新时代物理化学实验的教学改革与探索

刘冬(南京工业大学，江苏 南京 211816)

0 引言

物理化学实验是研究化学基本理论和解决化学问题的重要手段和方法。因化学与物理学之间的联系极其紧密，化学过程包含或伴有物理过程，而物理过程又能影响或者引发化学过程，故物理化学实验是利用物理的原理、技术、仪器和方法，借助数学处理工具，研究化学反应系统中物理性质和化学性质变化规律的基础学科[1]。

随着当代科技的高速发展，社会对人才的知识结构、综合素质要求越来越高，物理化学实验教学作为高校实践教学工作的重要组成部分，是理论与实际联系的重要环节，是理论教学的必要补充和发展，是实现素质教育以及创新人才培养目标不可缺少的重要环节。其教学的主要目的不仅在于巩固和加深对物理化学理论课程中所学的基本理论和基本概念的理解，掌握物理化学实验的基本实验方法和技术，学会仔细观察和正确记录实验现象和数据，更在于培养学生理论联系实际、查阅文献资料的能力，使学生初步受到科学研究工作的启蒙训练，逐步养成实事求是的科学态度和一丝不苟的科学作风等良好习惯，实现由学习基础知识、基本技能到开展科学研究的初步转变，全面提高学生从事科研工作的思维能力、想象能力和创新能力[2]。然而，长期的教学实践表明目前的物理化学实验课程教学现状不能满足新时代对人才的需求，教学改革势在必行。

1 物理化学实验教学的现状

1.1 填鸭式被动教学

在物理化学实验教学中，教师为了保证在一定的课时内实验能顺利进行并完成，会倾向于花很多时间讲解实验步骤和设备的使用方法，甚至为了防止学生实验失败，直接将长年累积下来的实验小技巧倾囊相授，完全抑制了学生们思考与反复推敲的积极性。并且为了能保证实验的顺利进行，降低实验过程中会出现问题的几率，很多实验试剂和步骤都由实验师们在实验前提前给学生们准备和完成了。比如：可逆原电池电动势的测定用到的电解液都是提前配制好的；燃烧热测定的实验中，苯甲酸与蔗糖的压片是由实验师提前准备好的，甚至给氧弹充氧气的这一步有时也是由老师代劳[3]。显然为了在一定时间内实验教学的顺利进行，这些操作与安排牺牲了学生在实验中自我锻炼与自我成长的机会，这对全面提高学生的专业技能是非常不利的，远没有实现开设实验课程的目的。

1.2 实验内容更新缓慢，缺乏时代感

目前，大多数高校物理化学实验内容更新缓慢，多年来实验内容较为单一和固定，缺少符合时代感的实验内容。比如：在最开始做液体饱和蒸汽压实验时，是采用苯作为测定所用的试剂，但众所周知苯的毒性很大，可致癌；液体表面张力的测定实验最开始所用的试剂为正丁醇溶液，而正丁醇溶液有类似杂醇油的气味，其挥发性气体有刺激性，可引起咳嗽。这些试剂的使用，不仅会打击学生对物理化学实验的积极性与兴趣，更会影响学生的身体健康，并且也污染了环境，造成了不良影响。显然，这些都与当代“绿色化学”的主旨背道而驰。同时，物理化学实验内容大多数为经典性、验证性的实验，与物理化学的经典理论关联较为密切，缺少专业特色性和针对性，更鲜有与科研前沿性相结合的实验项目[4-6]。

1.3 考核评价机制单一

由于现存实验教学存在被动与机械填鸭式的缺点，导致实验教学的传统考核方式较为单一，通常是由平时成绩和期末成绩组成，而平时成绩主要是通过实验报告的完成情况进行考核。老师则根据实验报告是否撰写工整、实验数据处理误差大小、是否处理规范正确来评定成绩高低，使得学生对物理化学实验这门课程的关注点局限在实验报告的书写和完美的数据中。久而久之，学生将精力集中在实验报告中，认为数据误差小，报告字数多就能获取高分，甚至通过伪造数据的方式来完成报告，从而会造成一部分学生在实验过程中混水摸鱼，课后书写报告重量不重质。这种流于形式的实验报告难以实现以培养学生科学素养与创新能力的课程目标，自然在评定分数时，有失公允，无法有效激发学生的学习热情和培养专业的科学素养。

2 物理化学实验教学的改革与探索

2.1 优化教学过程，鼓励学生为主体的教学改革

传统的实验教学中，学生主要是机械重复实验步骤，虽然表现出了较高的实验完成效率，但是对学生专业技能和科研素养的培养效果不佳。通过优化教学全过程，要充分调动学生学习的积极性与主动性，引导学生独立地发现问题、分析问题和解决问题，逐步实现学生自我学习的角色转换[7]。

2.1.1 课前充分预习

当代互联网蓬勃发展，大学生们也大多热衷于网络，可以将现代化信息技术多媒体手段引入到课前预习中，利用网络中的精品课、名校课、公开课等，对课本知识进行可视化的预习与了解。建立学习兴趣小组和微信群，加强实验课上课前老师和学生的沟通与交流，提前了解他们实验的痛点与疑惑，在面对面实验教学中，有针对性地开讲实验课程，不仅可以有效提高教学效率，还可以增加学生们的积极性与主动性，更可以节约出大量的时间，增加学生们在实验中自我尝试和探索的机会[8-10]。

2.1.2 课堂中采用启发式和问题导向式教学方法

在课堂教学过程中，教师采用科学探究式教学，要以学生为主体，选择重点讲解，不要做到事事具细，面面俱到。教师根据实际情况，有针对性地提出一些启发性的问题，留给学生们独立思考和分析的空间，提高他们的思维活跃度。并且，可以在教学过程中采取学生教学的方式，即有选择性的摘出一些实验内容，由学生提前准备然后在课堂上进行讲解与演示，学生与教师角色的转变，可以帮助学生更加深刻的理解物理化学知识，引导学生对实验进行更加细致的观察、研究和分析[11-12]。实验过程中，教师要多走动，仔细观察学生们的实验情况，既能确保学生们认真做实验，还能及时指出学生们操作过程中的问题，加深学生对实验细节的印象，提高学生们对仪器和操作步骤的熟悉程度。

2.1.3 课后鼓励学生拓展

实验结束后，鼓励学生将实验所涉及的科学知识或者是实验技能拓展到科研前沿成果和技术中，以报告或者是PPT的模式呈现给教师，以此开阔学生的学术视野，培养他们学以致用，举一反三的能力，为后续科研之路奠定良好的学习习惯。

2.2 优化教学内容，注重科教融合

我院的化学实验教学中心的物理化学实验室承担了本校化学与分子工程学院、材料科学与工程学院、化工学院、能源学院、环境学院、制药与生命科学学院、安全科学与工程学院等学院将近26个专业课程教学。教研组本着“因材施教”的教育理念，根据专业的培养目标，最大化利用实验教学中心的资源，设置了19个实验，然后根据各个专业不同的教学目标、教学学时、开课时间、专业差异，在实验教学上选择不同的教学内容和形式，尽最大努力做到实验内容与专业相结合；教研组也通过结合各个专业的特点，对传统的实验内容做出适当调整，匹配专业学科。这样能让学生感受到理论与实践紧密结合，通过实验更加深入地理解理论，激发学生的学习兴趣[13]。

在实验内容设计上，我院物理化学教研组的教师们通过反复论证与尝试，将液体饱和蒸汽压实验与液体表面张力的测定实验所用的试剂改为乙醇，这样既解决了试剂的毒性问题，同时对于实验经费的节约和环境保护都很有利，并通过这种方式逐步树立学生牢固的绿色环保理念和培养学生不断尝试与创新的能力。因受制于厂地与经费，我院物理化学教研组将成熟的科研成果通过线上虚拟仿真的形式，将其融入到物理化学实验本科教学中。比如我院制作的高温高压合成分子筛催化材料虚拟仿真实验，将我校较具代表性的科研结果的一部分——MCM-22分子筛的合成与表征引入到基础物理化学实验教学中，将其中高危、高毒、高消耗部分以虚拟仿真的形式实现，学生可以灵活地设置各种参数、模拟条件，可以自如地模拟真实世界中的各种情况[14-15]。通过仿真，可以了解真实世界中无法实现的危险性操作，或者临界条件，极大地调动学生的学习主动性，开拓学生们的想象空间，让更多的学生更容易，更便捷地了解科研、熟悉科研，激发学生对研究的兴趣，培养学生的创新能力。

2.3 建立科学合理的考核体系

实验课程成绩评定是实验教学的重要手段，科学合理的考核体系既能反应学生综合实验能力，也能反馈实验教学的效果，能够有效促进教学质量的提高。传统的考核体系忽视了实验过程中基本能力的训练和培养，这样不利于学生科学素养的提高，也不利于严谨科学态度的形成[16]。物理化学实验课程是一门实践性很强的高等院校基础课程，为了更加科学合理地评价学生的学习过程，综合考核实验过程与实验结果，激发学生实验兴趣，提高实验能力，需要建立科学合理多元的实验考核体系。

考核方式由原来主要通过实验报告和期末考试(结论性评价)进行评分的考核形式向关注学生解决问题与思考过程中的积极性、创新性、条理性(过程性评价)等方向转变。比如：可以加重过程性评价的比例，将其设置到总成绩的60%；为了激发学生的实验操作的积极性，培养他们的专业素养，可以将过程性评价细分为课前预习检测(10%)，实验操作(30%)，实验完成情况(10%)，实验桌面整理、仪器归还情况(10%)；其中实验操作可以再细分为仪器使用熟练程度(10%)、实验操作规范程度(10%)、废液处理情况(10%)；实验报告和期末考试(结论性评价)设置为占总成绩的40%，其中实验报告成绩占20%，可细分为数据的合理性和真实性(5%)、误差分析(5%)、实验的应用拓展(5%)以及实验报告的完成情况(5%)。期末考试占20%，可以让学生自行查阅文献， 设计方案， 以写小论文的方式进行实验改进，根据学生实验操作的规范性以及方案设计的合理性来给出分数， 实行非标准化考试评价形式；只要学生在实验过程中操作规范，设计思路清晰， 不论实验最后成功与否，都应予以鼓励[17-18]。整个考核过程应该关注科研思维和创新意识的培养，这样才能实现物理化学实验教学提高学生理论联系实际、科学素养和综合运用能力的教学目标。

3 结语

我校根据物理化学实验的课程特点和新时代下人才培养的需求，在教学方法、教学内容和考核方式上进行了有价值的改革和探索。事实证明，改革后的物理化学实验教学，可以有效地避免传统教学模式的弊端，不仅为学生提供了一个自主宽松的学习环境，更可以潜移默化地激发学生创造研究的积极性，为学生就业工作和从事科学研究打下坚实的基础。但教学改革是一项持续且复杂的过程，只有不忘初心，砥砺前行，积极更新教育观念，不断地探索和实践，培养出适应社会发展的高水平专业素质的人才。