应用化学专业物理化学综合实验的设计与实践

杨冬梅 刘敏 王军

［摘 要］东北大学在实验课程建设中，针对应用化学专业开设了物理化学综合实验。东北大学的物理化学综合实验项目均来源于教师的科研成果。文章介绍了东北大学物理化学综合实验的组织与实施方法。通过参与物理化学综合实验，应用化学专业的学生可以了解当前的研究热点以及大型仪器的使用方法和现代分析测试技术，提高了自身的动手能力，培养了科研兴趣。

［关键词］应用化学专业；物理化学；综合实验；设计

［中图分类号］ G642.423 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 2095-3437（2022）09-0138-03

作为化学的一个重要分支学科，物理化学学科涉及的知识范畴十分广泛。物理化学课程也成为化学、应用化学、生物化学、材料科学、冶金、资源与环境、能源、采矿等理工科专业的主要基础课程[1]。而物理化学实验则是物理化学课程的重要组成部分，是对学生实际操作能力、运用物理化学理论知识解决实际问题能力的训练，对培养学生的科学研究能力和实践创新能力具有重要作用[2]。

不同的本科专业对物理化学课程内容要求的侧重点不同[3-5]。因此，在教学实践过程中，在对课程基本内容进行充分讲授的基础上，我们会根据不同专业的特点设计不同的实验内容，开展差异化教学，并设计了满足不同专业需求的综合性物理化学实验项目。同时，前沿科研知识的引入也可以帮助学生了解物理化学学科的研究现状和未来发展趋势、拓宽知识面，并使学生具有积极探索未知科学领域的精神。下面就介绍我们近年来针对东北大学应用化学专业特点所进行的物理化学综合实验的设计与实践。

一、开展物理化学综合实验教学的意义

东北大学应用化学本科专业人才培养计划明确要求本专业学生应接受系统的科学思维培养和科学研究训练，具有扎实的化学学科专业知识、实验实践技能、一定的工程技术知识以及在实践中分析和解决问题的能力，成为高素质综合型人才。而实验教学是培养大学生实践能力和创新能力非常重要的一个环节，是让学生将所学的理论知识运用到实践中的重要手段。因此，在帮助学生掌握化学各个分支领域理论知识、提升其化学素养的同时，我们也致力于锻炼学生的化学实验技能、培养其科学研究能力和创新精神。应用化学专业的学生在经过无机化学及实验、分析化学及实验等化学基础课程和专业基础课程的学习后，应通过物理化学综合实验的训练强化他们对前期所学理论知识的理解并提升其理论结合实际的能力。

目前，东北大学面向应用化学专业开设的物理化学实验一共有80学时，其中40学时是我们耳熟能详的经典的验证性实验，例如“酸碱反应中和热的测定”实验、“量热法测定萘的燃烧热”实验、“液体饱和蒸气压的测定”实验，等等。另外40学时是研究性实验，例如“电化学法测定化学反应的热力学函数”实验、“气泡最大压力法研究溶液界面上的吸附作用”实验、“表面活性剂临界胶束浓度的测定”实验，等等。上述实验内容可以满足应用化学专业学生在物理化学理论课程学习过程中对相关实验内容的基本要求。在此基础上，我们还开设有24学时的物理化学综合性实验，以达到培养高素质综合型人才的要求。因此，应用化学专业的学生在完成80学时的物理化学实验后，可根据个人兴趣参加若干物理化学综合实验项目。这种综合性实验训练不仅可以加深学生对物理化学理论知识的理解、提高学生的实验操作技能，还可以帮助学生学会使用多种专业软件处理实验数据的方法，同时学生还有机会学习使用一些现代化的大型科学仪器设备，为今后的职业生涯奠定基础。

二、物理化学综合实验的设计

（一）设计的总体思路

针对目前社会对研究型、复合型化学人才的需求，我们将物理化学综合实验的设计重点定位在前沿性和创新性两个方面。实验项目的设置要既能反映学科前沿领域的研究进展，又能使学生接触到先进的物理化学理论研究和实验技术方法，从而达到开阔学生视野、启发学生思维、提升学生研究和解决问题能力的目的。

实验内容则以“物质的制备—结构表征—性能测试”为主线，尽可能地涵盖物理化学学科内相关领域的知识与技术，并将无机化学、有机化学、分析化学、仪器分析中的相关知识融合到物理化学综合实验中，以提高化学各个分支学科领域之间的关联度，使学生对所学知识能够融会贯通，从而增加学生学习兴趣，提升学生综合运用化学知识的能力。

（二）物理化学综合实验的设计实例

根据化学实验中心现有的仪器设备及实验条件，经过充分分析和论证，我们将化学系教师当前的科学研究成果成功运用于物理化学综合实验中，所选择的实验项目尽可能地体现化学各研究方向的热点、前沿和不同学科的交叉领域，先后设计完成了“纳米氧化锌的制备及其光催化作用的测定”“聚苯胺的制备、表征及性能测试”等大型物理化学综合实验。这些综合实验项目分别包含若干个子实验项目，内容涉及物质的合成、先进测试仪器的使用、产品性能表征、实验结果处理方法等。

在物理化学综合实验项目的选择上，除了要体现实验内容的综合性，还要尽可能多地考虑实验方法的多样性，尽可能采用不同的实验方法完成同一个实验，以开阔学生视野，培养其运用发散的思维方式分析问题、解决问题的能力。例如在“聚苯胺制備”实验中，可以采用电化学法，也可以采用化学氧化法合成聚苯胺，还可以鼓励学生用溶液法和微乳液法尝试合成，启发学生从不同角度思考解决问题的方法，并尽可能地将所学知识融合在一起。

表1列出了东北大学理学院化学实验中心近10年来针对应用化学专业学生开设的化学综合实验项目。学生可以根据兴趣选做其中的1～2个实验。随着科技的进步，科学热点不断涌现，学生的兴趣也在不断发生变化。如果选做某一个实验项目的学生人数过少，则该项目不能开设；如果实验项目连续两学年没有足够多的学生选择，则会逐步被淘汰。为了给学生更大的选择空间，也为了让学生对科研进展有更多的了解，实验中心根据教师的科研项目不断调整更新综合实验项目，比如我们还将开设“室温氢气传感器的制备及性能测试”实验，这个实验以二氧化钛纳米管和钯修饰的二氧化钛纳米管作为气体传感器，让学生了解半导体气体传感器的检测原理，并掌握传感器性能评价标准。通过这个实验，学生对氢气这种新兴能源材料的存储和利用过程中的高效检测有了一定的了解。

三、物理化学综合实验课程的组织与实施

（一）实验前

实验开始前，学生需在教师的指导下，根据所选综合性实验项目独立查阅相关文献资料，了解实验研究的相关背景、意义、原理、实施的可能性，以及国内外的研究现状，在规定时间内写出完整的实验预案；与实验指导教师讨论具体的实施方案以及预想的难点，指导教师根据学生的选题引导学生尽可能地完善实验细节，并对实验预想的难点提出解决方案。物理化学综合实验的实验项目由一系列的小实验项目组成，每一个小实验项目的顺利完成与否，关系到下一个实验项目的顺利开展与否，指导教师应鼓励学生尽量多地构想解决问题的办法，以保证整个实验项目能顺利完成。

（二）实验中

在大型综合实验中，应培养学生团队合作能力，鼓励学生进行实验的多参数设计，协作完成实验任务。比如不同的实验小组根据拟定的实验方案进行化学制备，制备目标产物可以为同类、不同原料配比的材料。实验过程中，学生作为实验的主体，要根据前期准备的实验方案独立完成实验，不能过分依赖指导教师。而指导教师是实验的引导者，要引导学生独立分析并解释实验现象，还应培养学生良好的实验习惯，对选择的实验方法、所用的试剂及实验仪器、实验现象等要准确记录，引导学生根据实验结果得出正确结论，这样即使某一实验步骤失败，也能根据实验记录查找失败原因，总结经验教训。

另外，指导教师虽然不应对学生的实验干涉过多，但应时刻关注学生的实验过程，在学生的实验过度偏离预期时适当提醒。指导教师应把常规的讲授式教学方式转变为启发式教学方式，对学生的实验不能管得过细，要从实验的大方向上进行把握，启发学生用多种方法完成实验，让学生有足够的发挥空间，从而提高学生的科研兴趣，培养学生的创新能力。

（三）性能测试

学生在实验前务必参加各种大型仪器设备使用的培训，以充分了解仪器的测试原理和基本操作规程，并在指导教师的指导下完成仪器设备的操作以及材料性能的表征，并对表征结果进行综合分析。学生通过物理化学综合实验，可以掌握一些现代化大型仪器的基本操作，并对现代表征测试技术和手段有初步了解，为以后进一步的学习和科研工作打下基础。

（四）实验后

实验结束后，要求学生提交实验总结报告。物理化学综合实验的实验报告摒弃了包含目的、原理、步骤、数据处理、思考题等传统实验报告要求的内容，而是按照学术报告的书写要求完成。报告要求对实验过程中的物理化学性能数据进行充分的分析和解释，鼓励不同的小组之间根据实验过程中发现的现象、出现的问题以及实验结果进行讨论，引导学生对实验项目进行主动拓展，培养学生初级的科学研究能力，增强学生利用现代科学技术手段获取信息的能力，提升学生综述实验方案和评价实验结果的能力以及創新意识。同时，使学生对科研论文的写作有一定的了解，也为即将进行的毕业论文的写作打下基础。

（五）综合实验评价标准

传统的物理化学实验评分标准主要采取教师评价的方式，指导教师根据学生上交的实验报告完成情况给出实验成绩。传统教学模式下的学生实验报告大多照抄实验讲义中的原理、步骤等内容，很难体现学生的操作能力及在实验中的表现，对学生实际能力和综合水平的判定有一定的局限性。物理化学综合实验主要是培养学生的科研能力，因此不应以实验结果作为考核评价的唯一标准，而是要根据学生的实验设计和研究能力以及报告内容的完整性、综合性、创新性和学生的实验操作技能给予综合评价。科学、公正的评价体系，不但可以全面准确地评价学生的综合能力，而且可以充分调动学生的学习兴趣，使学生不只关注实验结果，而更重视实验过程。

四、开设物理化学综合实验取得的成果

通过参加物理化学综合实验，应用化学专业学生的实验技能明显提高，其创新意识和能力也显著提升，同时激发了学生的科研兴趣，申请参加大学生创新实验的学生人数逐年增加，指导毕业设计的教师普遍反映毕业生的科研能力显著提升。近年来，从大量本科生就业后反馈的信息看，多数毕业生在各自的工作岗位上都表现出较强的研究创新能力，他们较强的基础知识应用能力和较高的实验动手能力以及敏锐的科研创新意识得到了用人单位的充分肯定。

五、结语

随着科技的发展，各种科学研究热点不断涌现，传统的物理化学实验项目已不能满足应用化学专业学生的学习和未来发展的需要。依托教师最新的科研成果，开设新的大型综合性实验项目势在必行，这也符合教育部在全国普通高校本科教学工作审核评估中强调的“科研成果反哺教学”的精神。我们在物理化学实验教学改革过程中，通过针对应用化学专业开设的物理化学综合实验，将前沿科技与教学相融合，使学生充分了解到了化学新材料的制备方法、物理化学性质以及结构表征测试手段等内容，同时也使学生有更多的机会了解一些先进仪器设备的使用方法和现代表征测试技术。这种在物理化学综合实验教学中增加学科前沿领域研究成果的创新性尝试，不仅符合东北大学应用化学专业人才培养目标的要求，也满足了社会对研究型、复合型化学人才的需求。

［ 参 考 文 献 ］

[1] 秦鹂，毛晓明，李慧，等.基于能力培养的物理化学综合设计型实验教学改革策略[J].广东化工，2020（15）：215-216.

[2] 杨冬梅，王军.物理化学实验教学改革的总体设计及实践[J].高等理科教育，2008（6）：103-105.

[3] 王军.对大学物理化学课程教学的思考[J].教育进展， 2013（3）：13-16.

[4] 王军， 杨冬梅， 霍玉秋.创新型人才培养模式下的物理化学教学研究与改革[J].大学教育， 2015（5）：99-101.

[5] 杨冬梅，王军.应用化学专业物理化学实验课程设置改革[J].大学教育，2016（2）：145-147.

［责任编辑：钟 岚］