基于科研思维训练的物理化学实验教学改革

高娟娟

(吉林大学 化学学院，吉林 长春 130022)

物理化学是四大基础化学中理论性最强的一门学科。它从物理学角度分析物质体系化学行为的原理和规律，是近代化学原理的根基。作为物理化学教学的重要组成部分，物理化学实验要求学生综合运用物理和化学的原理、技术、仪器和数字运算工具，具有很强的理论性、实践性和研究性[1-3]。开设物理化学实验课程，不仅可以帮助学生掌握物理化学的基本理论，基础研究方法和基本操作技能，还可以培养学生的创新意识和分析解决问题的能力，提高他们的科学素养[4]。但目前大多数高校还采用传统的物理化学实验教学模式，通过实验教师讲解仪器的使用、实验操作步骤、注意事项、如何处理数据等内容，学生按照化学实验教材机械地进行操作。这样导致学生不能深刻理解其中的实验原理和方法，不能培养他们学习物理化学实验的积极性和提高物理化学实验教学效果[5]。此外，物理化学理论课教师在课堂上也常常忽视对物理化学实验原理的讲解，再加上物理化学实验所用仪器贵重，数量少等原因，实验教学一般采取分组、几个实验循环开展的模式进行，使得理论教学与实验进度脱节，学生难以消化其中的知识点[3]。为了更好地解决物理化学实验教学中出现的问题，探索“以学生为主体”的教学模式具有重要意义[5]。因此，实验教师在教学过程中不仅仅要让学生顺利完成实验，更应该注重学生科研思维的培养。目前，部分高校将科研实例引入本科物理化学实验教学中，使教学与科研深度融合，可以很好地培养学生的实践能力和创新意识。但在实验教学中嵌入科研训练，需要在资金、人员、场所、学生实验时间等方面提供充分的支持。所以大多数高校由于实验条件的限制，不能有效地为本科生开展科研训练[6]。

科研思维训练一般包括提出课题、查阅文献、配置仪器、设计实验方案以及分析和解决实验问题等步骤[6]。本文以“四氯化碳饱和蒸汽压的测定”实验为例，将科研思维训练引入常规实验教学项目中，对于提高学生的学习兴趣和创新意识具有深远意义。

1 明确细化实验预习内容，改进实验教学方法

上实验课之前，学生通常都会按照教师的要求进行预习，但大多数同学只是将实验教材上的实验目的、原理和实验步骤抄到预习报告上，很少会主动思考三者之间的联系，这样不能很好地培养学生的学习能力[7]。为此，教师应该明确细化实验预习的内容，根据实验教材上的课题提出相关问题，让学生查阅文献、展开思考，并将答案写在实验预习报告上。

例如，根据物理化学实验教材，对于“四氯化碳饱和蒸气压的测定”实验，提出预习内容部分相关问题如表1。

表1 预习内容部分相关问题

通过回答这些问题，学生不仅能够深入了解实验内容和注意事项，还能够将实验内容和理论知识有效结合起来，对于提高物理化学实验教学效果具有重要意义。

2 改进实验教学内容，训练科研思维能力

在实验教学中，加入对学生科研思维的训练，对于培养学生独立思考问题的能力和创新能力具有深远意义，所以一直以来都是实验教师们研究的热点。由于静态法测定液体饱和蒸汽压的准确度较高，大多数高校都使用静态法进行实验。静态法测定时涉及到的仪器设备比较多，如玻璃平衡管、缓冲储气罐、真空泵、数字压力计等，连接也比较复杂，再加上教材中的实验装置示意图与实际使用的设备不一致等原因，使得学生对整个实验装置没有直观的印象和理解[8]。为此，在实验课堂上先让学生们熟悉仪器和了解各部分装置的作用，并让他们对其原理进行剖析，对于学生更好地掌握物理化学实验知识具有重要意义。例如，玻璃平衡管的U型管内盛有适量的液体可以起到液封作用。当外部压力降低到等于试液球液面上的纯液体压力时，U形管中两个液面呈水平状态，此时外部压力即为该温度下纯液体的饱和蒸气压；数字压力计显示的是外部大气系统与冷凝管连接的U型管液面上方气相系统之间的压力差；缓冲储气罐在真空泵的作用下可以逐渐将罐内的气体抽出，并且通过旋转减压阀调节减压幅度[9]。实验过程包括检查气密性、装试样、恒温启动冷却装置、排出空气、调节等高、读数调温度等步骤[8]。其间教师要注重培养学生的动手操作能力并强调实验中的注意事项。例如，测定过程中空气不慎倒回入试液球，只有再次抽真空后才能继续实验；停止抽气前，应先将真空泵与大气连通，否则会造成循环水真空泵倒吸，引发事故[10]。在整个过程中，我们让一部分学生用静态升温法测定；另一部分学生用静态降温法测定并让他们比较数据之间的差异。当学生根据实验步骤完成“四氯化碳饱和蒸气压的测定”后，让他们再思考如何举一反三。例如，当测定乙醇、水和乙酸乙酯的饱和蒸气压时，应该怎么做？当用动态法测定液体饱和蒸气压时，需要用到什么仪器装置以及如何连接？静态法测定涉及到的实验装置的优缺点是什么以及如何改进？这些问题都需要学生阅读相关文献并找出最优方案，在此过程中能够很好地培养学生独立思考的能力和解决问题的能力。另外，学校应该尽可能每周选一定的时间设置开放性实验，为学生设计的实验方案提供条件并给予指导，这对于培养他们的科研思维能力和创新意识具有重要意义。

3 培养学生分析处理实验数据的能力和思考能力

在静态法测定过程中，要求学生记录不同温度下液体的饱和蒸气压。根据克劳修斯-克拉贝龙方程的积分公式lnp=-ΔvapHm/RT+B，以lnp为纵坐标，1/T为横坐标作图，通过线性拟合得到线性方程的斜率K。然后根据K=-ΔvapHm/R得到平均摩尔汽化热ΔvapHm，这涉及到温度T和压力p的精确记录以及lnp和1/T的计算[8]。要求学生使用excel软件或origin软件进行作图和线性拟合，并评估数据的可靠性，如线性相关系数越接近于1，表明数据相关性越好，精确度越高。最后通过与四氯化碳的理论摩尔汽化热对比，求出相对误差，并让学生分析是降温法还是升温法测定得到的摩尔汽化热更接近文献值并讨论原因。同时，在开放性实验课堂上，让学生通过测定其他液体，如乙醇、水、乙酸乙酯等的饱和蒸气压，并将数据与文献值对比，找出更多适合作为液体饱和蒸气压测定实验的试剂。这样不仅能够提升学生学习物理化学实验的兴趣，还能够很好地培养他们的科学研究能力。

4 培养严谨的科学态度和团队合作精神

在饱和蒸气压实验测定过程中，要求学生如实记录实验数据并作图，不能随意篡改。实验结束后，要对结果进行分析讨论并总结原因，这样可以很好地培养他们的科学严谨性。另外，我们安排两名学生为一组，一起完成实验，一个负责观察U形等压计的液位，另一个负责观察温度和数字压力计的示数。只有相互合作他们才能获得比较好的实验结果。在此过程中，不仅提高了他们的团队合作能力，还为他们以后继续深造或者走上科研岗位奠定了良好的基础[7]。

5 改革课程考核模式，提高实验教学效果

之前对物理化学实验成绩的考核主要侧重于实验报告的写作和完整性，忽视了对实验操作的考核，导致学生不能对实验操作技能的规范性予以重视[11]，不利于学生良好行为习惯和科学素质的培养。因此，建立一套完整的实验课程评价体系非常重要。在成绩考核时，应根据预习情况、动手操作情况、实验报告完成情况和误差分析情况对学生的自主学习能力、实验操作技能、数据处理能力和分析讨论问题的能力给予综合评价，这对于培养他们的创新意识、实践能力和科研思维能力具有重要意义。除此之外，在教学过程中，还应制定合理的考察机制，督促教师优化教学设计，提高实验教学效果[2]。

6 结语

本文以“四氯化碳饱和蒸气压的测定”实验为例，在常规性实验教学的基础上引入科研思维训练，在实验预习、实验操作、数据处理、考核模式等方面进行了一系列改革。对涉及到的内容进行了深度挖掘，使验证性实验逐步向创新性实验过渡，让学生对液体饱和蒸气压测定的知识有了更全面的掌握，并可举一反三。不仅提高了学生的实验操作技能，还提高了他们独立思考问题的能力和创新意识，达到了培养学生科研思维的目的。