环保创新下物理化学实验教学

分类:新闻中心 发表时间:2021-10-16 15:44

  为满足新时期培养创新型人才的需要,从更新实验设备、优化与整合实验内容、健全和完善课程考核方式等方面对物理化学实验进行了基于科研创新、环境保护为目标的教学改革实践。教学改革不仅提高了实验教学质量,还增强了学生的自主创新能力和环保意识,促进了创新综合型人才的培养。

环保创新下物理化学实验教学

  关键词:物理化学实验;教学改革;创新能力;环保意识

  物理化学实验是一门集理论性、实践性和研究性于一体的综合性课程,需要综合运用化学理论方法和技术、物理仪器、数学运算工具[1],在高校化工、应化、制药、材料、生命、环境等专业的人才培养中占有重要的地位。其自身具有理论性强、仪器设备多、涉及知识面广等特点[2]。物理化学实验的培养目标注重提升学生动手实验的综合能力,强调实验教学、科研锻炼以及实际生产相结合,旨在培养学生理论联系实际的逻辑思维、创新能力和实验技能。然而,当前普通高校的实验教学难以充分反映学科发展前沿和科学研究动向,不能满足新时期新形势下培养创新型人才的需要[3,4]。

  1物理化学实验教学存在的问题

  以黄山学院为例,物理化学实验主要教学问题有:(1)理论为主、实验为辅,实验教学只是验证一些基础的物理化学知识,缺乏对实验内容的优化、整合与设计。实验教学尚不能反映学科发展前沿和研究最新动向,不能体现学科在创新型人才培养中的重要性[5];另一方面,实验内容也没有考虑专业特色,不具有专业针对性。(2)实验教学与实际应用及能力培养脱节,实用性不强。实验教学过程中,实验教师通常强调仪器的原理、使用和维护,重点讲解实验注意事项和数据处理环节,确保让学生能够按部就班地顺利完成实验。如此教学的明显后果就是实验内容和操作过程重复不变,教学模式单一,实验结果和实验报告严重教条化[6]。虽然这些教学方法也能锻炼学生的实验动手能力,但也严重抑制了学生的实验兴趣,束缚了学生的主动性和创造力。另外,在问题提出、探究以及结果分析方面趋于形式僵化和流程固化,缺少可变因素和过程变量,实用性和针对性不强,实践过程中当学生遇到未知情况时手足无措[7]。针对上述问题,结合学校实际情况和人才培养目标以及作者近年来在物理化学实验教学和科研工作方面的经验,本文从更新实验设备、优化与整合实验内容、健全和完善课程考核方式等方面,对课程进行改革实践,以提升教学质量,进一步发挥课程在培养具有环保意识、创新思维和科研型综合人才方面发挥的重要作用[8,9]。

  2物理化学实验教学改革探索

  2.1设备升级更新

  物理化学实验是我校化学相关专业的基础课程,包括应用化学、材料科学与工程、化学工程与工艺、环境科学、制药工程等。因此,实验课程工作量大,仪器设备利用率高,设备老化、部分损坏严重。鉴于此,学校及时更新了大部分实验设备,包括液体饱和蒸气压的测定、低共熔点金属相图的绘制、挥发性双液系T-X相图的绘制、液体表面张力的测定、蔗糖水解反应速率常数的测定及希托夫法测定离子迁移数等实验的设备。如沸点仪和表面张力仪更新后,节省了化学试剂,减小试剂挥发造成的环境危害。另外,通过新旧仪器的对比使用和总结,探究实验系统的不确定性和过程影响因素,开展多因素、复杂条件下的探究实验。这样既拓展了学生的知识面,打开新视角,又能培养学生的创新思维。

  2.2内容整合与优化

  2.2.1验证实验。我校开设的经典验证性实验有:液体饱和蒸气压的测定,溶液的吸附作用和表面张力的测定,挥发性双液系相图的绘制等。最具代表性的实验内容是测定环己烷的饱和蒸气压和正丁醇溶液的表面张力。但是环己烷难闻且易挥发,正丁醇让人反胃,长时间实验造成整个实验室都有刺鼻的味道,实验环境不好,也带来健康隐患。经物理化学课题组教师分析、讨论及实验论证后,决定采用无水乙醇取代环己烷和正丁醇。在保证实验精度的前提下,即解决了实验味道难闻的问题,又符合绿色化学原则,减少了对教师和学生的身体健康的危害。对于挥发性双液系相图的绘制,采用改进后的半微量沸点仪,极大地减少了试剂的用量;并且采用试剂回收,循环利用的方式,实现了节约试剂、避免浪费和保护环境的目的;通过新教学方法和模式,将绿色环保理念和创新思维逐步根植于学生的脑海里。2.2.2综合实验。综合实验是在经典验证实验的基础上,结合专业和实际应用特点。通常将两个相关的实验整合在一起,旨在培养学生综合运用所学知识的能力,做到举一反三、触类旁通。例如,原电池电动势的测定实验比较简单,改进后的实验要求同时测定电动势和原电池温度系数。这样,在原有实验仪器和设备的基础上,还必须配套和搭建变温实验装置,增加实验过程变量;不仅培养了学生的实践设计和科研创新能力,也加深了学生对电化学热力学的理解。界面化学中通过测定液体表面张力来计算单分子横截面面积。在综合实验中,采用最大气泡法和铂片法分别测定不同浓度的乙醇、甘油和正丁醇溶液,综合比较实验结果,分析讨论两套实验和两种方法的优缺点。在仪器和试剂的选择上给学生更大主动权,不断增加课程的实用性,极大地提高了学生的实验积极性和探究性学习的兴趣。2.2.3设计性实验。在老师的指导和条件允许的情况下,要求学生从设计方案,选择仪器、设备和试剂,实验操作步骤及撰写实验报告等环节均由学生独自完成。教师需提前1周给出待选的实验题目,备齐实验仪器和试剂,明确具体要求,然后由学生查阅文献资料、独立设计方案,单独开展实验;允许学生自由发挥,以此锻炼学生的知识综合运用能力和提高其创新思维。开设的实验有:希托夫法测定离子迁移数、表面活性剂对蔗糖水解准一级反应速率的影响等。

  2.3课程考核方式改革

  在以往的实验教学中发现部分同学只是机械地做实验,毫不在意为什么去做,怎么做才能使得到的结论更准确。鉴于此,实验前要求学生认真学习实验讲义、熟悉实验相关的原理和知识背景,能够熟练使用仪器设备,可以排除实验过程中出现的一般性故障[9]。实验课上,教师以现场提问的方式考察学生实验预习效果,并增加课程总评成绩中考察、提问环节所占的比例。对于回答有误,甚至不明所以、答非所问的同学给低分或零分,让他们感知有不及格的可能。只有拿起考核的法宝,让学生有了重修风险和忧患意识时,他们才会更加重视课前预习,提高学习的主观能动性。2.3.1注重数据记录和实验操作。实验教学要注重培养学生的科学严谨态度和实验操作能力。物理化学实验主要涉及到各种仪器设备的使用,如恒温槽、超级恒温水浴、分光光度计、电迁移数装置、旋光仪、阿贝折射仪、电导率仪,沸点仪、电泳等实验装置[10]。教师要严格把关仪器、设备操作规范,及时发现并纠正不当操作。要求学生认真观察现象和如实记录数据,确保实验数据的可靠性和准确性,并在实验结束时签字确认。通过过程考核的方式,培养学生实事求是、科学严谨的学风。2.3.2实验数据处理手段的现代化。为了培养学生设计和撰写本科毕业论文的能力,借助微信、QQ或钉钉通讯软件,在线培训Origin和Excel办公软件使用方法和技巧,并统一要求采用列表、绘图的方法进行数据处理。经过科学、合理的数据分析和处理,探讨可能的影响因素,查找误差产生原因,尽量减少实验误差。为防止学生套用和打印他人数据,进行严格分组管理;打印出的数据要注明同组人员的姓名和分工情况,附上原始数据;并事前声明数据不实、不相符者,将认定实验成绩不及格。2.3.3建全和完善考核办法。以往考核办法中实验报告成绩所占比值过大,容易导致学生做实验时敷衍了事,实际实验操作不够认真、仔细;实验流程混乱不清,仅仅注重实验报告的规整和书写认真方面,甚至有抄袭现象;无法突出学生的实验动手能力和数据分析处理水平。针对这类问题,物理化学实验组教师提议完善考核办法,将成绩考核改革为:学期总成绩=参与性成绩×30%+过程性成绩×40%+课终成绩×30%。参与成绩=预习成绩×50%+课堂提问×50%,参与成绩包括基本实验目的和要求、原理和步骤、思考题以及实验室安全知识和注意事项。过程性成绩包括实验目标培养达成度(10%)、实验流程和操作(30%)、实验室安全和卫生(10%)、实验报告中实验现象观察、记录和数据处理、制表和绘图(30%)、结果分析与讨论(20%)。期末成绩包括实验期末知识测试(50%)和设计性实验的操作成绩(50%)两部分。设计性实验操作采用随机抽取已做过的设计性实验,期末知识测试内容主要包括基本原理、实验要点和思考题、实验室安全知识和注意事项等。教师根据实验设计的难度、实验操作的规范、问题的分析、讨论和总结情况,给予合理的分数。只有这样才能鼓励学生大胆尝试、勇于创新,提高学生实验教学的兴趣,进而达到开拓学生视野,提升其综合能力的培养目标。

  作者:常贯儒

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