当前大学物理化学实验教学中的问题与探讨*

时间：2024-07-28

易松健，扶雄辉

(暨南大学化学与材料学院化学系，广东广州 510632)

“物理化学实验”是一门理论性、实践性、综合性、研究性很强的课程，是需要综合运用物理和化学原理与技术，方法与仪器及数学运算工具等多方面的知识课程[1-2]。物理化学实验与其他化学实验(如无机化学，有机化学)相比更侧重于对化学规律的解释，是理工类院校面向化学，环境，药学和材料等专业人才的一门重要课程，是理论性很强的物理化学的重要组成部分[3]。随着国家提出建设创新型国家的目标的要求，培养大学生创新能力，提高学生科学素养成为每所高校的重要任务。如何有效地为国家输送创新型人才成为高校教学的热点[4-7]。理论与实践相结合，实验教学是培养学生创新能力，工程实践能力的重要途径，是创新人才培养中不可或缺的环节。如何提高教学的成效，充分调动学生学习的积极性，成为高校教学改革的重点[8-10]。

去年2018年秋季，是第一批千禧学生进入到大学校园，他们在成长的过程中所接收到教育以及所处的环境已经不同于90后学生，他们具有更开阔的视野，对新鲜事物的接受能力更强，对于学习更有自己的主见等新特点,为了提升本校的物化实验教学效果，我们面向化学与材料学院，药学院，环境学院，国际学院的2018级和2017级学生开展了相关的问卷调查，发放问卷100份，回收87份。

1 学生对实验课程的重视程度

调查结果见图1。问卷调查数据显示，认为物化实验“十分重要”和“重要”的学生共有73人，分别占有47.13%和37.93%，而认为“一般”和“没必要”共有14人，分别占13.79%和1.15%。从数据中，我们可以看出，新生代学生对于物化实验课程的重视程度还是很高的，能够很好地认识到实验课程的学习对于理论学习有重要指引作用，只有少数的同学认为实验课程开设不是很重要，这值得我们去关注，去考虑是课程设置，还是课程内容难度导致这少部分学生不重视实验的学习。

以上结果，对于实验教学的老师也提出更高的要求，在实际的教学过程中，要更加注重引导学生，激发学生的兴趣与思考，让其深刻体会实验过程中所蕴含的科学规律。譬如在基础实验课“表面活性剂临界胶束浓度的测定”中，我们可以提问学生思考为什么表面活性剂浓度升高，到达某个特定值后，会发生物理性质的突变，我们这里是使用电导率来表征，那是否能利用透光率或者折射率来进行表征呢，做到以点带面，能够让学生学会举一反三。物化实验作为理工类的实验课程，原理以及操作会相对枯燥，因此可能会造成部分学生对于学习缺乏兴趣，所以我认为教师在上课的过程中可以适当加入一些人文类的知识，譬如讲述表面活性剂在日常生活中的应用，如最常见的洗衣液，护肤品等化工产品就会加入表面活性剂的以起到润湿的作用。通过增强学科知识与生活的联系，理论联系实际，提高学生学习的兴趣。

图1 实验课程的重视程度

2 通过实验学习，学生希望得到哪些方面的提升？

在了解完学生关于实验课程重视程度后，我们继续关注学生进行实验的核心驱动力。数据显示，选择“加深对物化基本原理的理解”、“学习仪器操作方法”和“实验技能的培养”学生数最多，基本都达到70人左右，约占总人数的78%，而选择“锻炼实验思维”和“数据记录及分析方法”的学生人数居中，分别为53人和56人，然最后选择“实验手段”的学生人数最少，仅有42人，不到总人数的50%。结果表明，大部分学生进行实验的目的是希望通过实验的学习，增强对知识的理解以及运用，并从中掌握仪器的操作的方法，为未来自己所从事的专业工作储备相关的技能。但是，我们的学生却忽略了实验的学习对于思维锻炼的重要性，因为在真正的科研当中，实验的思路以及手段的选择都是内生的，它是无法通过导师的指引产生的，它需要自我反思，自我归纳，总结经验从而产生属于自己的方法学，还有实验数据的记录也是非常重要的，数据记录的规范性，精度选择，单位以及温度压力条件等等，对于将来要选择继续深造的学生来说，这些都是获得科研成功的基本保证。

针对这一调查结果，我们计划在实验的教学过程中新增两方面内容：第一，在讲授实验原理的时候加入实验手段选择的内容，譬如在“乙酸乙酯皂化反应速率的测定”这个常规实验中增加新的测定方式，将使用电导率测定改为折光率测定来监控反应速率，以及引导思考是否还存在别的测定方法，将实验方法的选择进行对比总结，归纳不同方法的优异，实现对学生思维的锻炼训练。第二，加强数据记录的规范性，如实验“恒温水浴的性能测试”中着重强调实验记录需要精确到小数点后4位，若记录不准确，将带入误差，导致结果无法正确反映恒温水浴装置的性能。所以教师在学生进行实验的过程中，需时刻观察学生是否出现异常数据，及时指出问题数据。

图2 实验教学中几个重要的方面

3 学生对哪些实验比较感兴趣

目前，我校物化实验课程主要面向理工类学生开设，所涉及的课程内容大多为验证性的实验，直到前年才增设了物化综合性实验。在本次调查当中，超过71%的学生选择了对“验证性实验”感兴趣，紧随其后的是“综合性实验”大约为60%。另外我们还增加了四个可选项“设计性实验”，“开放性实验”,“课题研究性实验”,“自拟课题型实验”，选择人数分别为36人，33人，38人，13人。分析数据可知，大部分学生对于已开始的验证性和综合性实验感兴趣程度高，而未来我们希望新增的课程，如设计性实验则对于学生的吸引性不突出，分析原因，可能是由于对内容的陌生及接触少，所以比较少的学生选择，而“自拟型实验”选择人数最低，这恰恰说明了学生此类无指引的开放型实验的不适应，这需要我们做好更多的铺垫才能引进此类课程。

图3 实验类型的选择

美国著名的科学家芝加哥大学施瓦布认为：学生学习的过程与科学家研究过程本质上是一致的，其实，关于大学物理化学实验课程引入研究型课题在许多高校已经开展了。结合本次调查结果，我们计划将在已开展的综合性实验的基础上，每个学期增设研究型课题，即在成熟的探究体系下，由导师提出研究的课题，并提供相关文献，由学生自主设计实验方案，导师初步审核其可行性后开展研究性实验，譬如综合性实验“锂离子三元电池组装和电池性能测试实验”中涉及到碳材料的制备，基本的方案是通过木屑的燃烧收集炭黑得到，我们可以将课题更新为“不同碳材料锂电的性能测试”，其探究材料可以拓展至活性炭，花生壳，树叶等一切含碳物质，让学生从文献出发选择最佳的实验材料，从而达到提升学生自主研究的能力。另一方面，实验教师在准备基础课程内容的同时，也要紧跟进自己学科的前沿信息，如锂电制备及性能，电化学产氢产氧等，在今后的综合实验中都可适当引进，不断更新实验内容。

4 学生是如何进行实验前的预习？

实验课前预习是实验能够安全有效开展的重要前提。那么本校的学生是如何进行课前的预习的呢，这次的调查给了我们答案，占有半数的学生(49.4%)的学生“根据讲义内容，抄写完成预习报告”，仅有三成(34.8%)的同学会选择“结合课本内容，理解性地完成预习报告”，剩下少部分的同学会选择“在课上结合教师的讲解完成预习报告”，甚至“根据自己理解直接开展实验，预习报告后续补上”。由统计结果我们看到，大部分学生的预习步骤都仅是停留在机械地抄写讲义，并没有完全理解实验的目的以及操作步骤要求，这也能解释为何在下一相关问题“你会关注教师在课堂上的哪些内容”中选择“操作步骤的要求”的学生人数最多，这是由于学生学习积极性的缺乏而导致的结果。

基于这一结果，我们计划在预习实验阶段进行内容的改变，首先是实验讲义的重新编撰，相比于以前的将实验原理完整地写入讲义中，我们将重要的公式，以及理论推理改由填空的方式来完成，如实验“最大泡压法测定溶液的表面张力”的实验中涉及到吉布斯(Gibbs)吸附等温式和附加压力与气泡曲率半径间的数量关系两条重要的公式，以前是直接给出套用，现改为学生填写。其次，对实验步骤进行简化，只剩下核心操作流程，具体的仪器操作，数据记录需要学生自主完成，如实验“二组份合金体系相图的绘制”中实验操作只保留简单的加热以及达到加热温度后的冷却步骤，具体仪器操作将改为自主阅读仪器说明书，以及课堂上教师的演示，要求学生学会阅读并动手操作。

图4 学生预习的方式

5 任课教师课堂上讲授内容的重点是什么？

为了提供教学质量，保证学生能够更好地掌握实验原理及操作，我们有必要考察一下学生在实验课堂上所关注的内容，这样任课老师就能够有的放矢，将更多的精力集中在学生在实验中出现的问题上。在图5中，我们可以看到大部分学生比较关注的是“实验的方法与步骤”和“实验原理以及内容”，分别有71人和64人，由此说明学生对于实验内容理解存在难度，并且课前预习并不是很充分，这里需要任课教师进行更详细的操作演示，譬如相图绘制实验中用的数字控温仪和可控升降温电炉属于不常用仪器，所以在阅读说明书的前提下补充教师演示操作。同时，超过半数的同学还会关注“实验过程中的注意事项”和“数据处理的方法”，这调查结果也与调查成绩评定时参考标准是一致的，注意实验过程的细节，确保实验顺利进行并且记录数据正确有效，是获得较优成绩的重要前提。最后，“数据记录的要求”和“相关知识的延伸拓展”并没有受到学生的重视，仅有接近半数的同学选择了这两个选项，从侧面证明学生还是比较关注实验的结果，容易忽视了数据获取的要求以及思维延伸，所以这里强调教师在讲授的过程中要适当的延伸，引发学生的思考，增强学生的学习主动性，帮助学生做到学以致用，触类旁通，而数据记录则需要继续强化，因为这是培养学生形成科学严谨的态度和素养的重要保证。

图5 实验课堂讲授内容

6 实验成绩评定的依据是什么

目前，大部分实验的成绩是以实验操作规范以及数据准确性为参考，我们认为这标准比较片面并且容易导致学生只关注实验的结果以及操作，无法体现其对知识的掌握程度。基于此，我们在问卷中调查学生认为成绩评定应该以什么内容来考量，以求完善当前的实验成绩评价体系。从图6中我们可以看到，分列前二的是“实验操作的规范性”和“数据的真实性及有效性”，人数高达69人和64人，由此可见学生对以往的成绩评定要求非常清晰，但令人值得反思是，这样的评价方式是否已经让学生造成了思维的定势。另外，认为“实验后的思考与反思”和“实验报告的撰写”是成绩评定的重要组成部分同学，也分别有57人和45人，说明学生还是会关注实验结果外的知识内容，对实验报告的撰写逐渐重视起来。但是，仅有20人选择了“预习过程”，说明大部分同学没能认识到预习的重要性，预习是初步了解实验目的和操作的过程，是开展实验的重要环节。

图6 实验成绩的评价标准

综合考虑之下，我们计划制定新的成绩评定方法，单项实验成绩=(预习报告+实验操作+数据记录)×70%+(实验项目拓展+思考+实验报告完成质量)×30%，期末的总成绩就是每次实验成绩的平均值。新的评价方法既延续了之前所强调的实验操作以及数据结果，但同时也体现了预习的重要性，希望通过纳入成绩评定，能够引起同学们的重视。此新办法能够更多维更客观地反映学生的真实实验综合能力。