物理化学实验教学改革的探索与实践

陈素艳，林郑忠，欧光南，王 力，王迎迎

(集美大学食品与生物工程学院，福建 厦门 361021)



物理化学实验教学改革的探索与实践

陈素艳，林郑忠，欧光南，王 力，王迎迎

(集美大学食品与生物工程学院，福建 厦门 361021)

结合物理化学实验教学中存在的问题，针对实验课程的优化、实验教学方法的改进、实验考核制度的完善等方面进行探索与实践。尝试通过建立物理化学实验课外学习网站来合理分散实验教学内容，精选实验项目并改进实验条件和优化实验方案实现课程优化。严格规范实验要求，采用实验报告与小论文相结合的方法评价学生的实验结果。对激发学生学习物理化学实验的兴趣，引导学生自主学习并掌握实验技能，培养学生分析问题和解决问题的能力、提高教学效果有重要的积极意义。

物理化学实验；课程优化；教学改革

物理化学实验是集美大学食品与生物工程学院食品工程、环境工程和生物工程专业的基础实验课，是继无机化学实验、分析化学实验、有机化学实验和普通物理实验等前修课后的一门基础综合实验课。物理化学实验具有理论性强、仪器设备多、涉及知识面广等特点[1]。其教学目的是让学生加深理解物理化学基本原理，提高学生对相应知识的关注应用能力，学会科学使用仪器、选择合适的实验条件、根据所学原理并结合文献检索独立设计或改进实验。同时训练学生观察实验现象、正确记录和处理数据、分析实验结果的能力，培养学生综合科学实验能力与技能[2-4]。

近年来，由于专业设置的调整，基础课程学习时间不断地压缩，物理化学实验课时数也相应地减少，在实验次数少的情况下如何保证实验训练的效果，在现有的实验条件下如何改进实验，达到良好的实验结果，是亟待解决的问题。

笔者结合学院的实际情况，对现有的物理化学实验进行实验课程优化、改进实验教学方法、完善实验考核制度等问题进行探讨。以激发学生学习物理化学实验的兴趣，引导学生自主学习并掌握实验技能，对提高教学效果有重要的积极意义。

一 精选实验项目、改进实验条件、优化实验方案

(一)精选实验项目。集美大学生物工程学院属于工科类院校，主要是培养能在相关的领域中从事运行管理、产品开发、科学研究等方面工作的复合型高级工程技术人才。因此，培养学生创新和实践能力是实验教学的主要目标。依据专业的需求和物理化学课程内容对培养本科生的基本要求，多方面考虑理论知识的涉及面，调整了实验教学内容。选取了热力学、动力学、电化学、胶体与界面化学等具有代表性的实验。如热力学选择“双液系的气液平衡相图” 实验；动力学选了“Ag+催化S2O82-和Cr3+反应的动力学”实验；电化学选择“电导法测定乙酸乙酯皂化反应速率常数”实验；胶体与界面化学选择“硅胶的制备”实验等等。这些实验对学生的思维能力、动手能力、创新能力等综合素质的培养具有针对性的作用。

(二)优化实验方案。精选实验的同时，对某些实验进行改进，优化了实验方案。如“双液系的气液平衡相图”实验，传统做法是选择苯-乙醇双液体系，实验效果较为理想，但苯在加热时挥发性强、毒性大、对人体的危害大，环境污染较为严重。尝试曾用丁酮代替苯，虽然丁酮的毒性弱，但是作出的双液系相图不是很理想，后来又改用环己烷代替丁酮，得到很好的双液系相图，并且环己烷对环境的污染很小。此外还采用“连续加入法”，即在沸点仪中加入环己烷(乙醇)，再逐次加入另一组分乙醇(环己烷)，使其浓度逐渐增加。该法和传统的方法比较，节约了大量试剂。实验结束后进行废液回收，回收液用来清洗含有油脂的玻璃器皿。还有，在“Ag+催化S2O82-和Cr3+反应的动力学”中确定Cr3+工作波长时把溶液量由25ml减为10ml。这样在保证实验教学效果的前提下减少化学药品的用量，也减少了药品对环境的污染，实验过程中渗透了绿色化学和环境保护教育，树立化学实验绿色化理念[5]。

(三)改进实验器材。在“电导法测定乙酸乙酯皂化反应速率常数”实验中，一般选用双管电导池为反应容器，但其具有如下缺点：第一，它的主体结构是两根玻璃直管，底部通过一根细玻璃弯管连接，在使用过程中细玻璃管极易断裂。第二，双管电导池中的管口过于细小，常使电极卡在管中，不易取出，容易导致细管断裂或电极头损坏。第三，在将两种溶液混合时，需要用洗耳球挤压A管，将A管中的溶液压入B管中，混合时间较长，且容易将溶液倒吸入洗耳球中，导致测试数据不稳定。第四，整个实验前后有8种溶液需要预热，只用电导池做实验要花很长的时间。因此，改用两支大试管分别测定反应物的电导G0和产物的电导G∞，用叉形电导池测反应溶液的电导Gt。操作时测定G0、G∞的两支大试管和测Gt的叉形电导池同时在水浴锅中恒温，并加橡皮塞。这样做可以减少洗涤和烘干仪器的时间和恒温的时间。使用叉形电导池测Gt，只需将叉形电导池两管的溶液摇匀混合，无需使用洗耳球挤压。改进后的反应装置简单，操作非常方便，实验时间大大缩短，同时避免了双管电导池的弊端。测得的反应速率与文献值6.42dm3·mol-1min-1[6](在25 ℃下，氢氧化钠浓度，乙酸乙酯浓度均为0.02mol/L)基本一致。另外，让学生分组尝试，测定两种酯(乙酸乙酯、乙酸丁酯)的酯化反应在不同温度条件(25℃，35℃，45℃)下的反应速率和活化能，并进行比较和分析，从而在验证性实验增加了尝试性的内容。在实验教学目标上，强化展开性目的和表现性目标，构建新的实验教学评价观[7]。也使实验具有一定的设计性，提高学生分析和解决实验具体问题的能力及自主创新的能力[8](见图1，图2)。

图1 双管电导池示意图(改进前) 图2 叉形电导池示意图(改进后)

1.NaOH，2.CH3COOC2H5，3.电导电极，4.洗耳球 1.NaOH，2.CH3COOC2H5，3.电导电极

二 建立相应的学习网站，合理分散实验教学内容

传统的实验教学方法是课前教师先将原理、方法、步骤、注意事项等仔细讲述，学生按指导书和教师的要求，完成规定内容。实验内容多为验证性的，即实验结论没做之前就已经知道。这样的教学方法导致学生养成了不勤于思考的懒惰习惯，对学生创新能力的培养极为不利。还有，由于课程学习时间的缩短，很多实验过程所用到的知识无法在实验课中进行讲解。因此，实验中建立了相应课程的网站，合理分散了实验教学内容，极大地方便了教学，为学生提供大量的信息，大幅度提高教学效果[9]。课程网站里有物理化学实验教案、实验视频，学生可以在课余时间进入课程网站，观看实验教学录像，对实验形成基本的认识。学生有问题也可以在网站上留言，与教师相互交流。上实验课时就可以很快进入实验状态。课程网站还包括有关的实验安全知识、常用仪器(分光光度计、阿贝折射仪、电导率仪等)的使用方法、实验方法(温度计校正法)、方案设计(正交设计方法)、数据处理软件(如 Excel和Origin软件)。由于大部分物理化学实验得到的数据较多，如果通过坐标纸作图要花费很多时间和精力，绘制的图形也不美观。而用软件作图，可消除手工绘图的误差，图形清晰美观。所以，学生在课余时间掌握常用的数据处理软件是很有必要的。Excel具备完整的数据分析工具，其集文字、数据、图表和图形为一体，数据处理能力强，容易生成图表；Excel的操作简便，可用于物理化学实验数据的处理。我们在网站上着重介绍Excel的数值计算、图表制作、线性回归等功能。在实验过程中，学生可在获得实验数据后立刻处理数据，如在做“双液系的气液平衡相图”实验时，现场就可以通过Excel作出标准曲线(左)，通过二项式拟合得到回归方程和相关系数，并通过标准曲线绘制出平衡相图(右)，这样可以实时了解所测数据的准确性和可靠性，及时发现并纠正实验出现的问题(见图3)。

图3 学生用Excel做出的标准曲线(左)和相图(右)

三 严格规范实验要求，培养学生严谨的科学态度

要在实验过程中提高自己实际工作能力，学生必须勤于动手，开动脑筋，钻研问题，做好每一个实验。所以严格规范实验要求，具有重要的意义。

(一)课前充分预习。学生在实验前，必须利用课程学习网站充分预习，且预习报告在实验前须经指导教师审阅才能进行实验。预习内容包括了解实验的目的和原理，透彻理解实验设计的要领及意图，了解仪器的构造和使用方法，设计原始数据记录表等。

(二)操作规范。学生操作时安全问题应受到高度重视和警觉，学生必须严格按操作规程进行操作，不得随意更改，不会使用的仪器不得擅自乱试。有关的仪器装置和线路安装完毕后，须经教师检查无误，方能开始实验。

(三)实验记录。实验记录必须根据实验事实，真实完整地记录相关的操作和数据。每一页实验记录应该编码并记下实验日期、室温、大气压和温度、湿度等环境条件。若发现数据有异常情况，要及时报告教师。如果需要改正数据，只能在不正确的数据上划一条线，然后在原数据旁边写上正确的数据。不可涂黑或在原有的数据上改动，并在实验过程中寻找机会核对计算。这样做是十分有益的，因为实验过程中可能由于一个早期读数错误，或者某一个不正确的操作都会导致后期的实验徒劳无功，浪费时间和精力。

四 改革课程考试考核方法，实验报告与小论文相结合

(一)实验报告的设计。书写实验报告是实验课程的基本训练，它能提高学生在实验数据处理、作图、误差分析、总结规律等方面的能力。我们要求实验报告必须有封面(包括实验题目、日期、姓名和合作者)、内容(实验目的、原理、步骤和结果讨论)。学生在书写实验报告时应注意，报告应简明易懂，条件详备。报告的重点应放在对实验数据的处理和对部分结果的分析讨论上。

(二)实验报告与小论文相结合。以往在物理化学实验课程上采用的考核方法为“操作考察(60%)+实验报告成绩(40%)”。学生认为只要做了实验，得到结果，就是完成了任务，忽视了实验设计的思想，这样做不利于独立思考、创新能力的培养，很大程度上影响了他们把知识和技能向研究能力的转化。据此，提出了以“设计实验考试(40%)+平时实验操作(30%)+实验报告(30%)”作为物理化学实验成绩评定的方法。让学生重视实验设计，增强学习的主动性。如设计实验选用“硅胶的制备”，学生需要自主学习正交实验设计法，了解正交表试验方案的设计，选择溶液的pH值、二氧化硅含量、温度等三种因素考察对二氧化硅胶凝时间的影响，最后设计出实验方案。实验完毕后以小论文的形式提交实验报告。通过撰写小论文，学生可熟悉论文的格式，学会在网上查阅文献，教师通过小论文更好地了解学生动手能力及分析问题能力。通过小论文的撰写锻炼，逐步提高学生对论文结构的了解和掌握，锻炼了书写的表达能力，为大学四年级的毕业论文的写作打好基础。

通过对物理化学实验教学探索与实践，发现这种实验教学方法能明显激发学生学习物理化学实验的兴趣。学生在学习中注重了实验设计，也明白了研究能力和创新意识的重要性。实验教学改革涉及到教学过程的许多因素，仍需要研究者多方面、多层次的思考和努力。

[1]侯向阳，高楼军，李东升，等．物理化学实验教学改革实践与再思考[J]．实验室研究与探索，2006，25(11):1423-1425.

[2]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，1998：1-2.

[3]郑传明，吕桂琴．物理化学实验[M]．北京: 北京理工大学出版社，2005：1.

[4]复旦大学．物理化学实验[M]．北京: 高等教育出版社，2004：1.

[5]赖海涛．在化学教学中融入绿色化学的教学方法[J]．集美大学学报：教育科学版，2004，5(1)：82-85.

[6]傅献彩，陈瑞华．物理化学下册：第3版[M].北京：人民教育出版社，1980:178-182.

[7]欧光南，何碧烟．乘着双模尝试的翅膀[J].International Conference on Education Reform and Management Innovation，2012:50-56.

[8]葛华才，刘仕文，蒋荣英．物理化学实验教学中创新能力的培养[J]．实验室研究与探索，2006，25 (11):1421-1422;1425.

[9]钟惠萍，王 力，余 祥,等．食品专业有机化学课程教学的新模式[J]．内蒙古民族大学学报，2011，17(5) :156-157.

(责任编辑：吴姝)

Exploration and Practice of Physical Chemistry Experimental Teaching Reform

CHEN Su-yan,LIN Zheng-zhong,OU Guang-nan,WANG Li，WANG Ying-ying

(College of Food and Biological Engineering, Jimei University, Xiamen 361021, China)

To solve the problems in physical chemistry experiments teaching in the college，the exploration and practice are conducted about the optimization of the experiment course, the improvement of the teaching method and the perfection of the examination system. The optimization of the experiment course is realized by using the extra-curricular learning website to disperse the experimental teaching contents, selecting the experimental project, improving the experiment conditions and optimize experiment project. Strictly regulate the experimental requirements and combine the experimental results with experimental paper to evaluate the experimental results of students. The exploration and practice are of great significance in many aspects such as stimulating students' interest in physical chemistry experiment, guiding students to learn independently and master the experimental skills, as well as developing students’ abilities to analyze and solve problems. As the result the practice has achieved better teaching effects.

physical chemistry experiment; optimizing course ; teaching reform

2014-06-12

教育部留学回国人员科研启动基金第44批(201210100002)；大学生创新创业训练计划项目(201410390009)

陈素艳(1971— )女，福建漳州人，集美大学食品与生物工程学院高级实验师，硕士，主要研究方向为食品科学。

G 642

1671-6493(2015)02-0085-04