物理化學(xué)實驗思維導(dǎo)圖教學(xué)法考核標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定探析

魏 明，盧文卜，王夢婷，魏 虹，王雪寧

（1.南京醫(yī)科大學(xué)康達(dá)學(xué)院理學(xué)部，江蘇連云港222000；2.山西師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，山西臨汾041004）

“物理化學(xué)”作為化學(xué)專業(yè)的基礎(chǔ)課之一，它是從化學(xué)現(xiàn)象與物理現(xiàn)象的聯(lián)系入手，借助數(shù)學(xué)、物理學(xué)等基礎(chǔ)科學(xué)的理論及其提供的實驗手段，來探求化學(xué)變化中最具普遍性的基本規(guī)律的一門學(xué)科[1]。鑒于“物理化學(xué)”的學(xué)科特性，物理化學(xué)實驗也呈現(xiàn)出比較鮮明的特點，如在實驗的過程中，需要用到一些常用的測試儀器，如旋光儀、阿貝折光儀、分光光度計、粘度計等，并且需要利用Origin 等數(shù)據(jù)處理軟件對成組數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，這些都對學(xué)生的基本實驗素養(yǎng)提出了較高的要求。

1 思維導(dǎo)圖介紹

思維導(dǎo)圖又被稱之為概念地圖，是一種非常實用的思維工具，由英國人托尼·伯贊創(chuàng)建。在學(xué)科教學(xué)中，通過引入思維導(dǎo)圖教學(xué)法，可以通過將思維中心按照一定的邏輯關(guān)系合理外延，將原本隱含的邏輯關(guān)系形象化，便于學(xué)生快速把握章節(jié)脈絡(luò)，從而對全部內(nèi)容有較好的整體把握[2]。

2 思維導(dǎo)圖在物理化學(xué)實驗教學(xué)中的應(yīng)用

物理化學(xué)實驗大致可以劃分為三個部分：實驗操作、數(shù)理建模與數(shù)據(jù)處理。其中，學(xué)生對于數(shù)理建模與數(shù)據(jù)處理感覺難度較大。為了使學(xué)生能對物理化學(xué)實驗有清晰的認(rèn)識，筆者在授課過程中引入思維導(dǎo)圖，并確立了對應(yīng)的實驗課考核標(biāo)準(zhǔn)。

2.1 物理化學(xué)實驗簡況

圖1 為物理化學(xué)實驗的框架圖，從中可以看出，在物理化學(xué)實驗中，實驗人員需要測定大量的物理學(xué)信號，如時間、旋光度、折光率、吸光度、透光率等，繼而通過對體系數(shù)理模型的建立與數(shù)據(jù)處理，了解所研究化學(xué)反應(yīng)的具體情況。具體來說，物理化學(xué)實驗?zāi)芊耥樌M(jìn)行，取決于學(xué)生對儀器的熟悉程度，對物化基本知識的了解程度與數(shù)據(jù)處理的能力。學(xué)生在實驗的過程中，普遍反應(yīng)物化實驗整體難度較大。

圖1 物理化學(xué)實驗框架圖

2.2 物理化學(xué)實驗思維導(dǎo)圖教學(xué)法考核標(biāo)準(zhǔn)的確立

筆者在實際教學(xué)中，將思維導(dǎo)圖引入到物理化學(xué)理論，特別是實驗的教學(xué)中，通過對學(xué)生進(jìn)行全程的綜合考評，發(fā)現(xiàn)學(xué)生對所學(xué)內(nèi)容有了整體性的把握，加深了對相應(yīng)理論知識的理解?，F(xiàn)以“旋光法測定蔗糖水解反應(yīng)的速率常數(shù)”實驗為例，按照學(xué)生預(yù)習(xí)、教師講授、學(xué)生實驗過程和實驗報告完成情況等環(huán)節(jié)，詳細(xì)闡述思維導(dǎo)圖與物理化學(xué)實驗的有機結(jié)合。

所參考教材選自化學(xué)工業(yè)出版社《大學(xué)化學(xué)實驗》，主編為胡琴、許貫虹[3]，授課對象為南京醫(yī)科大學(xué)康達(dá)學(xué)院藥學(xué)專業(yè)二年級學(xué)生。

2.2.1 預(yù)習(xí)考評標(biāo)準(zhǔn)的確立（30% ）

要求學(xué)生在上課之前對實驗內(nèi)容進(jìn)行預(yù)習(xí)，初步進(jìn)行思維導(dǎo)圖的繪制，教師提前一天搜集。課前設(shè)定預(yù)習(xí)提問，如一級反應(yīng)具有哪些特征？哪些物質(zhì)具有旋光性？旋光儀如何判斷物質(zhì)左右旋？隨機抽查部分學(xué)生，根據(jù)學(xué)生回答情況，給予學(xué)生預(yù)習(xí)分?jǐn)?shù)。在提問的過程中，教師要做好回答記錄，確保班級所有學(xué)生至少輪轉(zhuǎn)一次。預(yù)習(xí)部分具體評分標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 實驗預(yù)習(xí)部分評分標(biāo)準(zhǔn)

2.2.2 指導(dǎo)性思維導(dǎo)圖結(jié)構(gòu)

在旋光法測定蔗糖水解反應(yīng)的速率常數(shù)實驗中，學(xué)生所需要用到的知識為化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)部分，所要用到的儀器為旋光儀，數(shù)據(jù)處理利用Origin8 進(jìn)行。實驗要求學(xué)生掌握利用旋光法測定蔗糖轉(zhuǎn)化的反應(yīng)速率常數(shù)，了解反應(yīng)物濃度與旋光度之間的關(guān)系并能熟練操作旋光儀。在完成預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)后，教師利用多媒體設(shè)備，投影指導(dǎo)性思維導(dǎo)圖，見圖2。

由圖2 可以看出，指導(dǎo)性思維導(dǎo)圖包含了實驗所考查的全部內(nèi)容，包含實驗理論、儀器、數(shù)據(jù)處理等內(nèi)容。該實驗所測的物理量為旋光度，通過旋光儀這雙“眼睛”，利用肉眼不可見的“視神經(jīng)”即In (αt-α∞) =kt+In (α0-α∞) ，我們可以知道整個反應(yīng)的動力學(xué)情況，從而計算其反應(yīng)的速率常數(shù)及活化能，而這個“視神經(jīng)”是本實驗的難點之一。

本實驗的難點之二，在于學(xué)生獲取旋光度的數(shù)據(jù)后，利用Origin8 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。學(xué)生之前習(xí)慣于用坐標(biāo)紙與Excel 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，初步接觸Origin8，需要一定的適應(yīng)過程。

圖2 蔗糖水解實驗指導(dǎo)性思維導(dǎo)圖

教師結(jié)合指導(dǎo)性思維導(dǎo)圖進(jìn)行講授，主要分為五個部分：①帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行理論課知識的回顧，切忌照本宣科實驗原理部分，重點回顧一級反應(yīng)、二級反應(yīng)和準(zhǔn)級數(shù)反應(yīng)的相關(guān)知識；②旋光儀的介紹、各部件的講解、使用方法介紹，由于我院采用的旋光儀為二分視野，需給學(xué)生強調(diào)與普通三分視野旋光儀的不同及讀數(shù)方法；③結(jié)合旋光度與濃度的關(guān)系（物化實驗中的核心），幫助學(xué)生找到隱藏的“視神經(jīng)”，將“眼睛”旋光儀看到的內(nèi)容，轉(zhuǎn)化成反應(yīng)體系中濃度的變化。對于基礎(chǔ)較好的學(xué)生，建議自己動手進(jìn)行推導(dǎo)，這對于學(xué)生思維能力的培養(yǎng)非常有推動作用；④Origin8 軟件的使用，包括數(shù)據(jù)錄入、作圖、分析、美化和輸出等內(nèi)容。

2.2.3 學(xué)生操作環(huán)節(jié)評分（30% ）

學(xué)生操作部分是整堂實驗課的主體部分，是對學(xué)生動手能力的綜合培養(yǎng)。在本實驗中，學(xué)生需要用到Y(jié) 型管、恒溫水浴鍋、旋光儀、秒表等設(shè)備，教師在授課的過程中，需仔細(xì)觀察學(xué)生操作，重點關(guān)注學(xué)生旋光儀的操作。在數(shù)據(jù)記錄方面，首先要求學(xué)生必須做好原始實驗記錄，特別注意有效數(shù)字的保留問題；其次，由于是動態(tài)監(jiān)測，要求學(xué)生在實驗過程中能準(zhǔn)確記錄對應(yīng)時刻的旋光度，特別是在溫度較高的情況下，這對學(xué)生的儀器使用能力提出了較高的要求，具體評分標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 實驗中操作部分評分標(biāo)準(zhǔn)

2.2.4 實驗結(jié)束部分評分標(biāo)準(zhǔn)的確立（40% ）

學(xué)生實驗結(jié)束，需上交實驗報告和修訂完成的思維導(dǎo)圖，教師依據(jù)數(shù)據(jù)處理情況和實驗報告完成情況給分。其中數(shù)據(jù)處理占比15% （表3），實驗報告占比15% （表4），修正后思維導(dǎo)圖占比10% 。

表3 數(shù)據(jù)處理部分評分標(biāo)準(zhǔn)

表4 實驗報告部分評分標(biāo)準(zhǔn)

如圖3 所示，一張標(biāo)準(zhǔn)的Origin 圖要包含圖名，擬合直線信息，特別需要注意標(biāo)明橫縱坐標(biāo)的含義。其斜率從圖中讀出為-0.034 9，從而得出25℃時反應(yīng)的速率常數(shù)k1=0.034 9min-1。

圖3 25℃蔗糖水解擬合曲線

一張完整的實驗報告，需要注明實驗的基本信息和實驗?zāi)康?、實驗原理、實驗儀器試劑、實驗步驟、數(shù)據(jù)處理、實驗反思等內(nèi)容，不得缺項。筆者設(shè)計的實驗報告題頭見圖4，通過增添氣壓、濕度等基礎(chǔ)實驗室數(shù)據(jù)，進(jìn)一步完善實驗報告內(nèi)容。

圖4 物理化學(xué)實驗報告范例

在實驗完成后，學(xué)生需結(jié)合實驗過程中的感性認(rèn)識將思維導(dǎo)圖進(jìn)一步完善，此部分分?jǐn)?shù)為10% ，具體評分標(biāo)準(zhǔn)參考表1 進(jìn)行。要讓每一位學(xué)生做到一個實驗一張圖，一張圖能帶領(lǐng)學(xué)生回憶實驗內(nèi)容，做好和理論課的銜接。

在此評判的基礎(chǔ)上，若學(xué)生出現(xiàn)遲到、早退、未穿實驗服、未戴護(hù)目鏡等違規(guī)現(xiàn)象，在總分的基礎(chǔ)上酌情扣減，填至評分表備注欄。

3 學(xué)生反饋情況

對南京醫(yī)科大學(xué)康達(dá)學(xué)院藥學(xué)專業(yè)16 級五年一貫制專轉(zhuǎn)本8 班、9 班與17 級藥學(xué)專業(yè)1～4 班采取此思維導(dǎo)圖教學(xué)后，學(xué)生對實驗課的興趣增加，對于理論知識的理解加深，特別是在推導(dǎo)所測物理量與反應(yīng)物濃度之間的關(guān)系，有了很大的提高，更好地實現(xiàn)了實訓(xùn)課程的教學(xué)目的。學(xué)生在完成本次實驗課后，根據(jù)指導(dǎo)性思維導(dǎo)圖，可以類比制作其余動力學(xué)實驗思維導(dǎo)圖，如分光光度法測定丙酮碘化速率常數(shù)等實驗（圖5）。在嚴(yán)格執(zhí)行評判標(biāo)準(zhǔn)的過程中，學(xué)生的自律性得以加強，最為顯著的特點是，學(xué)生可以通過查閱每一個小項的得分情況，快速了解自己實驗的薄弱環(huán)節(jié)，查漏補缺，從而提高自己的綜合實驗?zāi)芰Α?/p>

圖5 丙酮碘化速率常速的測定指導(dǎo)性思維導(dǎo)圖

4 總結(jié)

學(xué)生的興趣需要教師進(jìn)行合理的激發(fā)和引導(dǎo)，而思維導(dǎo)圖恰好幫助我們完成了這個任務(wù)。每一個實驗通過一張圖片進(jìn)行梳理和概括，通過顏色的搭配和圖形的變換讓學(xué)習(xí)不再變得枯燥，學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動性得以加強。細(xì)致評分標(biāo)準(zhǔn)的確立，使學(xué)生能快速發(fā)現(xiàn)自己的短板，及時補缺，使自己快速成長。

（感謝山西師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院盧文卜副教授在考核標(biāo)準(zhǔn)建立過程中給予的熱忱幫助）