key parts in this cultivation process. In view of the problems of contradiction between improved equipment and experimental procedure missing， passivity of students and unreasonable time distribution in classes， we proposed some methods solving these problems to make best use of class time， improve students' autonomy and participation in experiments， and enhance students' innovative-practice abilities.

Keywords： experiment class teaching； innovative-practice ability； autonomy

随着经济的发展，社会各企业、单位对本科毕业学生的实践和创新能力的要求越来越高。为了满足这一需要，提高学生在社会上的竞争能力，我校化学相关的专业，如应化、化工、环境工程等，将很多原来处于隶属地位的专业实验与理论课程分开，单独作为一门独立课程。这一改革凸显了实验实践在专业学习中的重要性，是提高学生实践能力的一个重要举措。《物理化学实验》就是从原来《物理化学》课程中独立分出的一门实验课程。《物理化学实验》的目的是让学生强化对物化理论的认识和理解，初步建立用物理手段解决化学问题的思维，了解采用物理手段解决化学问题的技巧和方法[1，2]，同时培养学生的动手实践能力，促进学生的知识、技能向创新研究能力转化[3，4]。在课程改革之后，物理化学实验无论从实验内容、考核方式和评分标准上都做了改进，以有利于全面培养和考察学生的实践能力。但在进行改革之后，经过我们一段时间的教学，发觉《物化实验》仍然存在一些较为突出的问题。

一、设备改进与实验过程环节缺失的矛盾

由于我校对本科实验教学的越来越重视，近几年我们学院物理化学实验增设了很多设备，并且原来实验项目的设备进行了大规模的改进更新。设备数量的增加，更接近了国家教委规定的一人一组的要求[5]。设备的更新虽然使实验的过程进行得更顺利，操作过程更方便、快捷，采集的实验数据也更为准确。但是，由于设备进步导致的实验过程的过度简化也带来了一些问题，比如，实验原理不突出，数据处理过程缺失，使得学生在做完实验后只掌握了仪器设备的操作方法，但对背后的原理和数据的处理过程没有了解。拿我们专业开设的实验项目《微电泳仪测定溶胶电动电位》为例。在更换设备前，溶胶电动电位的测定需要学生在U型管中放置氢氧化铁溶胶和氯化钾溶液，在溶胶和溶液中施加电场，观察一定时间内氢氧化铁溶胶与氯化钾溶液的交界面在电场中的移动来确定溶胶颗粒迁移的速度，再根据施加电场的大小等参数来计算电动电位。在引入了微电泳仪后，学生只需要在微电泳仪中放入溶胶，在软件操作界面上点击“开始”键，并在显微图片界面上点击来回移动的颗粒的前后位置，软件就可以直接给出电动电位。实验的过程虽然简化了，但学生对溶胶颗粒移动的原因直观感受不强，也不能通过实验判断溶胶颗粒带的什么电荷，并且由于电位数据直接由软件给出，不需要经过计算，因此对于电动电位与什么因素有关也并不清楚。即使在实验前对实验原理进行说明，实验过程的现象也缺乏视觉直观性，对原理的理解达不到加强的效果。

二、实验教学的时间分配不合理

在实验教学中，为了保证在一定的课时内实验能顺利进行并完成，教师通常花很多时间讲解实验步骤和设备的使用方法，但对于实验原理及数据处理中为了保证采集数据的合理及排除误差所采用的技巧讲述得相对较少。比如在燃烧热的测定实验中，燃烧前后体系温度的变化值采用了雷诺作图法来确定。在这一实验中，由于实验装置的使用相对比较复杂，需要花较长时间讲解，因此讲解数据处理的部分，我们一般只讲述雷诺作图确定温度差的方法，但几乎不会提到雷诺作图法排除仪器散热和搅拌带来的热量误差的巧妙之处，以及在不同的散热和额外热量引入的情况下雷诺图形会出现的不同变化，虽然这一原理在实验教材中会有说明，但是在没有讲解的情况下，不会让学生认识到这一技巧在这一实验中的重要性。并且为了能在规定的课时内完成实验，降低过程中会出现问题的几率，很多实验步骤都由教师和学生助理在实验前提前完成了。比如，还是燃烧热测定实验中，称量萘的质量并压片是由学生助理在实验前准备好的，甚至给氧弹充氧气的这一步有时也是由实验老师代劳，不让学生动手。在很多实验中用到的药品溶液，比如电极制备及电池电动势测定用到的电解液，一级反应速率常数测定用到双氧水溶液和碘化钾溶液，都是提前配制好的。显然，这对全面提高学生的专业技能也十分不利。甚至有些学生到了大四做毕业实习时，实验中配制一定摩尔浓度和一定体积的溶液需要称量的药品质量都算不清。

三、学生将实验原理与理论基础知识联系的能力缺乏

尽管实验课程是连接基础学科和应用学科、科学研究的桥梁[6]，课程的目的是让学生强化对理论的认识和理解，但经过我们多年的教学体会，在真正的实验过程中，学生应用理论知识的能力还有待提高。比如，同样是在萘燃烧热测定实验，因为反应是在密闭空间进行，测定得到的应为恒容热，也即反应过程的能力学能变（ΔU），而实验要求的是与反应的恒压热，在这一条件下即反应的焓变（ΔH）进行比较。很多同学在测定计算出单位质量萘的恒容热之后，没有换算成摩尔恒压热就直接与理论的摩尔恒压热进行比较，或者不知道怎么计算单位摩尔的恒压热，但是实际上这部分内容在理论课程上是有教授过的。再比如合金相图实验，根据步冷曲线绘制相图，尽管理论课上都有讲过冷却过程中部分凝固和同时凝固的现象，以及对应在步冷曲线上出现的变化，但是在实际画图的时候大部分同学画的相图都不完全正确。

四、学生在实验中过于被动

目前物化开设的实验项目大多为验证类，缺乏自主设计性，学生在实验过程中按部就班地照实验步骤进行，虽然在一定程度上可以加深对某部分理论内容的了解，但对学生自主思考及创新能力的培养几乎没有任何帮助。更糟糕的是，某些学生甚至对实验原理的部分也不求甚解，只是按照教材所列步骤机械地进行实验，对过程中出现的问题不会分析原因，更不会解决问题。比如在电极制备及电池电动势的测定这一实验中，经常遇到在将电位差计某一刻度范围内的值调到最大或最小后，检流计都不能调为零的现象，非常多的学生都不会解决这样的问题。再比如合金相图实验，样品降温过程中，在记录样品温度随时间的变化时，中间会出现样品温度忽然上升的情况（采用合金相图的加热装置，样品放置在装置里，由于装置有一定的保温作用，所以在样品发生凝固放出热量的时候，有可能会出现升温的现象），也是有很多同学就停止了记录，觉得是实验出了问题。证明他们在实验的过程中基本不思考，一出现和教材上说明的状况不同的现象，第一反应就是仪器出了问题，即使跟他们说明了出现这种现象的原因，仍然有部分同学不知道如何解决问题或者没法判断实验是否正常。这种情況远没有实现开设实验课程的目的，更难以满足培养创新型专业人才的要求。

除此之外，我们批阅实验报告的时候发现很多同学对正负符号和单位完全不留心，只关心数值是否正确，甚至都不关心数值是否正确。虽然这似乎是小问题，与培养学生的自主思考和创新实践能力无关，但是作为理工科的同学，对这些地方的不注重，即使其他方面的能力很强，在实际的工作中也会带来非常大的问题。

针对以上的问题，为巩固、加深学生对物理化学的理解，提高对物理化学理论知识灵活运用的能力，加强学生在实验课程中的主动性，培养其自主思考和创新能力，提高其专业技能的角度出发，我们提出了一些解决方法。进一步改进考核办法，改变实验报告的评分标准，鼓励学生自行设计实验方案；创造条件，开放公共实验室，使学生有机会验证自己的方案[7]；把微课视频纳入实验预习阶段，更有效利用实验课堂。

为解决设备改进与实验过程环节缺失的矛盾，提高学生在实验中的主动性，同时培养学生的自主思考和创新能力。我们给予学生对现有的实验项目重新设计装置和方案，并进行实验验证的条件。仍然以溶胶电动电位的测定实验为例，由于进行物化实验的主要为大二的同学，他们的专业思维和技巧还不很娴熟，我们限定一定的实验用品，同时相当于给予了一定的设计提示。比如给出的实验化学用品为：氢氧化铁溶胶（棕红色）、氯化钾溶液（透明无色）；实验设备及用品：恒电位仪、U型管、石墨电极；给出计算电动电位的公式。再比如比较简单的电动势法测定化学反应的热力学函数，这一实验是通过改变电池的温度，测定不同温度条件下电池的电动势，确定电池电动势随温度的变化率，再应用原电池热力学公式，计算出电池反应的ΔrGm、ΔrHm、ΔrSm。有了前面电极制备及电池电动势测定实验的基础，这一实验也完全可以由学生自行设计。由学生提出实验需要的药品、仪器设备并拟定实验的步骤。设计可以分组进行，每组2个同学。在学生分组提交了设计的实验方案后，选出合理的方案，给予设计的学生课外在开放的公共实验室对实验方案进行验证的机会，并将设计方案的质量、操作过程和数据处理的情况纳入课程成绩。

这样的形式，不仅可以激发学生思考的积极性，培养他们的创新能力，同时也经历了从设计到实践的过程，提高他们把理论变成实践的成就感，激励他们的创新实践积极性。

为解决教学时间分配不合理的问题，学生对实验原理与理论基础知识联系的能力缺乏的问题，对于实验步骤和设备的使用说明这一类比较机械的内容，完全可以通过微课视频的方式来传授。课堂上的讲授虽然可能更直观，但是由于一般只讲授一遍，并且不能直接演示整个实验过程，有些同学在过程中稍微分心就漏掉了某个步骤和注意事项。让学生在实验预习的阶段通过看视频来了解，不仅可以重复观看，比在课堂上仅仅一次的讲授更容易熟悉整个实验过程，并且也节省了课堂的讲授时间，可以把更多的时间花在讲解原理和数据处理的原理技巧上，并适当的复习相关的理论课程内容，将理论知识的部分与实验原理和数据处理的部分结合起来。也有时间让学生自己完成所有的实验步骤，亲自动手配制溶液，熟悉所有仪器设备的使用操作。为了检查学生的预习情况，在实验前和实验中对过程步骤中的某些细节、仪器设备的操作方法进行提问。同时可以多提出实验中可能出的现象，给学生一定的时间思考出现这些现象的原因，并回答出相应的解决方法。把学生回答的情况也作为考核成绩的一部分。这样不仅更有效的利用了实验课堂的时间，并且对学生提出了更高的要求，需要他们在课前就牢记实验过程和仪器的操作，从而在真正进行实验的时候更熟练，更容易自己在过程中发现问题、分析问题并且解决问题，更紧密的将理论知识和实验过程联系起来，在保证实验过程更顺畅的同时也培养了他们的专业思维和实践动手能力。

此外，对于学生对于正负符号和单位不够注意的问题，导致这一现象出现的原因之一是我们在批改学生报告的时候在这方面不是很严格，往往是学生的实验数据合理，计算运用的公式正确，数据处理方法正确，即使过程数据和最终数据的正负号、单位不对，报告同样可以拿很高分，这在一定程度上助长了学生对这些地方的忽视，对于理工科的同学来说是非常不可取的。解决这一问题的方法，是增加这方面犯错的扣分，让学生提高重视。

以上解决问题的措施都需要改进的考核方法作为支撑，学生自主设计的实验方案的质量，实验前对实验原理、步骤、仪器操作、数据处理提问的回答情况都需要纳入学生的考核成绩，这样刺激了学生自主思考和创新实践的积极性。实验报告的评分标准，在原来的基础上需要提高过程数据和最终结果数据正确与否的分额，纠正学生不重视符号和单位的不良习惯。

《物理化学实验》作为学生初步接触专业实践的课程之一，不仅要承担让学生经历从理论认识到实践认识的任务，强化对物化理论的认识和理解，初步了解采用物理手段解决化学问题的方法，同时也培养他们自主思考、发现问题解决问题的能力及创新实践能力。在现有的改革取得一定成效的基础上，探索更好的实验教学模式、更放开实验资源、进一步改进考核方法是培养符合社会需求，具有与时俱进的专业创新能力人才而需要不断进行的工作。

参考文献：

[1]冯霞，朱莉娜，朱荣娇.物理化学实验[M].北京：高等教育出版社，2015：1.

[2]卢树昌，王小波.关于高校实验教学改革探讨[J].考试周刊，2009（31）：21-22.

[3]谢玉忠，孙光延，金光德，等.物理化学实验教学中重要环节的创新与改革[J].高教学刊，2016（4）：69-70.

[4]方文军，王国平，雷群芳.在物理化学实验教学中培养学生的创新意识[J].实验技术与管理，2003（6）：8-10.

[5]任宗礼，唐德平.浅析物理化学实验教学改革初探[J].考试周刊，2007（52）：14-15.

[6]贺德华，麻英.物理化学实验教学的发展趋势与改革探讨[J].实验技术与管理，2006（3）：13-15.

[7]利明，刘长久.物理化学实验教学的几点体会及改革想法[J].高教论坛，2013（10）：61-62.