物理化學(xué)實驗教學(xué)的改革與創(chuàng)新

張國艷， 金為群， 王 嵐

(吉林大學(xué)化學(xué)學(xué)院，吉林 長春130012)

0 引言

物理化學(xué)實驗是繼學(xué)生完成無機化學(xué)、分析化學(xué)、有機化學(xué)等課程的學(xué)習(xí)之后，在高年級開設(shè)的一門化學(xué)實驗課。做好物理化學(xué)實驗，不僅能夠鍛煉學(xué)生綜合運用物理、化學(xué)和數(shù)學(xué)知識來解決實際問題，進行基礎(chǔ)科研的能力，而且能夠激發(fā)學(xué)生的主觀能動性，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力［1-3］。大學(xué)物理化學(xué)實驗教材主要包括基礎(chǔ)實驗、綜合實驗和設(shè)計實驗三部分。目前，這三部分的教學(xué)存在一定的問題，有待改革和創(chuàng)新。

1 基礎(chǔ)實驗教學(xué)的改革和創(chuàng)新

基礎(chǔ)實驗，即驗證性實驗，主要是以已學(xué)的理論知識為原理，按照已擬定的實驗方案測得實驗數(shù)據(jù)，用數(shù)學(xué)原理和方法科學(xué)地處理實驗數(shù)據(jù)后將實驗結(jié)果與理論值進行對比，從而使學(xué)生對理論知識有一個較直觀和深刻的理解。這一部分的教學(xué)存在的主要問題是很多老師只是按部就班地將整個實驗從實驗?zāi)康?、實驗原理、實驗步驟到數(shù)據(jù)處理進行了講解，而沒有和學(xué)生一起對擬定的實驗方案的合理性和科學(xué)性進行深入的探討，這樣的結(jié)果是學(xué)生思考得少，想法少，因而從中獲得的啟發(fā)不大，對將來如何自主設(shè)計實驗缺乏論證能力。

如果這一部分的教學(xué)能夠根據(jù)實驗方案從實驗的順序、試劑的用量、設(shè)備的設(shè)計和測量原理等方面進行討論的話，在一定程度上會提高學(xué)生的主觀能動性。以燃燒熱實驗為例，這個實驗從樣品的制備、充氧、點火燃燒到滴定，每一步都有著操作上和設(shè)計上耐人尋味的地方。先說樣品的制備，有壓片法和纏繞法，哪一種方法對樣品質(zhì)量的影響更小?如果樣品不是固態(tài)的，應(yīng)如何制備樣品以及實驗方案應(yīng)如何設(shè)計?另外將充好氧氣的氧彈放入恒溫套之前，卡計的梨狀設(shè)計以及卡計里的水需準(zhǔn)確量取用意何在?絕熱體系由哪些構(gòu)成?整個實驗中影響溫度的因素有哪些?如何比較客觀地確定實際樣品燃燒前后引起的卡計溫度升高的數(shù)值?最后的滴定實驗對實驗結(jié)果影響有多大?相信解決了這些問題后，學(xué)生對于量熱法測量有機物的燃燒熱會有一個更全面更科學(xué)的認識。

2 綜合實驗教學(xué)的改革與創(chuàng)新

物理化學(xué)實驗在得出有關(guān)物質(zhì)的物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)及其化學(xué)反應(yīng)規(guī)律時常常借助于物理學(xué)的一些實驗設(shè)備和技術(shù)，通過追蹤化學(xué)變化過程中體系某些可測物理量的變化，按照這些可測物理量與體系組成的定量關(guān)系來確定體系的狀態(tài)。所以說物理化學(xué)實驗不僅涵蓋了化學(xué)學(xué)科各領(lǐng)域所需要的基本研究工具和方法，而且能夠反映出各種譜學(xué)技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展水平。另外在數(shù)據(jù)處理方面，不僅僅需要相應(yīng)的物理化學(xué)理論知識，還需要一定的數(shù)學(xué)分析方法來保證實驗結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此，相比于其他化學(xué)學(xué)科的實驗，其綜合性很強。這一部分的教學(xué)存在的主要問題是實驗內(nèi)容陳舊，跟不上現(xiàn)代科技發(fā)展的步伐，加之所使用的物理實驗設(shè)備和技術(shù)比較落后，培養(yǎng)出來的學(xué)生的知識層次較低，實驗技能較差。

這些問題可以根據(jù)當(dāng)今科技發(fā)展的水平，結(jié)合各學(xué)科研究的最新成果來加以改革。二組分合金體系固液平衡相圖的繪制一直是物理化學(xué)實驗的基本內(nèi)容，傳統(tǒng)的實驗設(shè)備是控溫儀和可控升降溫電爐。通過實驗學(xué)生可以理解熱分析法繪制固液平衡相圖的基本原理，并了解熱電偶的測溫原理。如果改變一下樣品的種類、儀器設(shè)備和測試內(nèi)容，學(xué)生獲得的信息量遠不止這些。比如利用差熱分析儀，通過測量待測樣品的質(zhì)量與溫度變化關(guān)系得到熱重曲線(包括失重和增重)，不僅可以確定組成結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)化溫度，還可以測定熱效應(yīng)等物理化學(xué)性質(zhì)［4，5］。再比如，改變傳統(tǒng)測試含結(jié)晶水的樣品，取而代之一些和現(xiàn)實生活密切相關(guān)的樣品，如聚氯乙烯(PVC)是一種普遍使用的塑料，PVC加工過程中用量最大的助劑之一鄰苯二甲酸二辛酯(DOP)在加工過程中易揮發(fā)，大劑量進入人體時具有致癌作用。通過對PVC樹脂的失重分析曲線及相關(guān)數(shù)據(jù)的測定可以對這一食品安全問題有更直觀的認識，從而激發(fā)學(xué)生開發(fā)PVC增塑劑新原料的熱情［6］;再比如，航天耐溫材料的熱穩(wěn)定性一直是材料科學(xué)關(guān)注的重點，利用熱重分析技術(shù)將合金的高溫恒溫氧化實驗用時間-氧化增重曲線表示，通過分析增重曲線，可以確定氧化的速度，進行動力學(xué)研究，從而獲得更理想的新型航空航天用高溫結(jié)構(gòu)材料［7］。

3 設(shè)計實驗教學(xué)的改革和創(chuàng)新

設(shè)計實驗是在老師的指導(dǎo)下，應(yīng)用學(xué)過的知識，通過查閱有關(guān)參考資料，自行設(shè)計實驗方案并獨立完成的實驗。設(shè)計性實驗使知識相互滲透、補充，能夠使理論知識聯(lián)系實際問題，可以培養(yǎng)學(xué)生的獨立思考能力、動手能力和創(chuàng)新性，從而更具吸引力。這一部分的教學(xué)存在的主要問題一是教師在平時對這方面內(nèi)容滲透得少，學(xué)生不注重問題的積累;二是學(xué)生們往往在教材提供的設(shè)計性實驗題目中進行選擇，選題范圍窄，重復(fù)較多，體現(xiàn)不出學(xué)生的思維個性化;三是受實驗設(shè)備和藥品的限制而流于形式，沒有達到真正的效果。

針對第一個問題，教師在講解實驗時，要注重實驗的實際意義，向?qū)W生列舉一些相關(guān)實驗的最新進展和具體應(yīng)用。比如，多孔材料及粉末的比表面積測定中溶液濃度可借助酸堿滴定、分光光度計或全自動比表面及孔隙分析儀等幾種方法來確定。而全自動比表面及孔隙分析儀不僅可以測定比表面積，還可以測定孔體積、孔徑分布和孔徑大小，是評價催化劑、吸附劑、石棉纖維、碳材料的活性、吸附、催化等性能的一項重要參數(shù)，所以廣泛用于藥品、陶瓷、活性炭、油漆、涂料、碳納米管和燃料電池等的研究中［8-10］。再比如電化學(xué)實驗中電極是非常重要的一個器件，電極的靈敏性、選擇性和穩(wěn)定性關(guān)系到檢測方法的效率，各種常規(guī)電極包括汞電極、金電極、玻碳電極等及其修飾電極，如金屬氧化物納米材料或石墨烯修飾的電極，已被應(yīng)用于廢水排放的檢測體系和燃料電池中［11-14］。學(xué)生有了這些知識做鋪墊，再輔助一些文獻閱讀，逐漸產(chǎn)生自己的一些想法，就會主動地設(shè)計方案來解決實際問題。

為了使設(shè)計實驗達到預(yù)期目的，真正培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力，教師在確定實驗范圍時盡量給予學(xué)生更多自主選擇的空間，促使學(xué)生靈活調(diào)用已有的生活經(jīng)驗和知識儲備，通過不同的方式、選擇不同的方法，創(chuàng)造性地解決實際問題，從而最大限度地開發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造潛能［15-17］。在評價學(xué)生實驗成績時教師要樹立科學(xué)的評價理念和評價方法，注重提升自身的專業(yè)水平和道德修養(yǎng)，一定做到既要科學(xué)客觀，又要及時發(fā)現(xiàn)學(xué)生思想上的閃光點，鼓勵學(xué)生，激發(fā)他們的積極性。

4 結(jié)語

理論是在實驗的基礎(chǔ)上形成并逐漸發(fā)展建立起來的，而實驗還可以驗證理論的可靠性和適用性，所以說“實踐出真知”。物理化學(xué)實驗以其較強的綜合性和思考性能夠切實地鍛煉學(xué)生獨立解決實際問題的能力;另外，當(dāng)代科技發(fā)展的水平推動物理化學(xué)實驗的發(fā)展，學(xué)生能將所學(xué)理論知識緊密聯(lián)系實際，從而更快地將理論知識轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力。為了達到這些目標(biāo)，物理化學(xué)實驗教學(xué)的改革和創(chuàng)新勢在必行。

［1］ 呂慧娟，吳鳳清，楊 樺.物理化學(xué)實驗［M］.長春:吉林大學(xué)出版社，1999.

［2］ 孫爾康，徐維清，邱金恒.物理化學(xué)實驗［M］.南京:南京大學(xué)出版社，1998.

［3］ 北京大學(xué)化學(xué)系物理化學(xué)教研室.物理化學(xué)實驗［M］.北京:北京大學(xué)出版社，1995.

［4］ 劉忠鎖，汪 琦，鄒宗樹，等.非等溫?zé)嶂胤治鲅芯刻細饣瘎恿W(xué)［J］.材料與冶金學(xué)報，2010，9(1):68-71.

［5］ 沈伯雄.可燃生活垃圾焚燒動力學(xué)參數(shù)的熱重分析［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2004，23(5):1014-1016.

［6］ 陳 新，羅朝陽，范浩軍.環(huán)氧化菜籽油基PVC增塑劑的制備與性能研究［J］.塑料科技，2010，38(10):96-100.

［7］ 高鈮+鎢TiAl合金的熱穩(wěn)定性和高溫抗氧化性研究［D］.西安:西安交通大學(xué)，2010.

［8］ 李 林，趙喜萍，魏朔南.漆酚金屬高聚物防腐涂料的研究進展［J］.中國生漆，2007，26(1):54-56.

［9］ Yue Y，Hu G Z，ZhengM B，etal.Amesoporous carbon nanofibermodified pyrolytic graphite electrode used for the simultaneous determination of dopamine，uric acid，and ascorbic acid ［J］.CARBON，2012，50:107-114.

［10］ 徐桂銀，丁 兵，聶 平，等.碳納米管/氧化石墨烯/硫復(fù)合正極材料的制備及其電化學(xué)性能［J］.物理化學(xué)學(xué)報，2013，29(3):546-552.

［11］ 宋日海，魏 剛，熊榮春.廢水處理用催化電極的研究與應(yīng)用［J］.水處理技術(shù)，2006，32(12):4-9.

［12］ 李竹赟，王 敏.農(nóng)藥殘留的安培檢測法［J］.化學(xué)進展，2007，19(10):1585-1591.

［13］ Liu T，Xu M R，Yin H S，Ai SY，et al.A glassy carbon electrode modified with graphene and tyrosinase immobilized on platinum nanoparticles for sensing organophosphorus pesticides［J］.Microchim Acta，2011，175:129-135.

［14］ 李 娜，田作華.基于AVR單片機的燃料電池控制系統(tǒng)［J］.實驗室研究與探索，2011，30(8):63-66.

［15］ 張民堂.如何培養(yǎng)創(chuàng)新人才 高等教育要遵循三個規(guī)律［N］.光明日報，2010-08-15.

［16］ 俞遠志，張立慶，傅曉航.開放性實驗教學(xué)模式的實踐與思考［J］.實驗室研究與探索，2012，31(3):153-155.

［17］ 刁培萼.教育文化學(xué)［M］.南京:江蘇教育出版社，1992.