高校物理化学实验教学改革研究
[摘要]高校实验教学承担着创新人才培养的重要任务，但在教学实践中，普遍存在着实验内容单调、教学手段单一、实验废弃物排放过多等突出问题，亟待进行改进。随着高校物理化学教学改革地深入推进，高校物理化学实验应向绿色化、综合化、特色化、科技化这四个方向改进，优化教学内容，突出专业特色，改进教学方式，不断提升高校物理化学实验教学质量和创新人才培养水平。
[关键词]物理化学实验；改革；绿色化；综合化；特色化；科技化
高校物理化学实验是一门重要的化学基础学科，在巩固加深物理化学理论课程中概念和理论的理解方面有着重要作用。中国海洋大学是一所具有海洋特色的综合性学校，涉海学科一直是我校特色优势化学科，如何结合当代蓝色经济发展的需求，将海洋特色和各专业特色融入到目前实验教学内容当中，丰富实验内容，激发学生学习兴趣，一直是我们实验教学队伍的研究内容。我校物理化学实验课程是一门理工学科的基础科目，主要面向化学、化工、药学、材料、生物、食品、环境等相关专业，学科覆盖面广、交叉渗透日益突出。但在实践中发现，实验教学内容目前也普遍存在验证性实验偏多、设计性实验少，以及实验内容缺乏灵活与创新、实验试剂毒性大等问题。因此按照高校对创新人才培养的目标要求，并考虑到学时少实际情况，有必要对物理化学实验教学内容和方法上进行调整，将绿色化、综合化、特色化和科技化理念注入目前物理化学实验教学中，深化实验教学内容改革，此举将有助于提升物理化学实验教学质量和创新人才的培养。
1物理化学实验的绿色化改进探索
开展“绿色化”物理化学实验建设既是教学改革的重要内容，也是新时代化学教学面临的一个崭新课题。长期以来在完成实验教学任务的同时，我们普遍对实验废弃物的排放关注不够，必须集中收集处理，或者经过无害化处理才能排放。因此，对实验内容、实验方法进行改进、实现绿色化物理化学实验教学是养成学生良好实验习惯，培养学生环保意识的重要途径[1]。充分考虑化学试剂和实验产物毒性的前提下，在实验内容方面，我们可以精选物理内容，将含苯含汞的试剂替换掉。例如双液系相图实验中用环己烷-乙醇体系来代替毒性大的苯-乙醇体系；燃烧热测定实验中，用肉桂酸、葡萄糖、自制固体酒精、蔗糖等物质来代替萘[2-5]；在实验方式上，开展半微量化实验，减少药品用量、降低废弃物的排放，缩短实验时间；在测量技术上，增加仪器现代化水平，用压力传感器代替U型管水银压力计、数字式精密温度控制仪代替含汞的贝克曼温度计[6]都是降低实验室污染，实现绿色教学的有效方法。
2物理化学实验的综合化改进探索
现在的物理化学实验中多为验证型实验。验证型实验能够将课本理论具象化，加深学生对现有抽象概念的认知。但目前的实验内容相对独立，没有形成一个综合的、整体的、连贯的知识体系。因此我们需要在验证实验的基础上增加综合性实验项目来体现实验内容的复合性和实验方法的多元性。综合性实验教学是针对传统实验教学模式而提出的，将传统的实验内容进行模块化整合，涉及多个知识点或研究方法，让学生在现有的实验条件下将不同的知识点集合在一起，达到全面、综合的培养目的。通过贯通整个物化课程学习阶段的综合型实验，使学生加深对物理化学基本原理和基本知识的理解和掌握。我们可以一种物质为主线，在这种物质的物理化学综合实验中把热力学、动力学、统计热力学和催化反应等理论知识关联起来，将多种实验方法整合，系统化、一体化。例如，旋光法测蔗糖转化反应速率常数是动力学的一个经典实验。在原有基础上我们可以启发学生从简单的测量表观速率常数扩展到研究溶液混合顺序、催化剂浓度对催化速率的影响等方面[7]，从内容和方法上丰富这个动力学实验，培养学生独立开展实验的能力。此外蔗糖还可应用在恒容量热法燃烧热的测定、冰点下降法测摩尔质量[8]等实验当中。如此一来蔗糖在物理化学实验中的使用既实现了实验教学的绿色化发展，又能够加强实验的综合性和探索性，还能让学生形成一体化、连贯性的知识体系，培养学生综合性实验能力。
3物理化学实验的特色化改进探索
虽然物理化学是一门基础学科，但食品、药学专业对化学知识需求与化学专业是有差异的，千篇一律的经典实验不能充分调动起学生的学习兴趣，很多学生会产生一种所学内容与自己专业无关的这种假象。因此在改革过程中，应不断创新、优化教学内容，结合专业特色突出教学重点。一方面，根据各专业特点与需求，选开或更新相应实验内容。对食品和药学专业开展的实验中，我们可选用食品或药学工业原材料与试剂，解决实际问题。例如针对药学或制药工程专业学生的实验内容，化学动力学部分实验对象可以由原来的蔗糖水解调整为测定某种药物分解速率及影响反应的因素，进而建立动力学模型。这样既可以使学生感到物理化学实验不仅仅是为物理化学课程开设，而是为提高本专业所需要的技能或实验技术开设，还能使学生切实感受到物理化学课程的重要性和实用性，激发学生学习物理化学的积极性[9]。第二方面，了解当前科研及应用领域的实验热点将科研难题剥离出来，化简去繁，融入化学类基础的实验学习当中。比如，我校物理化学教学团队在极化曲线的测定实验中，将实验内容进一步扩充，结合电化学专业知识、海洋金属材料防腐和海洋能源开发进行特色教学相结合，既保证化学基础知识的传授，又强调了本校海洋专业特色，将实验教学提升到具体科研实践和技术开发过程[10]，全面提高了学生自主创新能力和综合素质。
4物理化学实验的科技化改进探索
强化基础教育是本科教育的核心，具备了扎实的基础才能有潜在的自我发展能力。宽广的基础知识需要基础实验来验证和支撑，受设备资源、学习空间及学时限制，高校物理化学实验开设情况不能完全实现系统性、全面性。如今信息技术与课程教学深度融合，大规模的在线教育实践使课堂得以延伸，不再受空间的约束。雨课堂、Bb平台，Classin平台的应用为防控疫情期间的正常教学提供了有力的保障[11]。上线线下混合式的教学加速了未来教育网络常态化转变。在教学方法上，通过充分利用多媒体教学技术、网络资源等开展虚拟实验教学，能够弥补大型仪器设备学生不能亲自动手、复杂实验不能在短时间内完成的局限。虚拟仿真实验一般具有真实，交互，显隐，广用等几个特点[12]。仿真实验的软件界面高度模拟真实实验室场景，逼真丰富的实验仪器设备和材料可供学生自己动手配置、连接、调节。软件还包含自学、考核模式，可供学生自学及测试掌握实验的程度，良好的人机交互性不仅消除对实验仪器的陌生感还达到了提前预习的效果。虚拟仿真实验还可供“观察”宏观和微观世界，显示温度场、电场、磁场等隐性不可见部分，模拟极限压力操作等真实系统中不允许或极难推进等危险条件，很好地加深学生对实验概念的感知和认识程度，提升实验教学质量。
5小结
物理化学实验教学改革是一项复杂的长期的任务，在实际教学中要灵活把握经典与现代、基础与前沿的关系[13]，加大综合性实验教学内容的比例，有的放矢的改进实验内容。与此同时，将绿色化学的教育理念融入实验教学和管理中，将虚拟实验教学作为实验教学的工具与手段服务于本科实验教学，提高教学效果，培养优秀人才。
参考文献
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作者：张岩 高先池 周立敏 单位：中国海洋大学
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