高校物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革研究

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[摘要]高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)承擔(dān)著創(chuàng)新人才培養(yǎng)的重要任務(wù)，但在教學(xué)實(shí)踐中，普遍存在著實(shí)驗(yàn)內(nèi)容單調(diào)、教學(xué)手段單一、實(shí)驗(yàn)廢棄物排放過(guò)多等突出問題，亟待進(jìn)行改進(jìn)。隨著高校物理化學(xué)教學(xué)改革地深入推進(jìn)，高校物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)應(yīng)向綠色化、綜合化、特色化、科技化這四個(gè)方向改進(jìn)，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，突出專業(yè)特色，改進(jìn)教學(xué)方式，不斷提升高校物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量和創(chuàng)新人才培養(yǎng)水平。

[關(guān)鍵詞]物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)；改革；綠色化；綜合化；特色化；科技化

高校物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)是一門重要的化學(xué)基礎(chǔ)學(xué)科，在鞏固加深物理化學(xué)理論課程中概念和理論的理解方面有著重要作用。中國(guó)海洋大學(xué)是一所具有海洋特色的綜合性學(xué)校，涉海學(xué)科一直是我校特色優(yōu)勢(shì)化學(xué)科，如何結(jié)合當(dāng)代藍(lán)色經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求，將海洋特色和各專業(yè)特色融入到目前實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容當(dāng)中，豐富實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，一直是我們實(shí)驗(yàn)教學(xué)隊(duì)伍的研究?jī)?nèi)容。我校物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程是一門理工學(xué)科的基礎(chǔ)科目，主要面向化學(xué)、化工、藥學(xué)、材料、生物、食品、環(huán)境等相關(guān)專業(yè)，學(xué)科覆蓋面廣、交叉滲透日益突出。但在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容目前也普遍存在驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)偏多、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)少，以及實(shí)驗(yàn)內(nèi)容缺乏靈活與創(chuàng)新、實(shí)驗(yàn)試劑毒性大等問題。因此按照高校對(duì)創(chuàng)新人才培養(yǎng)的目標(biāo)要求，并考慮到學(xué)時(shí)少實(shí)際情況，有必要對(duì)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容和方法上進(jìn)行調(diào)整，將綠色化、綜合化、特色化和科技化理念注入目前物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，深化實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容改革，此舉將有助于提升物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量和創(chuàng)新人才的培養(yǎng)。

1物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)的綠色化改進(jìn)探索

開展“綠色化”物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)建設(shè)既是教學(xué)改革的重要內(nèi)容，也是新時(shí)代化學(xué)教學(xué)面臨的一個(gè)嶄新課題。長(zhǎng)期以來(lái)在完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)的同時(shí)，我們普遍對(duì)實(shí)驗(yàn)廢棄物的排放關(guān)注不夠，必須集中收集處理，或者經(jīng)過(guò)無(wú)害化處理才能排放。因此，對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行改進(jìn)、實(shí)現(xiàn)綠色化物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)是養(yǎng)成學(xué)生良好實(shí)驗(yàn)習(xí)慣，培養(yǎng)學(xué)生環(huán)保意識(shí)的重要途徑[1]。充分考慮化學(xué)試劑和實(shí)驗(yàn)產(chǎn)物毒性的前提下，在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容方面，我們可以精選物理內(nèi)容，將含苯含汞的試劑替換掉。例如雙液系相圖實(shí)驗(yàn)中用環(huán)己烷-乙醇體系來(lái)代替毒性大的苯-乙醇體系；燃燒熱測(cè)定實(shí)驗(yàn)中，用肉桂酸、葡萄糖、自制固體酒精、蔗糖等物質(zhì)來(lái)代替萘[2-5]；在實(shí)驗(yàn)方式上，開展半微量化實(shí)驗(yàn)，減少藥品用量、降低廢棄物的排放，縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)間；在測(cè)量技術(shù)上，增加儀器現(xiàn)代化水平，用壓力傳感器代替U型管水銀壓力計(jì)、數(shù)字式精密溫度控制儀代替含汞的貝克曼溫度計(jì)[6]都是降低實(shí)驗(yàn)室污染，實(shí)現(xiàn)綠色教學(xué)的有效方法。

2物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)的綜合化改進(jìn)探索

現(xiàn)在的物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)中多為驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)。驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驅(qū)⒄n本理論具象化，加深學(xué)生對(duì)現(xiàn)有抽象概念的認(rèn)知。但目前的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容相對(duì)獨(dú)立，沒有形成一個(gè)綜合的、整體的、連貫的知識(shí)體系。因此我們需要在驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上增加綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目來(lái)體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的復(fù)合性和實(shí)驗(yàn)方法的多元性。綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)是針對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式而提出的，將傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行模塊化整合，涉及多個(gè)知識(shí)點(diǎn)或研究方法，讓學(xué)生在現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)條件下將不同的知識(shí)點(diǎn)集合在一起，達(dá)到全面、綜合的培養(yǎng)目的。通過(guò)貫通整個(gè)物化課程學(xué)習(xí)階段的綜合型實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生加深對(duì)物理化學(xué)基本原理和基本知識(shí)的理解和掌握。我們可以一種物質(zhì)為主線，在這種物質(zhì)的物理化學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)中把熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)和催化反應(yīng)等理論知識(shí)關(guān)聯(lián)起來(lái)，將多種實(shí)驗(yàn)方法整合，系統(tǒng)化、一體化。例如，旋光法測(cè)蔗糖轉(zhuǎn)化反應(yīng)速率常數(shù)是動(dòng)力學(xué)的一個(gè)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)。在原有基礎(chǔ)上我們可以啟發(fā)學(xué)生從簡(jiǎn)單的測(cè)量表觀速率常數(shù)擴(kuò)展到研究溶液混合順序、催化劑濃度對(duì)催化速率的影響等方面[7]，從內(nèi)容和方法上豐富這個(gè)動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立開展實(shí)驗(yàn)的能力。此外蔗糖還可應(yīng)用在恒容量熱法燃燒熱的測(cè)定、冰點(diǎn)下降法測(cè)摩爾質(zhì)量[8]等實(shí)驗(yàn)當(dāng)中。如此一來(lái)蔗糖在物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的使用既實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的綠色化發(fā)展，又能夠加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)的綜合性和探索性，還能讓學(xué)生形成一體化、連貫性的知識(shí)體系，培養(yǎng)學(xué)生綜合性實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>

3物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)的特色化改進(jìn)探索

雖然物理化學(xué)是一門基礎(chǔ)學(xué)科，但食品、藥學(xué)專業(yè)對(duì)化學(xué)知識(shí)需求與化學(xué)專業(yè)是有差異的，千篇一律的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)不能充分調(diào)動(dòng)起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，很多學(xué)生會(huì)產(chǎn)生一種所學(xué)內(nèi)容與自己專業(yè)無(wú)關(guān)的這種假象。因此在改革過(guò)程中，應(yīng)不斷創(chuàng)新、優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，結(jié)合專業(yè)特色突出教學(xué)重點(diǎn)。一方面，根據(jù)各專業(yè)特點(diǎn)與需求，選開或更新相應(yīng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。對(duì)食品和藥學(xué)專業(yè)開展的實(shí)驗(yàn)中，我們可選用食品或藥學(xué)工業(yè)原材料與試劑，解決實(shí)際問題。例如針對(duì)藥學(xué)或制藥工程專業(yè)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，化學(xué)動(dòng)力學(xué)部分實(shí)驗(yàn)對(duì)象可以由原來(lái)的蔗糖水解調(diào)整為測(cè)定某種藥物分解速率及影響反應(yīng)的因素，進(jìn)而建立動(dòng)力學(xué)模型。這樣既可以使學(xué)生感到物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)不僅僅是為物理化學(xué)課程開設(shè)，而是為提高本專業(yè)所需要的技能或?qū)嶒?yàn)技術(shù)開設(shè)，還能使學(xué)生切實(shí)感受到物理化學(xué)課程的重要性和實(shí)用性，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理化學(xué)的積極性[9]。第二方面，了解當(dāng)前科研及應(yīng)用領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)熱點(diǎn)將科研難題剝離出來(lái)，化簡(jiǎn)去繁，融入化學(xué)類基礎(chǔ)的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)當(dāng)中。比如，我校物理化學(xué)教學(xué)團(tuán)隊(duì)在極化曲線的測(cè)定實(shí)驗(yàn)中，將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)一步擴(kuò)充，結(jié)合電化學(xué)專業(yè)知識(shí)、海洋金屬材料防腐和海洋能源開發(fā)進(jìn)行特色教學(xué)相結(jié)合，既保證化學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)的傳授，又強(qiáng)調(diào)了本校海洋專業(yè)特色，將實(shí)驗(yàn)教學(xué)提升到具體科研實(shí)踐和技術(shù)開發(fā)過(guò)程[10]，全面提高了學(xué)生自主創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)。

4物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)的科技化改進(jìn)探索

強(qiáng)化基礎(chǔ)教育是本科教育的核心，具備了扎實(shí)的基礎(chǔ)才能有潛在的自我發(fā)展能力。寬廣的基礎(chǔ)知識(shí)需要基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證和支撐，受設(shè)備資源、學(xué)習(xí)空間及學(xué)時(shí)限制，高校物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)開設(shè)情況不能完全實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性、全面性。如今信息技術(shù)與課程教學(xué)深度融合，大規(guī)模的在線教育實(shí)踐使課堂得以延伸，不再受空間的約束。雨課堂、Bb平臺(tái)，Classin平臺(tái)的應(yīng)用為防控疫情期間的正常教學(xué)提供了有力的保障[11]。上線線下混合式的教學(xué)加速了未來(lái)教育網(wǎng)絡(luò)常態(tài)化轉(zhuǎn)變。在教學(xué)方法上，通過(guò)充分利用多媒體教學(xué)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)資源等開展虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)，能夠彌補(bǔ)大型儀器設(shè)備學(xué)生不能親自動(dòng)手、復(fù)雜實(shí)驗(yàn)不能在短時(shí)間內(nèi)完成的局限。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)一般具有真實(shí)，交互，顯隱，廣用等幾個(gè)特點(diǎn)[12]。仿真實(shí)驗(yàn)的軟件界面高度模擬真實(shí)實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)景，逼真豐富的實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備和材料可供學(xué)生自己動(dòng)手配置、連接、調(diào)節(jié)。軟件還包含自學(xué)、考核模式，可供學(xué)生自學(xué)及測(cè)試掌握實(shí)驗(yàn)的程度，良好的人機(jī)交互性不僅消除對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器的陌生感還達(dá)到了提前預(yù)習(xí)的效果。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)還可供“觀察”宏觀和微觀世界，顯示溫度場(chǎng)、電場(chǎng)、磁場(chǎng)等隱性不可見部分，模擬極限壓力操作等真實(shí)系統(tǒng)中不允許或極難推進(jìn)等危險(xiǎn)條件，很好地加深學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)概念的感知和認(rèn)識(shí)程度，提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。

5小結(jié)

物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革是一項(xiàng)復(fù)雜的長(zhǎng)期的任務(wù)，在實(shí)際教學(xué)中要靈活把握經(jīng)典與現(xiàn)代、基礎(chǔ)與前沿的關(guān)系[13]，加大綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的比例，有的放矢的改進(jìn)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。與此同時(shí)，將綠色化學(xué)的教育理念融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)和管理中，將虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的工具與手段服務(wù)于本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)，提高教學(xué)效果，培養(yǎng)優(yōu)秀人才。

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作者：張巖 高先池 周立敏 單位：中國(guó)海洋大學(xué)