浅谈物理化学实验课程改革及实践的论文

化学毕业论文 时间:2018-09-26 我要投稿

  [摘要]物理化学实验作为理论课教学的辅助手段,综合了化学领域中各分支所需要的基础研究工具和方法,是化学实验科学的重要组成部分。通过分析东北大学应用化学专业物理化学实验课程中存在的问题,对物理化学实验课程设置进行了改革,采取增加新的实验项目、改革实验方案、重组实验内容以及开设大型、综合性实验等措施。教学实践证明,重新设置后的物理化学实验课程有助于培养学生的科研素质,能提升学生的实践技能,对培养科研拔尖创新人才有重要意义。

  [关键词]应用化学专业;物理化学实验;教学改革

  [中图分类号]O64;G642.0[文献标识码]A[文章编号]2095-3437(2016)02-0145-03

  物理化学是东北大学应用化学专业的学生在完成了无机化学、分析化学的学习之后,继续修学的又一门化学基础课程。[1]物理化学实验作为理论课教学的辅助手段,综合了化学领域中各分支所需要的基础研究工具和方法,是化学实验科学的重要组成部分。[2]学生能通过实验验证所学的理论,巩固和加深对物理化学原理的理解[3],提高对物理化学知识的灵活运用能力,这有利于培养学生严谨的科学态度和创新精神[4],为后续课程的学习打下坚实的基础。因此,科学合理地设置物理化学实验课程内容,对构建完整的化学基础课程体系、提高学生的培养质量至关重要。[5]

  一、应用化学专业物理化学实验课程存在的问题

  应用化学专业的特点决定了其对物理化学实验内容深度、广度和综合度的要求不同于材料、冶金、成型、环境、生物工程等其他专业。东北大学化学实验中心为辽宁省级实验教学示范中心,为使学生能系统学习并掌握各种物理化学基础实验研究方法,便于教师在教学过程中实时掌控实验进度和学习效果,实验中心为应用化学专业单独开设了两个学期的物理化学实验课程,而且取得了丰硕的教学成果。然而,随着科学技术的发展以及社会对应用化学专门化人才素质要求的提高,过去曾经被师生们乐道的一些优秀的实验项目已经无法适应当前的需求。表1中分别列出了过去和现在为东北大学应用化学专业开设的物理化学实验项目。通过调查研究,我们发现过去制定的培养计划主要存在以下两个方面的问题。其一,由表1可以看出,大部分的物理化学实验为验证性实验,研究性、综合性实验较少。这显然不利于培养学生的创新能力和解决实际问题的能力。其二,过去物理化学课程体系中理论课与实验课的课时比例为2∶1,即理论课课时是实验课的2倍。教学研究表明,虽然通过理论课的学习,学生可以掌握较多的理论知识,但由于实验课时较少,学生的动手能力较差,对实验室的各种基础仪器设备的使用方法不能完全掌握,因此学生很难将所学到的各种实验知识融会贯通,这对其以后的学习和工作是十分不利的。而且由于实验项目较少、内容不新颖等问题,学生对物化实验课的重要性认识不足,普遍存在重视理论课学习而轻视实验操作训练的现象,缺乏主动学习实验技能、掌握实验技术的积极性。因此,亟须对物理化学实验课程的设置进行改革。

  二、应用化学专业物理化学实验课程设置改革

  (一)增加新的实验项目

  为培养学生的动手能力和提升学生的综合素质,在东北大学教务处的大力支持下,根据培养科研拔尖创新人才的需要,我们重新修订了应用化学专业的培养计划和物理化学实验教学大纲。大幅提高了实验课时在物理化学课程体系中的比例,将理论课和实验课的课时比由原来的2:1调整为1:1;实验项目也由原来的12个增加到了现在的22个,并允许学生选做其中的20个实验。原教学大纲中设置的实验项目中属于热力学模块的实验较多,而属于电化学和化学反应动力学知识模块的实验较少。在教学过程中我们发现,由于学生对后两个模块中的实验项目接触较少,缺少理论联系实际的机会,所以对相关知识掌握得不好。因此,在修订物理化学实验教学大纲时,除保留原有实验外,还增加了10个实验。其中包括热力学模块实验项目1个,电化学模块实验项目3个,化学反应动力学模块实验项目5个,界面与胶体化学模块实验项目1个。增加了新的实验项目后,物理化学实验教学内容在各个知识模块间的分布变得更加合理。通过物理化学实验课程的学习,学生不仅能加深对理论知识的理解,还能开拓视野,提升综合运用理论与实验知识的能力。

  (二)改革实验方案

  除了增加新的实验项目以外,我们还对原来的一些实验项目进行了重新设计,以使实验方案更加合理。例如“表面张力和接触角的测定”实验,原来的实验方案是通过测定毛细管的半径和水压计的压差值,再利用气泡最大压力法中表面张力的基本公式计算出水的表面张力。这种实验内容比较单一,学生做实验的兴趣不高。通过反复的测试和调整,我们将实验方案修改为测定一系列浓度不超过0.1mol·L-1的正丁醇水溶液的界面张力,再根据吉布斯吸附公式计算溶液表面的吸附量以及正丁醇的横截面积。实验内容调整后,学生普遍反映对界面张力的性质、表面自由能的意义以及界面张力和吸附的关系了解得更透彻了。再例如“冰点下降测分子量”实验,原来的实验方案是分别测定水和浓度为0.3%的尿素水溶液的凝固点,再计算出尿素的分子量。由于尿素溶液浓度比较小,虽然选择的溶液满足稀溶液的条件,但测出的水与尿素溶液的凝固点之差不明显。为了加深学生对溶液凝固点降低这一概念的理解,提高学生对这个物理化学现象对人们生产生活所产生影响的认识,经过多次对比实验,我们最终确定将实验中所用的尿素溶液浓度提高到1%,从而使测得的凝固点降低值达到0.3℃左右,实验现象明显,获得比较好的实验效果,达到了预期实验目的。

  (三)重组实验内容

  针对物理化学学科的特点和应用化学专业学生培养的需要,我们对一些物理化学实验内容进行了调整。保留并整合了一些基础性实验以培养学生的基本操作能力。同时也拓展了一些经典实验内容,将不同的知识点联系在一起,使学生在实验过程中能灵活运用所学的物理化学知识。例如在新增加的实验项目“临界胶束浓度的测定”中,除了用电导法测定不同浓度的十二烷基磺酸钠的电导率以确定其临界胶束浓度外,还增加了临界胶束浓度的另一种测定方法———界面张力法———的内容。在实验过程中,学生们采用两种不同的实验方法确定相同表面活性剂体系的临界胶束浓度,加深了对表面活性剂溶液性质的理解,同时还对两种不同的实验方法进行了实际操作和比较。再例如在“原电池电动势的测定”实验中,我们采用电位差综合测试仪取代了原来使用的电位差计和检流计,显著缩短了实验过程中仪器调试占用的时间,并增加了新的内容以充分利用这些节余下来的宝贵时间。经过对实验内容的重新设计和组合,学生在测定了以铜/硫酸铜为半电池构造成的原电池电动势后,还可以继续测定不同温度和不同浓度的硫酸铜水溶液对溶液电导率的影响,进而分析对原电池电动势产生的影响。因此,重组后的“原电池电动势的测定”实验已经成为一个综合性较强的实验,而不再是一个简单的验证性实验。通过对这个实验的训练,学生可以对理论课中学到的电化学热力学基础知识有比较全面且深入的理解。

  (四)开设物理化学大型综合性实验

  为培养应用化学专业学生的综合素质和科研能力,从2003年开始,我们又将物理化学基础实验与教师科研成果相结合,面向应用化学专业本科学生开设了一套大型综合性实验———聚苯胺的制备、表征及性能测试。这个大型综合性实验总共包括6个子实验项目:聚苯胺的化学法制备、聚苯胺掺杂-反掺杂性能研究、聚苯胺的电化学法制备及电化学性能测试、聚苯胺电化学催化性能研究、聚苯胺气敏性研究、聚苯胺在不同pH值的酸溶液中的电化学响应。学生完成这个大型综合性实验需要24学时。在实验前,我们要求学生独立查阅相关文献资料并设计出完整的实验方案,经与指导教师讨论确认后,才能通过网上预约确定实验时间并进入实验室做实验。学生在独立完成全部子实验项目后,应按照通用的学术研究报告标准写出综述报告,并对实验过程中发现的现象及出现的问题开展分组讨论。数年的实践结果表明,这项综合实验的设置,不仅使学生熟悉了多种电化学实验仪器和设备(例如,四探针电导率测试仪、电化学工作站以及CHI软件)的使用方法,还对导电有机高分子材料有了一定的了解,有利于培养学生综合运用知识、独立解决实际问题的能力,并为学生将来从事科研工作打下了基础。

  三、课程设置改革后的成效

  近几年来,通过对物理化学实验课程不断研究和改革,不仅提升了学生的实验操作技能,提高了学生做实验的主动和积极性性,而且培养了学生严谨的科学态度和创新精神。实践证明,重新设置后的物理化学实验课程有助于培养学生的科研能力,对培养科研拔尖创新人才有重要意义。

  参考文献

  [1]王军.对大学物理化学课程教学的思考[J].教育进展,2013(3):13-16.

  [2]王岩,李三鸣.新课程体系下物理化学实验教学的改革[J].实验室科学,2012(1):55-57.

  [3]杨冬梅,王军.物理化学实验教学改革的总体设计及实践[J].高等理科教育,2008(6):103-105.

  [4]张国林,韩莹,薛怀国,等.大学化学实验课程体系的改革与实践[J].大学化学,2010(1):23-25.

  [5]王军,杨冬梅,霍玉秋.创新型人才培养模式下的物理化学教学研究与改革[J].大学教育,2015(5):99-101

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