物化实验教学的教法探索

2019-10-08任淑霞

实验技术与管理 2019年8期

任淑霞，孙英，边刚，马刚

（1. 河北大学化学国家级实验教学示范中心, 河北保定 071002；2. 河北大学科技处，河北保定 071002）

实验教学是高校教学的重要组成部分，传统实验教学以巩固理论知识、掌握实验方法为目的。随着国家提出建设创新型国家的目标要求，培养大学生创新能力成为高校的重要任务。如何有效地为国家输送“创新智力人才”成为高校教学研究的热点[1-4]。由于理论与实践相结合的特性，实验教学是培养学生创新能力、工程实践能力的重要途径，是创新人才培养中不可缺少的环节。如何提高实验教学成效，充分培养学生的创新能力，是高校实验教学改革的重点[5-6]。

1 重新构建实验内容

长期以来，大学实验教学依附于理论教学，传统的实验教学内容偏重于对所学知识的验证。受教学经费所限，许多教学设备由实验室自制，实验内容设置简单、单一。随着科技的发展及教育经费的不断增加，高校实验仪器设备种类齐全、技术先进，在此基础上重新构建实验内容，将诸多含有创新元素的知识点融入实验教学中，是目前高校实验教学改革的重要内容。

1.1 综合研究型实验

“物理化学实验”是一门理论性、实践性、综合性、研究性很强的课程，是需要综合运用物理和化学的原理与技术、方法与仪器及数学运算工具等多方面知识的课程。“物理化学实验”一般面对大三学生开设，此时的学生经过了基础化学实验训练，学习了“大学物理”“高等数学”等课程，具有一定的实验与理论基础，具备了学习物理化学综合实验的条件。随着经费投入的不断增加，实验教学所用测试仪器配置越来越完善，学院大型测试仪器平台也已向本科实验教学开放，使综合研究型实验课程的开设成为可能。综合研究型实验主要从物质的制备及表征入手，需要使用多种实验技术及将大量相关知识和技能进行融会贯通，是对学生综合能力的培养。综合研究型实验一般是从成熟的教师科研实验延伸而来，具有前沿性、综合性、研究性和应用性特点[7-8]。我中心设计了立足教学面向科研的综合研究型实验。该实验从“溶液吸附法测定硅胶比表面”实验出发，结合目前的科研热点——功能化催化剂研制，进行氮、硫共掺杂的功能化碳催化剂制备、表征及催化活性评价。该实验以实验废物利用为出发点，结合科研热点及先进的表征技术，在培养学生科研素质方面取得了很好的效果。

1.2 设计型实验

随着科技的进步，基于现代技术的教学仪器相比传统的自制仪器，具有操作方便快捷、读数准确的特点。传统实验教材在内容设置上与先进的教学仪器相比显得简单、呆板，如果不改革实验内容，那么先进教学仪器只能起到缩短学时的作用。授课教师应利用现代教学仪器丰富实验内容，形成包含验证性、探索性和创新性实验的，具有系统性、完整性特点的实验内容体系。

例如“蔗糖水解反应速率常数的测定”实验，由原来的圆盘旋光仪改为 P850 型全自动旋光仪，使测定操作更加快捷。授课教师根据物化实验课小班开设特点，将传统教学中的固定温度、蔗糖浓度、酸种类、酸浓度的模式加以改变，选择3种可变因素（如蔗糖浓度、温度、酸浓度），设计单因素及正交实验方案，各小组平均承担实验工作量。小组之间对所取得的数据进行共享，并进行归纳分析和总结。

实验内容的扩展，能够加深学生对理论知识的理解，培养学生分析问题、解决问题和归纳总结的能力；小组之间的分工合作，使学生的科研协作能力得到锻炼；正交实验的安排，能够培养学生清晰的科研思路。实践证明，学生对这样的实验内容安排很感兴趣，普遍反映学习效果良好。

2 改革教学模式

传统的实验教学是由教师主导课堂，教师在讲台上以灌输方式详细讲解实验理论、实验内容和实验步骤，并对实验仪器设备进行操作示范，学生只要按实验教材的要求按部就班完成实验、取得实验结果，就会得到高分。但学生实验兴趣普遍不高，缺乏学习的主动性。在互联网的微课、翻转课堂等教育方式逐步普及背景下，我校物化实验教学团队在将翻转课堂等教学方式引入实验教学方面进行了尝试。

2.1 探索实验教学的翻转课堂模式

翻转课堂不是由教师和学生角色的简单翻转，而是需要教师花大力气来设计翻转课堂的内容，还要求教师具有对课堂的调控能力和对学生积极性的调动能力。

如果教师简单地发号施令，让学生围绕一个知识点去面对网络上的海量信息，会使学生疲惫不堪，进而失去兴趣。教师应通过梳理知识点，制作短小、精湛的资料，以微课形式发布于网上，用于学生课前预习。相比传统的实验教材，微课资料更便于学生在短时间内精力集中地深入理解相关知识点。教师还应设计课堂上学生之间的互问互答环节，教师在该环节起指引、评价作用，旨在活跃翻转课堂气氛，营造浓厚的知识探究氛围。根据大学生学习动机的职业化特点[9]，在预习资料中增加实验与实践应用相结合的内容，充分体现专业特色，实现理论学习与实践应用的相互结合和促进，激发学生的学习动力。

物理化学实验涉及的实验仪器较多，由于实验室房间安排以及仪器数量限制，实验课通常以大循环次序开设，每个实验每次同时开出3组，难免使理论课与实验课衔接不够紧密。从教学形式与过程来看，微课可以很好地解决理论课与实验课的衔接问题。翻转课堂对于物理化学实验教学是非常合理、有效的教学手段，它调动了学生的积极性，激发了学生的探索欲望，有利于学生创新能力的培养。

2.2 构建“开放性实验”实践教学模式

实施实验室开放是高校实验教学改革的重要内容，这种做法可使人才培养从单一型向复合型和创新型转变，实验教学从单一的知识传授向全面的创新能力培养转变。实验室开放的核心内容，就是实验项目的确定。开放性实验项目的设计，要依据创新型人才的培养规律和实验课程之间的内在逻辑关系。物化教研室依据我院化学实验教学示范中心的要求，编制了2个实验室开放项目。

（1）乙醇废液制备固体酒精及其燃烧热的测定。实验涉及精馏操作、含量测定、热值测定3个操作单元，将变废为宝的绿色理念引入其中，旨在锻炼学生的动手能力，巩固所学理论知识，培养创新思维[10]。

（2）乙酸乙酯皂化反应速率常数的测定及活化能的理论计算。学生通过实验学习采用Gaussian09W计算乙酸乙酯皂化反应的活化能，并将计算值与实验值进行比较，掌握用实验与理论相结合的方法解决问题的基本思路和手段。

3 营造探究氛围，培养创新能力

利用实验教学条件，设置一种实验教学情境，引发学生的认知冲突，激发学生的探究兴趣，从而培养学生的创新能力，是一种很好的教学方式。采用这种方式进行实验教学符合心理学理论，即个体熟知或未知的事物在特定的环境下，能够激发认知个体的认知冲突，而这种认知冲突会使认知个体从疑惑、惊奇、差异的情感中，产生一种积极探究的欲望，达到最佳思维状态[11]。下面以物化教学实验项目——溶液表面张力的测定实验为例进行介绍。

3.1 溶液表面张力的测定

实验采用最大气泡压力法测定溶液的表面张力系数。所用实验装置于2015年购置于南京南大万和科技有限公司，包括表面张力仪、恒温装置、压力计和调压装置。授课讲义上实验装置连接如图1所示。

图1 授课讲义的表面张力测定连接方式

实验原理为：表面张力仪中的毛细管管口端面与待测液体液面相切时，液面会沿毛细管上升。当分液漏斗的活塞打开时，液体缓慢下滴，从而增加系统压力，毛细管内液面所受压力大于试管中液面所受压力，当此压力差在毛细管端面上产生的作用力稍大于毛细管口液体的表面张力时，气泡从毛细管口逸出，这一最大压力差可由数字式微压测量仪读出。其关系式为：

假设毛细管半径为r，则气泡由毛细管口逸出时受到向下的总压力为2πrP最大，气泡在毛细管受到的表面张力引起的作用力为2πrσ。气泡自毛细管口逸出瞬间，上述压力相等即：

式中，ΔP为压差计的示数，K为表面张力仪常数，单位为m。因此，以已知表面张力系数的液体为标准，即可求出其他液体的表面张力系数，将这种测定表面张力系数的方法叫做最大气泡压力法。

3.2 根据测定装置，设计探究氛围

在教学中，授课教师发现只要在调压装置增加一个合适的带弯管的橡胶塞，就能形成另一种压力差的产生形式，如图2所示。

图2 表面张力测定的另一种连接方式

在授课时，教师按照讲义装置讲解实验原理，并提示在调压装置部分增加一个带弯管的橡胶塞，改变气路的连接方式，也可进行同样的测定。对于率先连接好并解释清楚理由的实验小组，给予实验操作加分。这种激励性的教学方法极大地引发了学生的好奇心和探索欲望，看似简单的连接，未能很好理解教师所讲解的测定原理的学生，会出现各种连接错误，有的连接使毛细管内压力减小，有的使样品管内溶液上方的压力增大，出现被测液体沿着毛细管上升甚至喷出的现象。然而，真正弄懂原理的学生会很快连接成功，并能够清楚地解释连接的理由。通过这种方式，学生不仅加深了对最大气泡法测定溶液表面张力原理的理解，还会在好奇心驱使下对被测溶液进行两种连接方式下的测定，并对数据进行比较。

这种激发学生认知冲突的实验教学设计，虽然只是依据实验装置的可开发性，增加一些简单的创新元素，但对于激发学生的探索欲望，增强学生对仪器功能和使用方法的训练，培养学生的设计思考能力和比较判断能力，都具有非常好的促进作用。