工程认证背景下物理化学实验课程建设的探索

(北京工业大学 环境与能源工程学院 化学化工系 绿色催化与分离北京市重点实验室，北京 100124)

工程教育专业认证是国际通行的工程教育质量保证制度，是实现工程教育国际互认和工程师资格国际互认的重要基础[1-3]。2015年年初，我校环境工程专业顺利通过工程教育专业认证。工程教育专业认证更注重学生工程实践能力的培养，强调对教育体系的持续改进[4]。

物理化学是环境科学专业的一门重要基础课，在人才培养方案中先修的课程包括无机及分析化学、大学物理、高等数学等[5]，并为后续的环境工程原理、水质工程学、大气污染控制工程等课程提供支持。而实验教学是物理化学学科体系中重要的教学环节，因其综合性更强，使其对培养学生的创新思维、实践动手能力和应用能力起着至关重要的作用。合理设置实验内容，运用好实验这个教学环节不仅能加深学生对理论知识的理解，更能使学生掌握一定的实验技能，培养解决问题的思路，并能初步解决实际工程问题[6]。高校学生的实验能力可概括为基本能力和高级能力。前者主要包括实验操作能力、观察能力、思维能力、数据处理能力和仪器设备的应用能力；后者主要包括分析和解决问题的能力、研究能力、综合能力和创新能力[7]。但目前高校物理化学实验教学在培养学生能力方面仍存在诸多问题，在实验内容方面主要体现在实验题目简单，验证性实验偏多，综合性、研究型性实验偏少，限制了学生独立思考的空间[8]。在工程认证背景下，更加注重以学生为中心，强调学生对知识的主动探索、主动发现和对所学知识意义的主动建构[9]，提高解决实际问题的能力。因此，物理化学实验课程持续改进的重要性不言而喻。笔者将从丰富及更新实验内容，构建具有基础性、综合性和研究应用性等多层次实验体系方面提出建议。主要包括丰富验证性实验内容、开设大型仪器虚拟仿真实验、综合性实验以及研究性实验。

1 验证性实验的改革

在物理化学实验中， 验证性实验一般是若干个具有代表性的必修实验，目的是培养学生数据处理及分析能力，并通过实验加深对理论知识的理解，主要目的为锻炼学生的基本能力。目前来看，我们所开设的必修实验内容较单一，数据处理过程及分析过程也略显单薄，尚需精心设计和丰富内容才能达到实验目的。例如，对于饱和蒸气压的测定，往往单一选用静态法或者动态法进行实验，学生通过实验对气-液平衡和克劳修斯-克拉贝龙方程等概念的理解不够深入，在数据处理及分析方面得到的锻炼不足。因此，我们建议将两种方法都提供给学生进行尝试和比较，通过对一个问题的多方面考证与分析，锻炼学生的思维及动手能力。

首先通过两种方法的实验操作锻炼学生的动手能力，通过实际体验分析两种方法在操作难易方面的优缺点，并能体会出实验设计的思路，比如如何控制汽液平衡，如何操作能够灵敏地调整控制条件。其次，用数据处理软件如origin处理由两种方法得到的两套数据，拟合直线方程，给出方程表达式，根据克劳修斯-克拉贝龙方程确定在实验温度(或压力)范围内乙醇的平均摩尔蒸发热。并与理论值相对比，分析两种方法在准确度方面的不同。这样的数据处理与分析过程就比较丰富，能够使学生得到充分锻炼。最后，综合分析两种方法的特点，鼓励学生给出对测量装置的改进建议，提高学生解决实际问题的能力。如此下来，我们通过对一个问题的多角度分析，采用控制不同因素来达到同一个目的，并采用对比手段进行分析，虽然在课时上增加了一些，但却能大大提高学生的应用能力。

2 开设大型仪器虚拟仿真实验

虚拟仿真实验借助于图形图像、Flash动画等现代技术构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象， 在计算机环境中建立逼真可视化的实验操作环境。突破传统实验教学模式限制，将抽象的内容具体化、形象化，学生可以运用各种虚拟实验仪器和设备高效、安全、经济的完成各种预定的实验项目[10]。近年来，物化实验的仪器发展迅速，越来越先进，掌握一些常用大型仪器的操作与结果解析，对学生将来从事实践、科研都大有裨益。而大型仪器台由于套数和实际教学学时限制，学生在每一个短短的教学单元内很难做到熟练操作仪器、并深刻理解仪器工作原理。因此开设大型仪器虚拟仿真实验十分必要。我们拟开设X-射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、比表面测试仪(BET)以及热重-差热热分析仪(TG-)的虚拟仿真实验。

例如，对于XRD虚拟仿真实验来说，模拟X-射线衍射仪(XRD)基本工作原理，模拟仪器的基本结构及工作过程，以帮助学生对仪器工作原理有个基本理解，设计人机交互式样品预处理环节，使学生对样品预处理过程有大致了解，设计并模拟每一步的操作过程，使学生在计算机上完成每一步操作。最后根据模拟的谱图，对学生进行简单的图谱解析训练，使其能够利用数据库数据解析出样品的构成，并要求学生完成并提交实验报告。

在虚拟的仪器分析环节，学生可以对每个步骤进行仿真操作，最后，学生通过整理相关实验数据，完成并提交实验报告。这些是对真实实验内容的重要扩展。

3 开设综合性实验实际接触先进测试手段

在上面我们提到的虚拟仿真实验可以面向全部学生开放，学生在电脑上可以熟悉大型仪器的使用。由于北京工业大学具有大型仪器共享平台，具有较为充足的资源，可以满足部分对科研怀有兴趣的同学。具体方式可以采用选修综合性实验的方式，教师设计一些小课题，指导学生实际使用这些先进的测试手段。比如，Ti4O7是一种活性很强的新能源功能材料，晶体结构为氯化钠型立方晶型和金红石型正方晶型的混合粉末，在电池领域、环保行业及水处理领域等具有重要的应用。设计实验如下，采用不同质量比的碳的前驱体聚乙烯醇(PVA)与TiO2混合，在氮气中加热到1100℃得到各种不同Ti-O化合物(Ti4O7，Ti5O9、Ti6O11)。利用X-射线衍射仪鉴定物质的结构，并得出结论在二者质量比为1∶1时获得Ti4O7[11]。采用SEM观测烧结前后的TiO2和Ti-O化合物粒径与粒子团聚状况。进一步采用BET手段测得Ti-O化合物的比表面积，以判断其是否适合作为电催化剂的载体。教师可以根据自己的研究方向，结合具体实验条件，设计各种小课题来进行综合性实验，课时数控制在16学时之内。使学生们用较少的时间接触到本科阶段很少涉猎的前沿科学研究方法，激发其科研兴趣。

4 开设研究性实验激发学生的创造性

上面谈到的综合性实验还是以教师作为主体，主要目的是让学生熟悉大型仪器的使用方法及功能。还可以进一步设计研究性实验，以一年为研究周期，选择具有一定深度和前沿性的小课题或者直接参与老师的科研项目，面向有强烈科研意愿的同学。这些实验可与学校的大学生创新训练计划相结合，以学生为主体，学生通过自己查阅文献、自主设计实验方案和实验内容，教师组织具有丰富科研经历的老师和研究生参加方案合理性论证会，方案通过后学生自己动手做实验工作，在实验过程中充分发挥学生的积极主动性和创造性。若方案未通过，在教师指导下进行修正。这样的“研究性实验”以学生为主体，通过学生的独立思考，自主学习，鼓励其自由发挥，激发学生的探索精神和创造性思维，培养学生在实验过程中发现分析问题并且解决问题的能力[12]。开设研究性实验，可以充分利用各课题组的实验室与实验设备，进一步对在之前验证性实验、虚拟仿真实验及综合性实验中所学到的各种仪器操作巩固提高；学生通过研究性实验的训练，熟悉前沿科学研究方法，提高高级能力，为学生将来做毕业设计或者进一步深造奠定基础，并为我校研究生后备人才进行储备。物理化学实验教学改进提高是一项长期的任务。在工程认证的背景下，笔者提出了一些粗浅的建议，希望能给同行们以参考，为共同提高物理化学实验课程的教学质量而努力。