物理化学实验室运行中的几个问题

[摘 要]在物理化学实验室的运行中有不少值得改进和探讨的地方。文章从实验误差、仪器精度、强度性质实验、线上线下教学和实验室效率等五个方面指出物理化学实验室运行中存在的问题，并给出了可行的解决方案，希望对物理化学实验的教学有所助益。

[关键词]物理化学实验;实验改进;教学方法

[基金项目]2016年江苏省高校自然科学研究面上项目“中空微纳氧化铟基的高性能QCM气体传感器研究”（No.16KJD150003）

[作者简介]范国康（1974—），男，江苏扬州人，博士，讲师，研究方向为材料物理化学。

[中图分类号] G642.8[文献标识码] A[文章编号] 1674-9324（2020）46-0-02[收稿日期] 2020-10-04

物理化学与无机化学、分析化学、有机化学并称四大基础化学，其理论性强，学习起来比较困难。为了达到理论联系实际的目的，许多学校开设了物理化学实验课程[1-4]，以加深学生对物理化学知识的理解和应用。基于多年来物理化学和物理化学实验的教学工作，发现在物理化学实验室的运行中有不少值得改进和探讨的地方。本文将在实验误差、仪器精度、强度性质实验、线上线下教学、实验室效率等五个方面对此进行讨论。

一、实验误差问题

不少物理化学实验书中[1-4]会讲述实验误差相关知识，比如绝对误差和相对误差、精密度和精确度、误差传递等。对于实验误差通常要求越小越好，包括实验的改进，也同时追求误差小和精度高。但是，本科物理化学实验中，每个步骤是否误差越小越好呢？通常老师和学生对于这一问题是忽视的。例如，用电子天平进行的称量实验，有时要求精确到0.1mg，有时则精确到0.1g即可。如何根据实验来选择合适误差，通常只要知道实验的总误差和最大误差的来源，学生即可选择每一步所允许的误差。实验中的最大误差类似于动力学中的决速步或速控步，只要降低了这一误差，实验整体的误差将大大降低。正如4×100接力赛跑，只要提高最慢人的速度，成绩就会明显提高一样。所以，作为实验老师首要明确每个实验的最大误差来源，并告知学生重视这一误差，才有可能让学生实验的误差有效变小，而不是简单要求学生每一步都做到误差最小，这不仅浪费了学生大量时间，也没有抓住教学的重点。

二、仪器精度问题

实验室常用仪器精度对实验结果具有很大影响。选择合适的仪器精度是物理化学实验能否成功的重要环节。考虑到物理化学实验的开设已经很久了，所以目前常用仪器的精度基本已经确定。那么，如何在仪器确定的情况下，進一步提高精度呢？一般可以从两个方面来进行，即软件法和附件法。软件法的案例，比如在燃烧热的测定实验数据处理过程中引入雷诺校正，这样不管氧弹量热器有无漏热现象，实验精度均会有所提高。附件法是本文全新提出的一种方法。众所周知，在物理化学实验中会用到许多必须垂直读数的仪器，比如滴定管、量筒、乌氏粘度计等。没有附件时，由于每个人对垂直的要求不同，因此读数的结果会相差很大。如果绑定一个气泡仪与仪器相垂直，那么每个人就有了相同的标准，读数精度也将大大提高。

三、强度性质实验问题

在物理化学实验中，对于试剂的消耗是非常大的。这些被消耗的试剂最终会流入周边环境。为了从源头上减少污染，我们尝试对基于强度性质检测的六个物理化学实验，即原电池电动势的测定、金属钝化曲线的测定、氯化锌溶液活度系数的测定、溶液法测定离子迁移数、乙酸乙酯的皂化反应（电导法测反应速率常数）以及测定极性分子的偶极矩等实验，进行了微量化改进。基于强度性质与物质的量的多少无关的特点，这种改进在理论上不会对实验精度产生不良影响。实际改进后，不仅大大减少了试剂的用量，实验结果也比较理想，实验操作则更为方便。具体而言，对于原电池电动势测定实验的改进，在不同的温度下，改进后的电极和整个电池装置均工况良好，测量值与计算值间的相对误差小于1%。 改进后的装置不但克服了原装置的不足，且每人次可减少30ml左右的试剂用量，实验的稳定性和准确性都比较理想。对于金属钝化曲线的测定实验的改进，将减少药品用量的实验数据和正常情况下的实验数据进行对比发现，减少药品用量可以正常测定金属的钝化曲线，并且Final E（V）=1.7，扫描速度为0.01V/s最为合适，每人次实验减少30ml左右的试剂用量。对于氯化锌溶液活度系数测定实验的改进，改进后的电极和整个电池装置使用正常，各ZnCl2溶液构成的原电池电动势的测量值与计算值间的相对误差均小于0.5% 。每人次实验减少达50ml试剂。对于离子迁移数的测定的改进，改造后的迁移管达到了减少试剂用量的目的，所测数据与文献标准值误差在0.5%左右，所以方案可行。每人次实验至多可减少20ml试剂用量。对于乙酸乙酯的皂化反应实验的改进，通过对实验装置的改变所测的实验结果与标准值的相对误差小于0.5%，并且本装置工况良好，改进方法可行。同样，每人次实验减少20ml试剂用量。对于溶液法测定极性分子偶极矩实验的改进，改进后的结果与标准值相对误差小于0.5%，所以减少试剂的用量同样可以得到我们需要的实验结果。每人次实验至少减少20ml试剂用量。通过这一系列的实验改进，每轮实验的试剂用量将得到良好控制，极大地减轻了实验对环境的压力。

四、线上线下教学问题

在通常的实验教学中，老师在实验室向学生讲解实验的原理、步骤和注意事项等，然后直接进行物理化学实验。这一模式的可取之处在于学生对实验仪器能有个现场的感知，因此相对比较容易理解。特别是在学生认真预习的前提下，效果是比较明显的。但是，受疫情和不断减少的实验课时的影响，如果仍选择这种模式会造成人员聚集，显然不利于防疫。那么选择纯线上教学物理化学实验，显然又不科学。综上所述，线上线下相结合才是当前合适的实验教学方式，即老师线上理论学习，并在线上进行仿真操作，然后再到实验室进行实际操作，这样既减少了实验课时，又避免了过多的人员聚集。不管从哪方面看，均不适为明智的选择。

五、实验室效率问题

提高实验室效率是大家都很关心的问题。科技以人为本，提高效率也要以人为本。实验室中的人，无非是学生、老师和实验员，因此从三者关系入手，分析如何更好地提高效率。首先，学生是老师和实验员服务的对象。学生主观上需要理解实验的目的、步骤和注意事项，特别是仪器的正确使用;客观上要服从老师和实验员的要求。以实验登记来说，我们要明确学生的主要目的是做实验，因此有必要简化登记过程。可以设想引入二维码方式，只要扫码即完成登记，没必要每次都写一些重复而冗长的文字。老师如何提高效率呢？通常一个老师需要服务多位学生;因此，有主次地去帮助和发现学生的问题非常必要。正如医生治病一样，危重病人优先，慢性重病者其次，轻症者最后。如何才能做到有主次，这就要求老师对实验过程要有很好的把控。老师间的交流非常重要，大家討论后得出统一的标准，就可以按部就班地解决问题了。实验员要同时服务于学生和老师，他们不仅要提供实验仪器和药品的保障，在老师不方便时，也要指导学生，这类似于医院护士的工作，同样需要分清主次。通常一位实验员要负责多个实验室，为了方便了解每个实验室的实况，可在每个实验室安装实时监控，以便及时发现问题，做到主动服务和防患于未然。

参考文献

[1]北京大学化学系物理化学教研室.物理化学实验（修订本）[M].北京：北京大学出版社，1985.

[2]崔献英，柯燕雄，单绍纯.物理化学实验[M].合肥：中国科学技术大学出版社，2000.

[3]孙尔康，徐维清，邱金恒.物理化学实验[M].南京：南京大学出版社，1998.

[4]广西师范大学等五校合编.物理化学实验[M].桂林：广西师范大学出版社，1987.

Abstract： In the operation of physical chemistry laboratory， there are many points worthy of improvement and discussion. In this paper， we point out some problems in the operation of physical chemistry laboratory from five aspects： experimental error， instrument precision， strength property experiment， online and offline teaching and laboratory efficiency， and put forward some feasible solutions， hoping to be helpful to the teaching of physical chemistry experiments.

Key words： physical chemistry experiment; experiment improvement; teaching method