應用化學專業物理化學綜合實驗的設計與實踐

楊冬梅 劉敏 王軍

［摘 要］東北大學在實驗課程建設中，針對應用化學專業開設了物理化學綜合實驗。東北大學的物理化學綜合實驗項目均來源于教師的科研成果。文章介紹了東北大學物理化學綜合實驗的組織與實施方法。通過參與物理化學綜合實驗，應用化學專業的學生可以了解當前的研究熱點以及大型儀器的使用方法和現代分析測試技術，提高了自身的動手能力，培養了科研興趣。

［關鍵詞］應用化學專業；物理化學；綜合實驗；設計

［中圖分類號］ G642.423 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 2095-3437（2022）09-0138-03

作為化學的一個重要分支學科，物理化學學科涉及的知識范疇十分廣泛。物理化學課程也成為化學、應用化學、生物化學、材料科學、冶金、資源與環境、能源、采礦等理工科專業的主要基礎課程[1]。而物理化學實驗則是物理化學課程的重要組成部分，是對學生實際操作能力、運用物理化學理論知識解決實際問題能力的訓練，對培養學生的科學研究能力和實踐創新能力具有重要作用[2]。

不同的本科專業對物理化學課程內容要求的側重點不同[3-5]。因此，在教學實踐過程中，在對課程基本內容進行充分講授的基礎上，我們會根據不同專業的特點設計不同的實驗內容，開展差異化教學，并設計了滿足不同專業需求的綜合性物理化學實驗項目。同時，前沿科研知識的引入也可以幫助學生了解物理化學學科的研究現狀和未來發展趨勢、拓寬知識面，并使學生具有積極探索未知科學領域的精神。下面就介紹我們近年來針對東北大學應用化學專業特點所進行的物理化學綜合實驗的設計與實踐。

一、開展物理化學綜合實驗教學的意義

東北大學應用化學本科專業人才培養計劃明確要求本專業學生應接受系統的科學思維培養和科學研究訓練，具有扎實的化學學科專業知識、實驗實踐技能、一定的工程技術知識以及在實踐中分析和解決問題的能力，成為高素質綜合型人才。而實驗教學是培養大學生實踐能力和創新能力非常重要的一個環節，是讓學生將所學的理論知識運用到實踐中的重要手段。因此，在幫助學生掌握化學各個分支領域理論知識、提升其化學素養的同時，我們也致力于鍛煉學生的化學實驗技能、培養其科學研究能力和創新精神。應用化學專業的學生在經過無機化學及實驗、分析化學及實驗等化學基礎課程和專業基礎課程的學習后，應通過物理化學綜合實驗的訓練強化他們對前期所學理論知識的理解并提升其理論結合實際的能力。

目前，東北大學面向應用化學專業開設的物理化學實驗一共有80學時，其中40學時是我們耳熟能詳的經典的驗證性實驗，例如“酸堿反應中和熱的測定”實驗、“量熱法測定萘的燃燒熱”實驗、“液體飽和蒸氣壓的測定”實驗，等等。另外40學時是研究性實驗，例如“電化學法測定化學反應的熱力學函數”實驗、“氣泡最大壓力法研究溶液界面上的吸附作用”實驗、“表面活性劑臨界膠束濃度的測定”實驗，等等。上述實驗內容可以滿足應用化學專業學生在物理化學理論課程學習過程中對相關實驗內容的基本要求。在此基礎上，我們還開設有24學時的物理化學綜合性實驗，以達到培養高素質綜合型人才的要求。因此，應用化學專業的學生在完成80學時的物理化學實驗后，可根據個人興趣參加若干物理化學綜合實驗項目。這種綜合性實驗訓練不僅可以加深學生對物理化學理論知識的理解、提高學生的實驗操作技能，還可以幫助學生學會使用多種專業軟件處理實驗數據的方法，同時學生還有機會學習使用一些現代化的大型科學儀器設備，為今后的職業生涯奠定基礎。

二、物理化學綜合實驗的設計

（一）設計的總體思路

針對目前社會對研究型、復合型化學人才的需求，我們將物理化學綜合實驗的設計重點定位在前沿性和創新性兩個方面。實驗項目的設置要既能反映學科前沿領域的研究進展，又能使學生接觸到先進的物理化學理論研究和實驗技術方法，從而達到開闊學生視野、啟發學生思維、提升學生研究和解決問題能力的目的。

實驗內容則以“物質的制備—結構表征—性能測試”為主線，盡可能地涵蓋物理化學學科內相關領域的知識與技術，并將無機化學、有機化學、分析化學、儀器分析中的相關知識融合到物理化學綜合實驗中，以提高化學各個分支學科領域之間的關聯度，使學生對所學知識能夠融會貫通，從而增加學生學習興趣，提升學生綜合運用化學知識的能力。

（二）物理化學綜合實驗的設計實例

根據化學實驗中心現有的儀器設備及實驗條件，經過充分分析和論證，我們將化學系教師當前的科學研究成果成功運用于物理化學綜合實驗中，所選擇的實驗項目盡可能地體現化學各研究方向的熱點、前沿和不同學科的交叉領域，先后設計完成了“納米氧化鋅的制備及其光催化作用的測定”“聚苯胺的制備、表征及性能測試”等大型物理化學綜合實驗。這些綜合實驗項目分別包含若干個子實驗項目，內容涉及物質的合成、先進測試儀器的使用、產品性能表征、實驗結果處理方法等。

在物理化學綜合實驗項目的選擇上，除了要體現實驗內容的綜合性，還要盡可能多地考慮實驗方法的多樣性，盡可能采用不同的實驗方法完成同一個實驗，以開闊學生視野，培養其運用發散的思維方式分析問題、解決問題的能力。例如在“聚苯胺制備”實驗中，可以采用電化學法，也可以采用化學氧化法合成聚苯胺，還可以鼓勵學生用溶液法和微乳液法嘗試合成，啟發學生從不同角度思考解決問題的方法，并盡可能地將所學知識融合在一起。

表1列出了東北大學理學院化學實驗中心近10年來針對應用化學專業學生開設的化學綜合實驗項目。學生可以根據興趣選做其中的1～2個實驗。隨著科技的進步，科學熱點不斷涌現，學生的興趣也在不斷發生變化。如果選做某一個實驗項目的學生人數過少，則該項目不能開設；如果實驗項目連續兩學年沒有足夠多的學生選擇，則會逐步被淘汰。為了給學生更大的選擇空間，也為了讓學生對科研進展有更多的了解，實驗中心根據教師的科研項目不斷調整更新綜合實驗項目，比如我們還將開設“室溫氫氣傳感器的制備及性能測試”實驗，這個實驗以二氧化鈦納米管和鈀修飾的二氧化鈦納米管作為氣體傳感器，讓學生了解半導體氣體傳感器的檢測原理，并掌握傳感器性能評價標準。通過這個實驗，學生對氫氣這種新興能源材料的存儲和利用過程中的高效檢測有了一定的了解。

三、物理化學綜合實驗課程的組織與實施

（一）實驗前

實驗開始前，學生需在教師的指導下，根據所選綜合性實驗項目獨立查閱相關文獻資料，了解實驗研究的相關背景、意義、原理、實施的可能性，以及國內外的研究現狀，在規定時間內寫出完整的實驗預案；與實驗指導教師討論具體的實施方案以及預想的難點，指導教師根據學生的選題引導學生盡可能地完善實驗細節，并對實驗預想的難點提出解決方案。物理化學綜合實驗的實驗項目由一系列的小實驗項目組成，每一個小實驗項目的順利完成與否，關系到下一個實驗項目的順利開展與否，指導教師應鼓勵學生盡量多地構想解決問題的辦法，以保證整個實驗項目能順利完成。

（二）實驗中

在大型綜合實驗中，應培養學生團隊合作能力，鼓勵學生進行實驗的多參數設計，協作完成實驗任務。比如不同的實驗小組根據擬定的實驗方案進行化學制備，制備目標產物可以為同類、不同原料配比的材料。實驗過程中，學生作為實驗的主體，要根據前期準備的實驗方案獨立完成實驗，不能過分依賴指導教師。而指導教師是實驗的引導者，要引導學生獨立分析并解釋實驗現象，還應培養學生良好的實驗習慣，對選擇的實驗方法、所用的試劑及實驗儀器、實驗現象等要準確記錄，引導學生根據實驗結果得出正確結論，這樣即使某一實驗步驟失敗，也能根據實驗記錄查找失敗原因，總結經驗教訓。

另外，指導教師雖然不應對學生的實驗干涉過多，但應時刻關注學生的實驗過程，在學生的實驗過度偏離預期時適當提醒。指導教師應把常規的講授式教學方式轉變為啟發式教學方式，對學生的實驗不能管得過細，要從實驗的大方向上進行把握，啟發學生用多種方法完成實驗，讓學生有足夠的發揮空間，從而提高學生的科研興趣，培養學生的創新能力。

（三）性能測試

學生在實驗前務必參加各種大型儀器設備使用的培訓，以充分了解儀器的測試原理和基本操作規程，并在指導教師的指導下完成儀器設備的操作以及材料性能的表征，并對表征結果進行綜合分析。學生通過物理化學綜合實驗，可以掌握一些現代化大型儀器的基本操作，并對現代表征測試技術和手段有初步了解，為以后進一步的學習和科研工作打下基礎。

（四）實驗后

實驗結束后，要求學生提交實驗總結報告。物理化學綜合實驗的實驗報告摒棄了包含目的、原理、步驟、數據處理、思考題等傳統實驗報告要求的內容，而是按照學術報告的書寫要求完成。報告要求對實驗過程中的物理化學性能數據進行充分的分析和解釋，鼓勵不同的小組之間根據實驗過程中發現的現象、出現的問題以及實驗結果進行討論，引導學生對實驗項目進行主動拓展，培養學生初級的科學研究能力，增強學生利用現代科學技術手段獲取信息的能力，提升學生綜述實驗方案和評價實驗結果的能力以及創新意識。同時，使學生對科研論文的寫作有一定的了解，也為即將進行的畢業論文的寫作打下基礎。

（五）綜合實驗評價標準

傳統的物理化學實驗評分標準主要采取教師評價的方式，指導教師根據學生上交的實驗報告完成情況給出實驗成績。傳統教學模式下的學生實驗報告大多照抄實驗講義中的原理、步驟等內容，很難體現學生的操作能力及在實驗中的表現，對學生實際能力和綜合水平的判定有一定的局限性。物理化學綜合實驗主要是培養學生的科研能力，因此不應以實驗結果作為考核評價的唯一標準，而是要根據學生的實驗設計和研究能力以及報告內容的完整性、綜合性、創新性和學生的實驗操作技能給予綜合評價?？茖W、公正的評價體系，不但可以全面準確地評價學生的綜合能力，而且可以充分調動學生的學習興趣，使學生不只關注實驗結果，而更重視實驗過程。

四、開設物理化學綜合實驗取得的成果

通過參加物理化學綜合實驗，應用化學專業學生的實驗技能明顯提高，其創新意識和能力也顯著提升，同時激發了學生的科研興趣，申請參加大學生創新實驗的學生人數逐年增加，指導畢業設計的教師普遍反映畢業生的科研能力顯著提升。近年來，從大量本科生就業后反饋的信息看，多數畢業生在各自的工作崗位上都表現出較強的研究創新能力，他們較強的基礎知識應用能力和較高的實驗動手能力以及敏銳的科研創新意識得到了用人單位的充分肯定。

五、結語

隨著科技的發展，各種科學研究熱點不斷涌現，傳統的物理化學實驗項目已不能滿足應用化學專業學生的學習和未來發展的需要。依托教師最新的科研成果，開設新的大型綜合性實驗項目勢在必行，這也符合教育部在全國普通高校本科教學工作審核評估中強調的“科研成果反哺教學”的精神。我們在物理化學實驗教學改革過程中，通過針對應用化學專業開設的物理化學綜合實驗，將前沿科技與教學相融合，使學生充分了解到了化學新材料的制備方法、物理化學性質以及結構表征測試手段等內容，同時也使學生有更多的機會了解一些先進儀器設備的使用方法和現代表征測試技術。這種在物理化學綜合實驗教學中增加學科前沿領域研究成果的創新性嘗試，不僅符合東北大學應用化學專業人才培養目標的要求，也滿足了社會對研究型、復合型化學人才的需求。

［ 參 考 文 獻 ］

[1] 秦鸝，毛曉明，李慧，等.基于能力培養的物理化學綜合設計型實驗教學改革策略[J].廣東化工，2020（15）：215-216.

[2] 楊冬梅，王軍.物理化學實驗教學改革的總體設計及實踐[J].高等理科教育，2008（6）：103-105.

[3] 王軍.對大學物理化學課程教學的思考[J].教育進展， 2013（3）：13-16.

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

[5] 楊冬梅，王軍.應用化學專業物理化學實驗課程設置改革[J].大學教育，2016（2）：145-147.

［責任編輯：鐘 嵐］