“理論、實踐與科研三位一體”物理化學(xué)實驗教學(xué)改革

郭 婷， 孟 濤， 方 伊， 童志平， 舒學(xué)彬

(西南交通大學(xué) 生命科學(xué)與工程學(xué)院 實驗中心， 四川 成都 610031)

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“理論、實踐與科研三位一體”物理化學(xué)實驗教學(xué)改革

郭 婷， 孟 濤， 方 伊， 童志平， 舒學(xué)彬

(西南交通大學(xué) 生命科學(xué)與工程學(xué)院 實驗中心， 四川 成都 610031)

物理化學(xué)是一門從物理學(xué)角度分析物質(zhì)體系化學(xué)行為的原理、規(guī)律和方法的學(xué)科，可謂近代化學(xué)的原理根基。目前物理化學(xué)實驗教學(xué)中實踐與理論割裂，理論教師和實驗教師分別由不同的老師擔任，溝通不夠。課堂教學(xué)與實驗開展不同步實踐與科研生產(chǎn)脫節(jié)的弊端。為此，提出“理論、實踐與科研三位一體”物理化學(xué)實驗教學(xué)新模式。通過幾年的改革探索和不斷的總結(jié)創(chuàng)新，“理論、實踐與科研三位一體”模式在物理化學(xué)實驗教學(xué)中逐漸顯示出良好的效果，為培養(yǎng)市場需要的應(yīng)用人才，創(chuàng)新拔尖的科研人才提供有益的借鑒。

物理化學(xué)實驗； 教學(xué)改革； 理論與實踐

0 引 言

沒有一支宏大的高素質(zhì)人才隊伍，全面建成小康社會的奮斗目標和中華民族偉大復(fù)興的中國夢就難以順利實現(xiàn)。未來中國的發(fā)展，離不開高等教育提供的人才和智力支持，離不開植根于高等教育的知識創(chuàng)新和技術(shù)應(yīng)用。自1999年高校擴招以來，花了很多的時間和精力在建新校區(qū)，蓋新大樓，購新設(shè)備上，硬件條件大為改善，然而近年來高校畢業(yè)生就業(yè)難和市場所需要的人才供給不足之間的矛盾卻日益加??；科研論文發(fā)表量大幅提高，總體質(zhì)量水平和他引次數(shù)仍然比同行低很多。目前，國內(nèi)許多高校針對傳統(tǒng)教學(xué)思想、體系和方法的不足，開展了各種教育改革措施，取得了一定的成效[1-8]。也曾就高等工程人才培養(yǎng)提出一種“一個根本，五個結(jié)合”的實驗教學(xué)新模式[9]。

物理化學(xué)是一門從物理學(xué)角度分析物質(zhì)體系化學(xué)行為的原理、規(guī)律和方法的學(xué)科，可謂近代化學(xué)的原理根基。它所研究的內(nèi)容[10]：變化的可能性—方向與限度，變化的現(xiàn)實性—速率與機理，物質(zhì)的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)及其規(guī)律，對于實際指導(dǎo)諸多領(lǐng)域的生產(chǎn)實踐，對于理論解釋許多新現(xiàn)象行為的發(fā)生，都起著重大的作用。物理化學(xué)實驗需要綜合運用物理和化學(xué)的原理與技術(shù)，方法與儀器，以及數(shù)學(xué)運算工具，是一門理論性、實踐性、綜合性和研究性很強的課程，在化學(xué)、化工、制藥、生命、材料、環(huán)境等專業(yè)的人才培養(yǎng)中占有重要的地位[11]。

1 物理化學(xué)實驗教學(xué)中存在的主要問題

1.1 實踐與理論割裂

很長一段時間以來，物理化學(xué)實驗與理論教學(xué)是割裂的，理論教師和實驗教師分別由不同的老師擔任，溝通不夠[12]。課堂教學(xué)與實驗開展不同步，常常實驗開了，所涉及到的理論部分卻還未講到。由于時間有限，實驗教師只能將關(guān)注點放在如何讓學(xué)生順利完成實驗，掌握儀器使用，了解注意事項，以及如何進行數(shù)據(jù)處理上。這樣一套傳統(tǒng)的實驗教學(xué)固有模式造成學(xué)生實驗前“云里霧里”，實驗中“照貓畫虎”，實驗后“眨眼就忘”，整個過程演變成機械化的只在追逐成績的目標中度過。實踐失去了理論的支撐，成了無本之木，學(xué)生無法消化，片面理解，嚴重打擊了學(xué)生的實驗積極性，更妄談技術(shù)和創(chuàng)新人才的培養(yǎng)。

1.2 實踐與科研生產(chǎn)脫節(jié)

實驗與實際和科研脫節(jié)，不僅表現(xiàn)在實驗內(nèi)容上，同時也反映在實驗設(shè)置上。單一陳舊的實驗項目，呆板僵化的實驗過程，預(yù)期不變的實驗結(jié)果，統(tǒng)一模式的數(shù)據(jù)處理，種種的這些“不出意外”和按部就班的套路，在很大程度上削弱了學(xué)生的實驗興趣，束縛了學(xué)生的主動性和創(chuàng)造力，更不利于鍛煉學(xué)生獨立思考和解決問題的能力。事實上，在生產(chǎn)實際中往往會遇到很多意料不到的問題，而科學(xué)研究更是具有很大的探索性和挑戰(zhàn)性。然而，傳統(tǒng)實驗教學(xué)思想和方式培養(yǎng)出的學(xué)生很容易養(yǎng)成數(shù)據(jù)好就萬事大吉，數(shù)據(jù)不好就慌張的壞習(xí)慣。因而，實干起來遇到一點問題就不知所措，專業(yè)技能不如?？粕?，眼高手低不受市場歡迎就不足為奇了。實驗與實際和科研脫節(jié)，如一潭死水，沒有生命力，現(xiàn)在的學(xué)生何等聰明，這樣的實驗做來也無用，當然糊弄了之。

圖1 “理論、實踐與科研三位一體”實驗教學(xué)新模式

1.3 理論、實踐與科研各自為政

從理論基礎(chǔ)的奠定，到實驗技能的掌握和科學(xué)素質(zhì)的養(yǎng)成，到勇攀科研高峰或在生產(chǎn)實際中大顯身手，本是三個循序漸進，密不可分的過程。如圖1所示，實驗就像漢堡中的內(nèi)容物，上下連著理論和科研實際這兩片白面包，光吃白面包，無味；光吃內(nèi)容物，油膩；只有一口三層下去才是美味，學(xué)生都愛這個。為什么不能嘗試一個讓學(xué)生覺著滋滋有味又富有營養(yǎng)的理論、實踐與科研三位一體的“漢堡式”物理化學(xué)實驗教學(xué)探索？實驗教學(xué)若還是和理論、科研各自為政，實驗教師若還是和理論教師、科研教師只各自局限于自己范圍，目前似是無患，但隱患問題必將日益凸顯爆發(fā)。實驗教學(xué)應(yīng)當承擔起橋梁的作用，實驗教改勢在必行。

2 “理論、實踐與科研三位一體”改革舉措

2.1 從理論中來，到實踐中去

(1) 由理論帶入實驗。以往實驗教師常說“這個你們理論課上應(yīng)該講過，時間關(guān)系實驗課上就不多說了”。此話一出，無形中割裂了理論和實驗，學(xué)生一顆探究的好奇心立馬被澆滅。現(xiàn)在，在實驗課上設(shè)置一個新的環(huán)節(jié)，用開始的10 min進行理論問答。即實驗課上講理論，對本實驗所涉及的理論進行高度概括和引領(lǐng)。采取的方式是問答式的[13]，而不是教師一人高談闊論。以經(jīng)典的“燃燒熱的測定”實驗為例，首先拋出第一個問題：“熱力學(xué)板塊有哪些函數(shù)？”，學(xué)生們開始搜尋記憶，紛紛作答，原本在理論課上分為幾章的熱力學(xué)內(nèi)容立刻被串聯(lián)起來。緊接著：“這些函數(shù)中能夠直接用實驗方法測出的是哪些？”。學(xué)生們過濾一遍，有功和熱，其他函數(shù)的數(shù)值可由功和熱推導(dǎo)而來，因此認識到本次實驗重要性。接下來：“如何才能獲得熱值？”，“本實驗所得的是QP還是Qv值，二者如何換算？”……簡單10 min的理論問答，不僅將理論和實驗融合，更引起學(xué)生對本次實驗的重視，主觀能動性調(diào)動起來，課堂氣氛變得熱烈。

(2) 實驗使理論直觀深刻。許多學(xué)生都曾為應(yīng)付考試死記硬背過，比如真實液態(tài)混合物的溫度-組成相圖，那樣一張貌似兔子耳朵，具有最低恒沸點的圖對大多數(shù)學(xué)生來說都不知從何而來。事實上，在實驗中只要通過實驗教師簡單的點撥，“為什么會有最低點出現(xiàn)？”，“這個點有何特別之處？”，“理想系統(tǒng)中易揮發(fā)組分在氣相中的相對含量總大于平衡液相中，具有恒沸點的系統(tǒng)又是怎樣的？”。一步步引導(dǎo)學(xué)生弄清楚這些問題后便豁然開朗，在大腦中形成一張立體知識網(wǎng)絡(luò)，深刻不忘。

(3) 必須強調(diào)“實驗結(jié)果與討論”中的理論分析。實驗結(jié)果與討論是科研工作中最重要的一個環(huán)節(jié)，但是在數(shù)據(jù)優(yōu)先的分數(shù)指揮棒下，許多學(xué)生并未真正重視對實驗結(jié)果的探討。通常，數(shù)據(jù)不好就羅列出一系列可能的操作失誤，至于哪一個起決定性作用，是如何影響數(shù)據(jù)結(jié)果的，理論上為何如此，一概不管?，F(xiàn)在，我國很多科研工作者都遇到這樣一個瓶頸，實驗中條件和影響因素都摸的很清楚，但是要從理論上解釋從原理上闡明就是含糊不清，這很可能與本科階段就養(yǎng)成的重結(jié)果輕分析的毛病有關(guān)。因此，在低年級本科實驗教學(xué)中，必須強調(diào)對于實驗結(jié)果的分析討論，盡早鍛煉學(xué)生從理論、原理的角度剖析結(jié)果的能力。

2.2 從實踐中來，到科研生產(chǎn)中去

(1) 從科研及生產(chǎn)出發(fā)的實驗內(nèi)容[14]?；I(yè)學(xué)生，“雙液系氣-液平衡相圖測繪”的切入點放在石油化工中如何利用相圖指導(dǎo)生產(chǎn)，比如怎樣獲得某一沸點的純餾分。針對環(huán)境專業(yè)學(xué)生，“燃燒熱的測定”實驗樣品我們鼓勵學(xué)生自己去發(fā)掘，變?yōu)椤吧顝U物熱質(zhì)測定與發(fā)電可行性”科研小課題。針對生物專業(yè)學(xué)生，“蔗糖水解反應(yīng)速率常數(shù)”實驗中的水解催化劑采用學(xué)生自己發(fā)酵得來的酶，提高了實驗的綜合性；而對于藥學(xué)專業(yè)學(xué)生，該實驗的側(cè)重點則放在旋光性物質(zhì)的特性上，啟發(fā)學(xué)生思考為什么西藥的發(fā)展趨勢是手性藥物，拓展學(xué)生的知識面。

(2) 與生產(chǎn)實際對接的實驗?zāi)Ｊ健榱舜蚱茟T有的實驗套路，我們嘗試用模擬職場等方式來進行實驗教學(xué)。例如，學(xué)生是公司新人，實驗項目是客戶訂單，實驗報告是企劃方案，讓學(xué)生站在職場考驗的角度完成實驗。如此以來學(xué)生很容易領(lǐng)悟，原來實驗報告的圖畫出來不單是給自己看的，更是給領(lǐng)導(dǎo)、給客戶看的。圖要有圖題，且必須位于圖的正下方；比例尺的選取要方便易讀；測量精密度要在圖中以有效數(shù)字形式表示清楚；數(shù)據(jù)點必須明顯標出，可用不同符號標記?？傊?，與人方便，于己才能脫穎而出。僅是對教學(xué)模式進行一點簡單的轉(zhuǎn)變，就能讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)并反省凡事以自我為中心的習(xí)慣，比“填鴨式”教學(xué)的效果好很多。

(3) 訓(xùn)練科學(xué)思維，培養(yǎng)科研素質(zhì)?！皟?yōu)秀是一種習(xí)慣”，本科低年級學(xué)生在科研上猶如一張白紙，及早訓(xùn)練正確的科學(xué)思維方式，培養(yǎng)良好科研素質(zhì)，樹立嚴謹?shù)目茖W(xué)態(tài)度，將會為日后這批年輕人成長為創(chuàng)新拔尖的高水平人才打下堅實的基礎(chǔ)。① 要辯證看待實驗中的錯誤[15]。不要讓學(xué)生養(yǎng)成實驗數(shù)據(jù)“理想”就好的心理，通常，教師更希望看到學(xué)生得到意料之外的結(jié)果。引導(dǎo)學(xué)生找出問題，分析問題，進而解決問題，從錯誤中體會現(xiàn)象和理論之間的內(nèi)在聯(lián)系。此時才是鍛煉學(xué)生觀察、分析能力，理論聯(lián)系實際的大好機會。比如，燃燒熱實驗結(jié)束后有黑色物質(zhì)殘留，學(xué)生經(jīng)過一系列的復(fù)雜操作卻得到這樣的結(jié)果打擊很大。此時教師適當引導(dǎo)：“黑色殘留物是什么，為什么沒有燃燒完全？”，“實驗值與理論值相比怎樣？”。只要分析討論的好，甚至可以得到A+的好成績。慢慢地學(xué)生不再畏難，不懼失敗，逐步學(xué)會分析和總結(jié)，更不會為了好成績而抄襲造假。② 要注重實驗細節(jié)。細節(jié)決定成敗，實驗中亦是如此。燃燒熱實驗中很容易因為微小的失誤造成整個實驗的失敗，比如片劑硬度不合宜，鐵絲未綁好，溫度計探頭沒有放置水中，攪拌未開等。教師在實驗前除了安全問題，不必把其他的注意事項說的很明確，應(yīng)當放手讓學(xué)生去做，經(jīng)歷過失敗才能學(xué)會如何避免失敗，下一次才會更加細心謹慎。③ 要培養(yǎng)良好的實驗素養(yǎng)。包括實驗前認真準備，學(xué)會事先在心中“畫”出實驗的本領(lǐng)；實驗中科學(xué)合理的安排先后步驟；實驗后清洗和整齊擺放實驗儀器；整個實驗過程中善于發(fā)揮團隊的力量等。一位從哈佛大學(xué)做訪問學(xué)者回來的教師感慨，一次他在實驗后沒有將用完的儀器放回指定位置，第2天就被在組會上不點名批評。整齊有序的實驗環(huán)境，我為人人，人人為我的實驗氛圍是做好科研和實際工作的前提保證。

2.3 理論、實踐與科研三位一體

(1) 理論、實踐與科研應(yīng)當有機地融合。“學(xué)而時習(xí)之”，強調(diào)要知行統(tǒng)一，理論聯(lián)系實際。用理論指導(dǎo)實踐，以實踐為科研生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)；在開展科學(xué)研究、產(chǎn)出成果之后，反過來豐富原有學(xué)科和理論，提升實驗教學(xué)內(nèi)容、方法和手段，滿足科技發(fā)展對人才培養(yǎng)的要求。如此才是理論、實踐與科研真正的三位一體。

(2) 產(chǎn)、學(xué)、研結(jié)合，為人才成長提供沃土。課堂教學(xué)的時間是有限的，教師應(yīng)當鼓勵有志的學(xué)生，通過學(xué)生自己找課題或教師拿出科研、企業(yè)項目，借助個性化實驗、SRTP以及相關(guān)比賽等平臺，支持學(xué)生將課堂的興趣延續(xù)到課下來，讓學(xué)生自主化、個性化、多元化發(fā)展。通過產(chǎn)教融合、校企合作、工學(xué)結(jié)合，培養(yǎng)生產(chǎn)一線的高層次技能人才，逐步實現(xiàn)人才培養(yǎng)和就業(yè)需求的無縫對接。本學(xué)院教師曾經(jīng)指導(dǎo)學(xué)生進行“超疏水汽車擋風(fēng)玻璃”SRTP項目，該項目獲得了全國大學(xué)生“挑戰(zhàn)杯”科技大賽的三等獎，還吸引了深圳一家企業(yè)前來咨詢合作。

(3) 提高教學(xué)質(zhì)量。培育高素質(zhì)人才歸根結(jié)底還是在于人，在于所有教育工作者的努力。理論教師、實驗教師和科研教師要打破界限，充分溝通，相互學(xué)習(xí)。除了教學(xué)水平的自我完善，實驗教師還必須從理論修養(yǎng)和科研能力兩方面不斷提高自身素質(zhì)。一個不鉆研理論，對科研不聞不問，只埋頭于儀器操作和實驗技能的實驗教師一定不是一位優(yōu)秀的實驗教師。只有教師自己的眼界開闊了，跟上時代發(fā)展和事業(yè)要求，才能幫助學(xué)生望的更遠，達到更高的高度。

3 結(jié) 語

大學(xué)教育不能自娛自樂，為了培養(yǎng)市場需要的應(yīng)用人才，培養(yǎng)創(chuàng)新拔尖的科研人才，實驗教學(xué)必須肩負起啟下(基礎(chǔ)理論)承上(科研生產(chǎn))的作用。通過幾年的改革探索和不斷的總結(jié)創(chuàng)新，“理論、實踐與科研三位一體”模式在物理化學(xué)實驗教學(xué)中逐漸顯示出良好的效果。學(xué)生普遍反映實驗變得滋滋有味又富有營養(yǎng)，學(xué)生的綜合素質(zhì)得到了明顯提高。目前，三位一體的教學(xué)模式已被推廣到其他實驗課程中去。時代在發(fā)展，科學(xué)在進步，高等教育改革不可能一勞永逸，面對新的問題和挑戰(zhàn)，我們要在教學(xué)中不斷探索實踐，為培養(yǎng)“致天下之治”的人才貢獻自己的力量。

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A New Mode of “Union of Theory, Practice and Research” for Experimental Teaching of Physical Chemistry

GUOTing,MENGTao,FANGYi,TONGZhi-ping,SHUXue-bin

(Experimental Center, School of Life Sciences and Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

In this article, the problems in the present experimental teaching of physical chemistry have been discussed. The problems include the split between practice and theory, and the lag between practice and research. Accordingly, a teaching mode of "union of theory, practice and research" has been proposed. A series of new measures of teaching reform have been carried out for the development of technologically applied professionals as well as advanced scientific researchers.

physical chemistry experiments; teaching reform; theory and practice

2014-06-22

郭 婷(1981-)，女，江蘇南京人，博士，工程師，主要從事物理化學(xué)實驗教學(xué)和功能材料科研工作。

Tel.:028-66366959；E-mail:tt-g-19@163.com

O 641； G 642

A

1006-7167(2015)05-0138-03