以创新、环保为导向的物理化学实验改革与问题剖析

徐彩霞，马存花，肖芙蓉，陈宏伟,杨红兵

(石河子大学 化学化工学院，新疆 石河子 832003)

0 引 言

基于现代社会对人才的需求[1-2]，我校化学化工学院制订了立足新疆，面向西部，服务于区域经济建设和大化工行业发展，培养具有良好的安全、健康、环境意识，良好的职业道德和社会责任感，掌握化工生产工艺过程和设备的基本规律和原理的人才培养目标。作为一门专业基础课，物理化学实验在培养学生创新思维、创新精神和创新能力，通过实验积累、培养科学研究的综合能力方面具有重要作用[3-5]。为了将学院人才培养目标落到实处，结合学院实际情况，物理化学课程组从实验设备更新、实验内容的优化与整合、物理化学实验与大学生研究训练计划相结合、实验数据处理手段的现代化4个方面入手，对物理化学实验进行了一系列以创新、环保为导向的改革实践，提升了物理化学实验的教学质量，进一步促进课程在培养学生创新思维、创新能力、环保理念等综合素质方面所发挥的作用[6-9]。并根据目前课程的现状，剖析了课程中存在的问题，通过对问题的剖析找出产生问题的根源，并提出了可行的解决方案。

1 物理化学实验的改革实践

1.1 更新实验设备

物理化学实验是化学化工学院和药学院各专业包括应用化学、材料科学与工程、化学工程与技术、环境科学与工程、化学、药学和制药工程等的专业基础课程，因此每年实验课程工作量大，实验设备利用率高，导致设备维持性能完好的时间短。为了能更好地呈现实验效果，提高学生学习的积极性和主动性,学校2016年更新了大部分实验设备，包括燃烧热的测定、凝固点降低法测定分子量、液体饱和蒸气压的测定、低共熔相图的绘制、双液系相图的绘制、电导的测定及应用、蔗糖转化、电动势的测定及应用和液体表面张力的测定等实验设备。设备更新后，不仅提高了实验效率，还节省了化学试剂，减小了对环境的危害。比如燃烧热测定中的压片，以前的实验装置要求将燃烧丝压入药片中，可是学生在压片的过程中经常会出现金属磨具将燃烧丝割断而需要重新压片的情况，而现在的新设备无需将燃烧丝压入，极大减少了压片失败的情况；液体表面张力测定实验中，以前的仪器测试时需要溶液至少10 mL，而现在的新设备仅需要2 mL左右。再比如凝固点降低法测分子量的实验，以往实验需要至少3人才能完成，而且基本都是重复机械地搅拌操作，更新后需要操作的人少了，学生也不用重复一些机械的搅拌操作，而是把精力更多地放在了对实验操作、实验现象和实验原理的理解与思考上，很好地提高了教学质量。教师通过对新旧设备的对比讲解，开拓了学生的创新思维，同时教师借此鼓励学生要大胆创新。

1.2 实验内容优化与整合

以前，难溶盐溶解度的测定和醋酸解离度与解离常数的测定两个实验是独立的，但它们所涉及的理论知识类似，所用仪器相同，实验操作相对简单，因此将两个实验整合在一起，缩短了时间，提高了学生的学习效率。液体饱和蒸气压的测定，液体表面张力的测定，低共熔相图的绘制都属于物理化学实验中的经典实验。原来液体饱和蒸气压的测定所用的试剂是苯，表面张力实验所用的液体是正丁醇的溶液，低共熔相图绘制实验采用的体系是萘和苯酚。但是苯的毒性很大，萘和苯酚在实验过程中挥发量大，造成整个实验室味道难闻，而且长时间无法散去，正丁醇的味道会让人反胃，这种试剂的毒性和味道不仅会影响学生的身体健康，而且极大地影响了学生对实验的兴趣和积极性，同时也给环境造成了不良的影响。因此现在将苯和正丁醇都改为乙醇，而将萘和苯酚改为金属铋和锡，改为金属铋和锡后，即解决了实验味道难闻的问题，同时金属可重复多次使用，减少了试剂的用量，对于实验经费的节约和环境保护都很有利，并通过这种方式逐步树立学生牢固的绿色环保理念和培养学生的创新思维与能力。

在设计实验的开设过程中，采用提前1周给学生安排实验题目、实验的目的以及实验提供的仪器和试剂，并根据实验的难易程度，给学生提供一些设计思路,然后由学生进行设计。实验中先由每个组选出代表讲解自己的实验方案，然后同组同学可对方案进行补充。老师根据实验方案做出点评，指出实验方案中存在的问题。然后由学生补充完善实验方案，最后进行实验。设计实验从资料的查阅、方案的设计与完善到实验的开展过程中给学生充分的空间去发挥与培养学生的创新思维、创新能力以及对知识综合运用的能力。

1.3 物理化学实验与大学生研究训练计划相结合

物理化学实验课时有限，为了进一步提高学生综合应用知识能力和培养创新思维、创新能力,引导学有余力的学生申请大学生研究训练计划(SRP)。在完成SRP项目期间，老师的主要作用是引导学生，学生要自己查阅文献，制定实验方案，购买试剂，配制溶液，完成实验和撰写结题报告等，在实验中肯定会遇到一些困难和难题，甚至失败，学生要自己想方设法克服困难和难题。经过多年实践，参与过SRP项目的学生在查阅资料、动手能力、论文撰写、创新思维、创新能力方面远远高于没有参与过SRP项目的学生。比如我院2012级一同学在开展负载型MnO2催化氧化脱硫研究项目期间，较熟练地掌握了催化剂的制备、脱硫实验、催化剂性能评价、催化剂的表征等方面的工作，该同学经过这一系统的训练，对科研工作产生了浓厚的兴趣，因此利用寒暑假和周末时间很早就投入到毕业论文实验工作当中，实验取得了很好的结果，论文被评为大学优秀毕业论文，他被保送为985高校的研究生。

1.4 实验数据处理手段的现代化

以前在数据处理方面，通常要求学生采用手工作图，其主要目的是为了防止学生偷懒、抄袭。但是手工作图也有很多缺陷，比如费时、费力、结果准确性差等问题。为了便于今后学生进行本科毕业论文的撰写，工作后能熟练应用Origin和Excel等办公软件[10-11]，快速融入工作环境，提升学生职场竞争力，现在提倡学生采用计算机软件进行数据处理，但是要求每个学生必须独立完成整个数据处理过程，规定一旦发现学生直接套用别人的处理过程或者打印别人的处理结果，将会按照本次实验不及格处理。软件的使用要求学生自学，学生在自学软件使用和利用计算机处理数据的过程，对学生自学能力的培养、创新思维和创新能力的培养都具有积极的促进作用。

2 存在问题的剖析与解决方案

尽管物理化学实验开设了很多年，期间也在不断改进[12-14],但是实验教学中仍然发现存在诸多问题[15-16]。

(1)不重视实验预习。物理化学实验原理难懂，操作复杂。如果课前没有很好地预习，即使课前老师进行详细地讲解原理和实验操作，很多同学听完还是一头雾水，不知道实验到底要干什么？怎么做？实验数据如何处理等？实验结束后还是有很多问题没弄清楚。因此课前预习是所有老师都要求的，但是在实践中发现即使强调预习何等重要，课前必须写好预习报告，老师要进行提问等，学生仍然不够重视，预习报告就是抄实验书，提问时简单问题也回答不上的情况频频出现，很多学生认为回答不上问题，老师也不能把他们怎样，所以无论老师如何强调预习，学生还是不重视。有鉴于此，可以加大提问在课程总评成绩中的比例，对于回答不上问题的同学要勇于给零分，让他们存在挂科的可能，只有让同学们意识到回答不上问题就可能存在挂科风险时，他们一定会重视课前预习，这样才能提高学生的学习主动性。除此之外，应该加强计算机辅助教学在实验预习中的作用。比如利用仿真软件，让学生在实验前就能通过电脑直观地看到实验的整个操作过程、实验细节和实验的现象等，这对于学生理解实验原理，提高对实验的兴趣和学习积极性都具有很大的促进作用，这也一改以往教师一味抽象讲解的局面。这种教学模式的转变，对学生创新思维与能力的培养具有重要作用。

(2)设计性实验受到诸多限制。虽然课程有开设设计性实验，但是离期望的设计实验差距还很大。比如实验室只有物理化学实验中用到的常规仪器和试剂，而采购常用试剂至少需要1周时间，采购非常用试剂和仪器时间更长、成本更高，导致学生的实验方案范围会极大地受到实验仪器和试剂的限制，学生没有充分发挥的余地，所以设计的方法基本一样，很难调动学生的学习积极性和主动性，从而失去了设计实验本身的意义。因此为了开好设计实验，学院应该做好实验室仪器和试剂共享平台。学生在设计方案时，只要共享平台中有的仪器和试剂，均可通过履行正常的借用手续后使用，而不再仅仅局限于物理化学实验室，这样就可极大的拓宽学生设计实验方案时的范围，真正起到充分调动学生学习积极性和主动性，发挥主观能动性，培养创新思维与创新能力的目的。

(3)考核方式不完善。以前实验课程结束后会进行考试，考试题目采用抽题卡的方式进行。题卡中有问答题和实验操作两部分。但是考试时发现好多学生平时表现很好，可是一到抽题卡考试，紧张得什么都不知道了，而且物理化学实验中很多仪器只用一次，学期结束时考核学生操作，很多学生都是靠死记，这种考核意义不是很大，后来将期末考核改为设计实验进行考核的办法，虽然设计实验有很多好处，但是发现没有期末考核后，学生对实验课程的重视程度明显下降，而且很多同学都抱着只要实验做完就可以的心态，至于怎么做，为什么这么做等毫不在意。所以在以后的实验中，在设计实验考核的基础上，还应该增加期末考核。具体的成绩构成比例为：提问20%，操作技能20%，数据及处理20%，设计实验20%，期末考核10%，实验态度和考勤10%。并且设计实验也要一改”以数据”论英雄的做法，应该允许学生犯错误。如果学生用心设计、用心实验，但是实验数据问题很大，对于这样的同学，如果他们能对错误进行认真分析、讨论，教师要根据实验设计的用心程度和对错误分析讨论情况给予合理的分数。只有这样学生才愿意大胆创新，而不用担心万一设计实验失败成绩会受很大影响的问题。

3 结 语

在物理化学实验的教学过程中，针对存在的问题一直在进行各种尝试，然后将成功的尝试逐渐推广。通过实践发现，改革受到了同学们的欢迎和支持，也取得了一定成效。这也激励物理化学实验的教师不断进行新的尝试，以期能够探索出与快速发展的社会相适宜的教学模式与方法，从而培养出具有过硬综合素质的高水平人才。物理化学实验教学的改革实践，永远在路上。