應(yīng)用化學(xué)專業(yè)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程設(shè)置改革

楊冬梅++王軍

[摘 要]物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)作為理論課教學(xué)的輔助手段，綜合了化學(xué)領(lǐng)域中各分支所需要的基礎(chǔ)研究工具和方法，是化學(xué)實(shí)驗(yàn)科學(xué)的重要組成部分。通過分析東北大學(xué)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程中存在的問題，對(duì)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程設(shè)置進(jìn)行了改革，采取增加新的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、改革實(shí)驗(yàn)方案、重組實(shí)驗(yàn)內(nèi)容以及開設(shè)大型、綜合性實(shí)驗(yàn)等措施。教學(xué)實(shí)踐證明，重新設(shè)置后的物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程有助于培養(yǎng)學(xué)生的科研素質(zhì)，能提升學(xué)生的實(shí)踐技能，對(duì)培養(yǎng)科研拔尖創(chuàng)新人才有重要意義。

[關(guān)鍵詞]應(yīng)用化學(xué)專業(yè)；物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)；教學(xué)改革

[中圖分類號(hào)] O64；G642.0 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 2095-3437（2016）02-0145-03

物理化學(xué)是東北大學(xué)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)的學(xué)生在完成了無機(jī)化學(xué)、分析化學(xué)的學(xué)習(xí)之后，繼續(xù)修學(xué)的又一門化學(xué)基礎(chǔ)課程。[1]物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)作為理論課教學(xué)的輔助手段，綜合了化學(xué)領(lǐng)域中各分支所需要的基礎(chǔ)研究工具和方法，是化學(xué)實(shí)驗(yàn)科學(xué)的重要組成部分。[2]學(xué)生能通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證所學(xué)的理論，鞏固和加深對(duì)物理化學(xué)原理的理解[3]，提高對(duì)物理化學(xué)知識(shí)的靈活運(yùn)用能力，這有利于培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和創(chuàng)新精神[4]，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。因此，科學(xué)合理地設(shè)置物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容，對(duì)構(gòu)建完整的化學(xué)基礎(chǔ)課程體系、提高學(xué)生的培養(yǎng)質(zhì)量至關(guān)重要。[5]

一、應(yīng)用化學(xué)專業(yè)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程存在的問題

應(yīng)用化學(xué)專業(yè)的特點(diǎn)決定了其對(duì)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容深度、廣度和綜合度的要求不同于材料、冶金、成型、環(huán)境、生物工程等其他專業(yè)。東北大學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中心為遼寧省級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，為使學(xué)生能系統(tǒng)學(xué)習(xí)并掌握各種物理化學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)研究方法，便于教師在教學(xué)過程中實(shí)時(shí)掌控實(shí)驗(yàn)進(jìn)度和學(xué)習(xí)效果，實(shí)驗(yàn)中心為應(yīng)用化學(xué)專業(yè)單獨(dú)開設(shè)了兩個(gè)學(xué)期的物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程，而且取得了豐碩的教學(xué)成果。

然而，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及社會(huì)對(duì)應(yīng)用化學(xué)專門化人才素質(zhì)要求的提高，過去曾經(jīng)被師生們樂道的一些優(yōu)秀的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目已經(jīng)無法適應(yīng)當(dāng)前的需求。表1中分別列出了過去和現(xiàn)在為東北大學(xué)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)開設(shè)的物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。通過調(diào)查研究，我們發(fā)現(xiàn)過去制定的培養(yǎng)計(jì)劃主要存在以下兩個(gè)方面的問題。其一，由表1可以看出，大部分的物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，研究性、綜合性實(shí)驗(yàn)較少。這顯然不利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和解決實(shí)際問題的能力。其二，過去物理化學(xué)課程體系中理論課與實(shí)驗(yàn)課的課時(shí)比例為2∶1，即理論課課時(shí)是實(shí)驗(yàn)課的2倍。教學(xué)研究表明，雖然通過理論課的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以掌握較多的理論知識(shí)，但由于實(shí)驗(yàn)課時(shí)較少，學(xué)生的動(dòng)手能力較差，對(duì)實(shí)驗(yàn)室的各種基礎(chǔ)儀器設(shè)備的使用方法不能完全掌握，因此學(xué)生很難將所學(xué)到的各種實(shí)驗(yàn)知識(shí)融會(huì)貫通，這對(duì)其以后的學(xué)習(xí)和工作是十分不利的。而且由于實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目較少、內(nèi)容不新穎等問題，學(xué)生對(duì)物化實(shí)驗(yàn)課的重要性認(rèn)識(shí)不足，普遍存在重視理論課學(xué)習(xí)而輕視實(shí)驗(yàn)操作訓(xùn)練的現(xiàn)象，缺乏主動(dòng)學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)技能、掌握實(shí)驗(yàn)技術(shù)的積極性。因此，亟須對(duì)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的設(shè)置進(jìn)行改革。

二、應(yīng)用化學(xué)專業(yè)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程設(shè)置改革

（一）增加新的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

為培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和提升學(xué)生的綜合素質(zhì)，在東北大學(xué)教務(wù)處的大力支持下，根據(jù)培養(yǎng)科研拔尖創(chuàng)新人才的需要，我們重新修訂了應(yīng)用化學(xué)專業(yè)的培養(yǎng)計(jì)劃和物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱。大幅提高了實(shí)驗(yàn)課時(shí)在物理化學(xué)課程體系中的比例，將理論課和實(shí)驗(yàn)課的課時(shí)比由原來的2：1調(diào)整為1：1；實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目也由原來的12個(gè)增加到了現(xiàn)在的22個(gè)，并允許學(xué)生選做其中的20個(gè)實(shí)驗(yàn)。原教學(xué)大綱中設(shè)置的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中屬于熱力學(xué)模塊的實(shí)驗(yàn)較多，而屬于電化學(xué)和化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)知識(shí)模塊的實(shí)驗(yàn)較少。在教學(xué)過程中我們發(fā)現(xiàn)，由于學(xué)生對(duì)后兩個(gè)模塊中的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目接觸較少，缺少理論聯(lián)系實(shí)際的機(jī)會(huì)，所以對(duì)相關(guān)知識(shí)掌握得不好。因此，在修訂物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱時(shí)，除保留原有實(shí)驗(yàn)外，還增加了10個(gè)實(shí)驗(yàn)。其中包括熱力學(xué)模塊實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目1個(gè)，電化學(xué)模塊實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目3個(gè)，化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模塊實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目5個(gè)，界面與膠體化學(xué)模塊實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目1個(gè)。增加了新的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目后，物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容在各個(gè)知識(shí)模塊間的分布變得更加合理。通過物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生不僅能加深對(duì)理論知識(shí)的理解，還能開拓視野，提升綜合運(yùn)用理論與實(shí)驗(yàn)知識(shí)的能力。

（二）改革實(shí)驗(yàn)方案

除了增加新的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目以外，我們還對(duì)原來的一些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，以使實(shí)驗(yàn)方案更加合理。例如“表面張力和接觸角的測(cè)定”實(shí)驗(yàn)，原來的實(shí)驗(yàn)方案是通過測(cè)定毛細(xì)管的半徑和水壓計(jì)的壓差值，再利用氣泡最大壓力法中表面張力的基本公式計(jì)算出水的表面張力。這種實(shí)驗(yàn)內(nèi)容比較單一，學(xué)生做實(shí)驗(yàn)的興趣不高。通過反復(fù)的測(cè)試和調(diào)整，我們將實(shí)驗(yàn)方案修改為測(cè)定一系列濃度不超過0.1mol·L-1的正丁醇水溶液的界面張力，再根據(jù)吉布斯吸附公式計(jì)算溶液表面的吸附量以及正丁醇的橫截面積。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容調(diào)整后，學(xué)生普遍反映對(duì)界面張力的性質(zhì)、表面自由能的意義以及界面張力和吸附的關(guān)系了解得更透徹了。再例如“冰點(diǎn)下降測(cè)分子量”實(shí)驗(yàn)，原來的實(shí)驗(yàn)方案是分別測(cè)定水和濃度為0.3%的尿素水溶液的凝固點(diǎn)，再計(jì)算出尿素的分子量。由于尿素溶液濃度比較小，雖然選擇的溶液滿足稀溶液的條件，但測(cè)出的水與尿素溶液的凝固點(diǎn)之差不明顯。為了加深學(xué)生對(duì)溶液凝固點(diǎn)降低這一概念的理解，提高學(xué)生對(duì)這個(gè)物理化學(xué)現(xiàn)象對(duì)人們生產(chǎn)生活所產(chǎn)生影響的認(rèn)識(shí)，經(jīng)過多次對(duì)比實(shí)驗(yàn)，我們最終確定將實(shí)驗(yàn)中所用的尿素溶液濃度提高到1%，從而使測(cè)得的凝固點(diǎn)降低值達(dá)到0.3℃左右，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，獲得比較好的實(shí)驗(yàn)效果，達(dá)到了預(yù)期實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

（三）重組實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

針對(duì)物理化學(xué)學(xué)科的特點(diǎn)和應(yīng)用化學(xué)專業(yè)學(xué)生培養(yǎng)的需要，我們對(duì)一些物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行了調(diào)整。保留并整合了一些基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)以培養(yǎng)學(xué)生的基本操作能力。同時(shí)也拓展了一些經(jīng)典實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，將不同的知識(shí)點(diǎn)聯(lián)系在一起，使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中能靈活運(yùn)用所學(xué)的物理化學(xué)知識(shí)。例如在新增加的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目“臨界膠束濃度的測(cè)定”中，除了用電導(dǎo)法測(cè)定不同濃度的十二烷基磺酸鈉的電導(dǎo)率以確定其臨界膠束濃度外，還增加了臨界膠束濃度的另一種測(cè)定方法——界面張力法——的內(nèi)容。在實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生們采用兩種不同的實(shí)驗(yàn)方法確定相同表面活性劑體系的臨界膠束濃度，加深了對(duì)表面活性劑溶液性質(zhì)的理解，同時(shí)還對(duì)兩種不同的實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行了實(shí)際操作和比較。再例如在“原電池電動(dòng)勢(shì)的測(cè)定”實(shí)驗(yàn)中，我們采用電位差綜合測(cè)試儀取代了原來使用的電位差計(jì)和檢流計(jì)，顯著縮短了實(shí)驗(yàn)過程中儀器調(diào)試占用的時(shí)間，并增加了新的內(nèi)容以充分利用這些節(jié)余下來的寶貴時(shí)間。經(jīng)過對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的重新設(shè)計(jì)和組合，學(xué)生在測(cè)定了以銅/硫酸銅為半電池構(gòu)造成的原電池電動(dòng)勢(shì)后，還可以繼續(xù)測(cè)定不同溫度和不同濃度的硫酸銅水溶液對(duì)溶液電導(dǎo)率的影響，進(jìn)而分析對(duì)原電池電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的影響。因此，重組后的“原電池電動(dòng)勢(shì)的測(cè)定”實(shí)驗(yàn)已經(jīng)成為一個(gè)綜合性較強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)，而不再是一個(gè)簡(jiǎn)單的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。通過對(duì)這個(gè)實(shí)驗(yàn)的訓(xùn)練，學(xué)生可以對(duì)理論課中學(xué)到的電化學(xué)熱力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)有比較全面且深入的理解。

（四）開設(shè)物理化學(xué)大型綜合性實(shí)驗(yàn)

為培養(yǎng)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)學(xué)生的綜合素質(zhì)和科研能力，從2003年開始，我們又將物理化學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)與教師科研成果相結(jié)合，面向應(yīng)用化學(xué)專業(yè)本科學(xué)生開設(shè)了一套大型綜合性實(shí)驗(yàn)——聚苯胺的制備、表征及性能測(cè)試。這個(gè)大型綜合性實(shí)驗(yàn)總共包括6個(gè)子實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目：聚苯胺的化學(xué)法制備、聚苯胺摻雜-反摻雜性能研究、聚苯胺的電化學(xué)法制備及電化學(xué)性能測(cè)試、聚苯胺電化學(xué)催化性能研究、聚苯胺氣敏性研究、聚苯胺在不同pH值的酸溶液中的電化學(xué)響應(yīng)。學(xué)生完成這個(gè)大型綜合性實(shí)驗(yàn)需要24學(xué)時(shí)。在實(shí)驗(yàn)前，我們要求學(xué)生獨(dú)立查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料并設(shè)計(jì)出完整的實(shí)驗(yàn)方案，經(jīng)與指導(dǎo)教師討論確認(rèn)后，才能通過網(wǎng)上預(yù)約確定實(shí)驗(yàn)時(shí)間并進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室做實(shí)驗(yàn)。學(xué)生在獨(dú)立完成全部子實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目后，應(yīng)按照通用的學(xué)術(shù)研究報(bào)告標(biāo)準(zhǔn)寫出綜述報(bào)告，并對(duì)實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象及出現(xiàn)的問題開展分組討論。數(shù)年的實(shí)踐結(jié)果表明，這項(xiàng)綜合實(shí)驗(yàn)的設(shè)置，不僅使學(xué)生熟悉了多種電化學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備（例如，四探針電導(dǎo)率測(cè)試儀、電化學(xué)工作站以及CHI軟件）的使用方法，還對(duì)導(dǎo)電有機(jī)高分子材料有了一定的了解，有利于培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用知識(shí)、獨(dú)立解決實(shí)際問題的能力，并為學(xué)生將來從事科研工作打下了基礎(chǔ)。

三、課程設(shè)置改革后的成效

近幾年來，通過對(duì)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程不斷研究和改革，不僅提升了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作技能，提高了學(xué)生做實(shí)驗(yàn)的主動(dòng)和積極性性，而且培養(yǎng)了學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和創(chuàng)新精神。實(shí)踐證明，重新設(shè)置后的物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程有助于培養(yǎng)學(xué)生的科研能力，對(duì)培養(yǎng)科研拔尖創(chuàng)新人才有重要意義。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

[1] 王軍. 對(duì)大學(xué)物理化學(xué)課程教學(xué)的思考[J] . 教育進(jìn)展， 2013（3）：13-16.

[2] 王巖，李三鳴. 新課程體系下物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革[J]. 實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2012（1）：55-57.

[3] 楊冬梅，王軍. 物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的總體設(shè)計(jì)及實(shí)踐[J]. 高等理科教育，2008（6）：103-105.

[4] 張國(guó)林，韓瑩，薛懷國(guó)，等. 大學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程體系的改革與實(shí)踐[J]. 大學(xué)化學(xué)，2010（1）：23-25.

[5] 王軍，楊冬梅，霍玉秋. 創(chuàng)新型人才培養(yǎng)模式下的物理化學(xué)教學(xué)研究與改革[J]. 大學(xué)教育，2015（5）：99-101.

[責(zé)任編輯：陳 明]