林业院校物理化学实验教学改革探索与实践

李 向 红

(西南林业大学 化学工程学院， 昆明 650224)

0 引 言

物理化学实验是林业院校应用化学、林产化工、化学生物学、环境科学、环境工程等专业的重要基础实验课程。通过物理化学实验课程教学不仅使学生掌握一些基本实验技能及仪器的操作使用方法，更重要地是培养学生对科学问题的独立思考、实验方案设计和处理分析数据的能力，加深对所学物理化学理论课程中的概念、原理、公式的理解和灵活运用。物理化学实验是一门兼具理论性和实践应用性的独立课程，它已不再是物理化学理论课程教学的点缀，而是培养学生创新意识和科研创新能力的重要教学环节。物理化学实验的目的不是在于培养实验操作的技术人员，而是通过实验来培养科学研究能力[1-3]。然而，物理化学实验教学一直沿袭过去的传统模式，多年来基本没有变化，许多开设的实验内容和实验仪器设备较为陈旧，且大多数为单一性、验证性的实验，缺乏创新性和综合设计性。在教学实践中，笔者发现林业院校大多数学生在物理化学实验过程中往往停留在教师讲授、学生单纯模拟和验证实验结果、出现问题即刻请老师解决、预习实验报告流于对教材的抄写形式、处理实验数据不够严谨、数据讨论部分缺乏条理性、系统性，对思考题部分基本忽略或讨论不够深入，严重地偏离了物理化学实验对培养学生科研创新思维能力的教学初衷。

针对此问题，笔者结合10余年来的课程教学经验，针对物理化学实验教学中存在的的具体问题，依据林业高校教学改革的要求和各专业自身的特点，以培养学生创新意识和能力为导向，从注重教材建设、优化实验内容、改革教学模式、建立课程科学考核评价体系、加强实验室建设和管理几方面进行教学改革探索与实践，以便进一步提升教学水平和教学质量，更好地发挥物理化学实验在培养高层次水平人才中的作用。

1 注重教材建设

进入21世纪，国内各高校为了适应新世纪实验教学的改革需要均开始着手在原有教材的基础上编写了许多实验教材，使实验教材的编写进入了一个繁盛时期[4]。目前，国内已有许多物理化学实验教学方面的教材[5-7]，但由于各个高校的实验室配备的仪器种类和型号差别较大，造成了国内物理化学实验教材的适用性较差。如果完全照搬综合类大学的物理化学实验教材，由于林业类院校和综合类院校开设的物理化学实验的内容侧重点不一致，会使学生在预习及实验过程中带来诸多不便。

为了适应林业类院校的物理化学实验教学要求，笔者一直注重适用于林业院校物理化学实验的教材建设，于2006年结合本校开设的物理化学实验及物理化学实验室中的仪器设备及建设趋势，编写了《物理化学实验讲义》。在此讲义的不断使用过程中，又进一步增设了许多综合性实验和设计研创型实验，2016年编写了对林业院校各专业适用性较强的《物理化学实验指导》[8]，该教材考虑到农林院校学生的实际水平，简化了复杂的公式推导，文字叙述也力求言简意赅、深入浅出、通俗易懂；该教材自使用以来，受到了师生的普遍欢迎和好评。最近，为了进一步适应林业高校的物理化学实验教学改革需要，笔者正在编写列入国家林业局“十三五”规划的教材《物理化学实验》。

2 优化实验内容

物理化学实验内容主要为基本物理量及参数的测量：基本物理量包括温度、压强、粘度、密度、比旋光度、吸光度等；测量的参数则涵盖了热力学(蒸气压、燃烧热、凝固点、渗透压、标准平衡常数)、电化学(电动势、电导、离子迁移数、ζ电位)、动力学(反应级数、活化能、速率常数)、胶体与表面化学(表面张力、比表面积、接触角、临界胶束浓度、吸附量)、结构化学(磁化率、偶极矩)部分。测量的对象包括气体、液体、固体、溶液、胶体、界面(表面)发生的物理变化及化学反应。物理化学的实验内容较多，国内综合类高校选用的物理化学实验教材中涉及的物理化学实验多达20～30个，实际开设的为16～20个[1]。林业院校开设的物理化学实验学时(24～32)较少，且考虑到大多数非化学类专业的化学基础相对薄弱，故开设的实验难度不宜过大(未开设结构化学部分的实验)。结合各专业的培养要求，林业类院校开设的物理化学实验内容一般为8～12个，所以如何优化物理化学实验内容成为林业院校物理化学实验课程首要解决的问题。

优化实验内容并不是全盘否定或完全废弃原来的实验教学内容，而是以进一步加强学生科研创新思维培养和独立分析处理数据的能力为指导方向，对一些实验内容进行优化配置，体现“少而精”的特色。① 在维持对学生训练基本的实验技能的原则不变的情况下，兼顾实验室所具备的客观条件，可以逐步淘汰一些内容乏陈、缺乏技术含量的验证性实验。同时，为了提高学时利用率，可以将一些较为简单的实验进行合并，例如在表面化学实验部分可以将溶液的密度、粘度测定及粘度法测定高聚物分子量3个实验进行合并，内容上进行优化提炼。② 对一些实验内容中所用到的化学试剂药品以“绿色化”为导向进行改进，如对凝固点降低法测定分子量中可以将环己烷变为葡萄糖，粘度法测定高聚物分子量中的高聚物变为可溶性淀粉，饱和蒸气压测定的有机溶剂由苯改为乙醇。当然，对于一些测定的实验体系也应紧扣林业院校的林业学科特色，如对林产化工专业开设的粘度测定的实验所用的高分子溶液为合成的木材胶粘剂(脲醛胶粘剂)进行测定。③ 开设的实验结合国内外新发展出来的精细化工产品进行测试对比，如在表面活性剂的临界胶束浓度的实验中，可以引入近年来快速发展的Gemini表面活性剂进行测试，然后与传统的表面活性剂进行对比，使学生进一步了解Gemini表面活性剂在降低水的表面张力的独特优势。

根据教育部新世纪化学实验开设指导的原则，将化学实验分为3个层次：基础性实验、综合性和设计性实验、研创型实验。在基础性实验开展的基础上，加大对综合设计性实验的开设[9]，这些实验应该以趣味性、科学性和启发性为一体，在研创型实验中适当引入一些教师的科研项目内容，实现科研成果反哺教学，如笔者将从事缓蚀剂研究的一些项目成果，进行精选提炼设计为学生的研创型实验，使学生在做完实验后能够较好地领略实验方案的设计、数据的分析处理、实验结果的探讨。对高年级学生进行毕业论文设计和学生毕业后从事科研生产实践具有十分重要意义。

3 改革教学方式

传统的物理化学实验教学方式主要为学生预习、教师讲授、学生模拟操作、提交实验数据、撰写实验报告。在教学模式和教学过程均是完全统一安排，大多数学生只是被动接受，抱着应付完成实验操作的思想，缺乏实验的积极性，难以使学生留下深刻的印象和发挥出较好的教学效果。在预习环节，学生交上来的预习报告大多数是直接从教材上的摘抄，缺乏对实验目的、方法、原理和操作步骤的深入思考。为了改变这个现状，根据实验教学的目标应该从知识技能的传授过渡到能力和素质的养成的导向[10-11]，笔者对教学方式进行了大量的改革探索与实践。

(1) 在预习环节。严格要求学生预习时需查阅除了教材以外的文献资料，需对测定的物理量及参数的物理意义、实验方案的设计等均进行概述和总结，让学生用流程图方式写出实验步骤，对实验中用到的原理和公式及拓展均需要进行认真思考。在教师讲授时，应以问题互动式和启发讨论式为主的教学方式对实验进行讲授，此时的重心主要集中在实验研究方案设计的思路方面，在对实验操作的讲授时教师不能完全包办，应留给学生一定的思考空间，应抓住主要涉及的学生首次使用的仪器进行讲述。此外，在教师讲授时也可以适当引入一些多媒体教学方式，如制作一些微视频材料，让学生能够领略一些与开展实验的相关资料和拓展资料。由于学时或实验室条件的限制，一些物理量的测定方法可能有多种，但实验只是用了其中的一种，对于其他方法也可以用多媒体对其他方法的实验进行展示，让学生进行对比各自方法的优缺点。如以表面张力的测试为例，测试方法有毛细管上升法、环法、提拉法、最大泡压法，在实验测定中各高校可能以最大泡压法为主，那可以将其他方法进行视频演示，让学生印象深刻。在讲授时，也可以结合身边的实例来说明该实验的重要意义及拓展应用，如凝固点降低法测分子量在合成药物分子量测定中的应用，接触角测试在超疏水材料研究方面的应用。

(2) 在实验课中的操作方面。要改变学生 “照单抓药”的实验模式(一边看书、一边做)，要求在实验操作过程中做到“一气呵成”，对于实验装置的搭建中碰到的问题，鼓励学生先行思考和解决，而不是教师即刻完全包办解决。此外，需以创新意识和创新能力的培养贯穿于整个实验教学过程中，在实验教学中应引导学生对一些实验的条件进行变量设定探索，从而更好地培养学生的综合创新能力。例如，在“碘钟”反应实验的教学方案中，不给出每个试剂的具体的添加用量，而只是给出一个大致的浓度范围，要求学生通过具体实验操作在这个范围内尝试出一个合适的浓度用量。通过教学实践，发现一些学生是在几次尝试失败后才能成功地完成实验，可以进一步让学生明白在“碘钟”反应的过程中硫代硫酸钠与碘化钾的浓度用量对整个初始速率反应法测定的速率常数具有重要的影响。对于学生在实验的过程中遇到的问题，如不显蓝色、一混合立即显蓝色的问题，通过启发和提示，让学生自己去分析原因并找到解决问题的方法。通过此类变量设定的探索实验，较好地激发了学生对实验现象背后隐藏的科学本质问题进行探索。总之，在整个实验过程中应该坚持以学生为中心、教师由讲授者向引导者转变[12]。教师不应对学生的实验操作干预得过多过细，否则会造成学生实验过程中畏手畏脚，应该给予学生大量的可操作空间，实现“学生按教师指令做实验”向 “学生自己做实验”转变。此外，对于一些复杂实验要求几个同学为一组进行分工协作完成，在实验过程中鼓励学生相互之间进行思考和讨论，做到实验数据共享和共同探讨处理实验过程中碰到的问题，培养学生交流协作的团队精神，以利于形成良好的实验氛围。

(3) 在实验数据记录方面。教学实践中发现有的学生会受周围同学的干扰，有“先入为主”的习惯，当周围其他同学的数据出来以后，该同学就会有意识地将自己的实验数据往别人的数据上接近，甚至一旦发现自己的实验数据和别的同学不一致时，立刻会认为自己的实验操作出了问题。针对此情况，一方面要增强学生对自己实验结果的自信心；另一方面，对一些实验数据的可疑值进行原因查找和验证。事实上，物理化学中的许多实验就是在测定体系完全一致的情况下，由于仪器的原因，实验数据很难具有高度的重合性。以表面张力实验为例，由于测试的毛细管常数不同，所以每组实验同学的实验数据是不可能相同的。当然，有的实验数据属于操作不当造成的错误，此时要引导学生对实验数据进行分析原因，然后进行思考找出原因。在实验数据记录中，要求学生对原始数据进行准确记录，包括一些失败的实验结果也要记录下来，以便能够顺利查找实验失败的原因。

4 建立课程科学考核评价体系

科学的考核评价体系可以促进整个实验教学过程得以良性循环发展，传统的物理化学实验对成绩评定过分看重学生实验结果的准确度和精密度，忽略了对学生实验过程中的科研创新思维能力的考察。笔者经过多年的探索，建立了一整套相对更为合理的课程考核评价体系：整个物理化学实验课程的成绩由两个大的部分构成：平时成绩(60%)+ 设计型实验考试(40%)。对于平时成绩考核由所开展的平时实验加权平均得出，即对每个实验都要进行考核，每个实验都以百分制进行计算，由开展实验的各个教学环节组成：预习(20%)+ 实验操作(25%)+ 互动讨论(25%)+ 实验报告(30%)。

在预习环节的考核中，主要从学生预习中关于原理的思考和方案的设计进行考核，而对于预习报告中完全照抄教材的原则上给予不及格处理。在实验操作过程中，注重实验操作的连贯性，兼顾每个实验细节过程的严谨性，当然对于实验过程中的疏忽失误能够进行思考并能够独立解决问题的学生，原则上不扣分。在互动讨论环节，主要是对实验中的原理和教材中的思考题部分用自己的话进行概述，并能够对一些实验中涉及的科学问题进行适当地拓展，还有对一些实验现象能够做出合理解释。此部分自纳入考核环节中受到了学生的普遍重视，学生对实验思考的积极主动性得到加强，而不是被动地学习。此外，应重视每个实验操作过程中出现的问题和对于实验异常结果的讨论和想法。在电位-pH曲线的测量中，往往对于测试溶液的pH值的控制是得出合理实验数据的关键所在，如果学生对一些实验操作失败后，不查找原因就急于重做，那么很难保证重做就会成功，而且对于学生总结实验失败这个环节的训练被忽略了。在互动讨论部分，应该鼓励学生的思维创新，只要是学生在对某个问题上的思考有其独到之处，虽然可能有一定的局限性，但仍然可以给予好的评价和成绩评定上给高分。

在实验报告部分的撰写中，对于实验目的、原理、仪器药品、步骤4个部分发现学生大多数直接照搬教材。为此，笔者尝试将实验报告这4部分进行科研论文的形式引导给学生，让学生正真地懂得做此实验的目的和意义，在实验步骤中做到简明扼要、言简意赅。对于实验数据处理方面，传统的处理方法为学生用坐标纸进行描点，然后根据趋势画出直线或曲线，这种方法存在误差大、主观性强的缺陷，即使同一组数据也会得出不同的结果，所以在实验数据处理部分要求学生用Origin软件进行处理，如直线拟合、曲线拟合、分段拟合等[13]。引入Origin软件处理实验数据不仅使图形更加直观，而且减少了数据处理的误差，更重要的是对学生将来从事毕业论文写作和科学研究打下了坚实的基础。对于图形处理中，对坐标轴的物理量及单位，坐标的取值范围的合理性等均列入了重要的考察范围。在数据处理后，对于实验结果的讨论也要做相应的讨论；在思考题部分虽然在教学过程中也有所提及，但在实验报告中也要再次进行讨论。除了教材中的思考题之外，鼓励和引导学生对实验过程中的一些实验现象、概念和原理进行自由选题讨论，对此部分的考核，不苛求学生讨论的全面性和与参考答案的一致性，主要看重的是学生对讨论部分的合理性和对科学问题的独立思考能力。

培养学生进行实验方案的设计及科学问题的探究是物理化学实验的教学目的，以此为导向，在期末设计性的实验考试中主要考察学生在学习完物理化学实验的基础上，在没有教师的指导帮助下，能够确定合适的实验方法、选用合适的仪器，采用正确的操作方法测量得出准确可靠的数据、选用相关的原理和公式分析处理实验数据，得出实验结果，并对实验结果进行有理有据地讨论，撰写出实验报告。教师需精心设计期末考核的实验，以综合性的实验考察为主，题目不宜过难，但也不能是做过实验的简单重复。在期末实验考试中，对于实验方案的确定应现场给分，对于一些不太合理的实验方案应引导学生现场改进；在实验数据处理部分，要求学生用自己的电脑或实验室提供的电脑进行现场处理，并由实验室提供打印机打印出实验数据图形。通过期末考核，可以检验学生通过物理化学实验的学习所得到的处理科学问题的能力。

将安全环保和学术道德规范也纳入到科学考核评价体系中。对于实验过程中的仪器的安全操作及实验完成后的废液的处理也对学生做规范要求。对于实验中抄袭他人数据或篡改原始数据的直接对该所涉及的实验成绩给予不及格处理。

5 加强实验室建设和管理

实验室的设施是保证实验教学顺利开展的基本条件，为了创造有利于学生创新能力发展的教学环境和条件，应加强实验室建设、更新仪器设备、增加实验仪器的台套件数。在实验室建设中尽量地结合林业院校专业的特点，秉承“绿色化”实验室的建设原则[14]，笔者所在学校在中央支持地方实验室经费的不断投入后，先后淘汰了大量上个世纪80～90年代的仪器，更新了数显恒温水浴箱、数显贝克曼温度计、燃烧热测定半自动装置、数显旋光仪、数显精密pH计、旋转式粘度计等仪器，进一步降低了实验数据的误差，提高了实验效率，为开设综合实验和设计实验的有效实施提供了便利；同时也将一些高档研究仪器投入到物理化学实验中，如电化学工作站用于电化学实验研究，为学生开设了极化曲线及电化学阻抗谱(EIS)的测量。

实验室是高校培养学生创新精神与实践能力的重要基地，对于学生的培养不能仅仅依靠课堂教学，故在物理化学实验室的管理上，实行学生预约登记进行开放管理的模式[15]。以科研带动教学，鼓励和引导学生进入物理化学实验室进行相关课题研究是培养学生独立实验能力的有效方法，学生在指导教师的指导下，参与科研项目的部分工作，学生做完实验和分析处理实验数据后普遍都认为激发了他们的兴趣，使原来不能理解的热力学函数、电化学极化、缓蚀剂的性能测试等部分基础理论知识点也得到了较大的提高，而且有的学生做出来的实验数据可以整理成部分小论文，申报了相关的国家级、省级和校级的大学生创新训练项目，使学生们有“成就感”，进一步形成良性循环。缩短了科学研究与学生之间的距离，有利于激发学生的科研兴趣，培养学生提出科学问题、分析和解决问题的科研创新能力。

6 结 语

遵循因材施教的原则，笔者经过多年的物理化学实验的教学改革探索与实践，编写了对林业院校各专业适用性较强的物理化学实验教材，在实验内容上加大了综合设计性实验的开设力度和引入了研创性实验，把学生从被动的学习中解放出来，调动了学生的积极性，不仅实验操作能力得到加强，而且使学生认识问题、分析问题和解决问题的能力得到提升，学生预习和实验报告的质量也显著提升。然而，林业院校的物理化学实验的教学改革仍然任重而道远，还有许多方面亟待探索与实践，以便更进一步提升教学水平和教学质量，更好地发挥物理化学实验对培养高层次高水平人才的作用。

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