物理化学实验课堂讲解探讨_任成军.pdf

基础实验课堂讲解的深度和广度及形式将直接影响教学效果。以物理化学实验为例,作者用“比拟”的教学方式讲解基本概念和原理便于学生理解,加强学生对实验方法通用性的认识以便在科研中灵活应用,拓展讲解与实验相关的知识使学生获得的知识更系统,通过拓宽实验条件的探究讨论让学生了解一些实验研究方法,着力引导学生对实验进行深入思考。作者与同行一起探讨实验课堂讲解这个永恒的主题。关键词:物理化学实验;课堂讲解;基本概念;实验原理;实验方法通用性;知识延展性;探究性讨论;实验思考中图分类号:G642 文献标志码:A文章编号:1001-9677(2023)02-0322-04 第一作者:任成军,女,副教授,主要从事物理化学实验教学和多相催化研究。通讯作者:游劲松,男,教授博导,主要从事有机合成化学教学和科研。Explanation and Discussion on Physical Chemistry ExperimentsREN Cheng-jun,WANG Jian-li,MENG Xiang-guang,ZHENG Cheng-bin,YANG Cheng,YOU Jing-song(College of Chemistry,Sichuan University,Sichuan Chengdu 610064,China)Abstract:The depth,breadth and form of the basic experimental classroom explanation will directly affect theteaching effect.Taking Physical Chemistry Experiment as an example,the“comparative”teaching method was used toexplain some basic concepts and principles to facilitate students understanding,students understanding of the versatilityof experimental methods was strengthened so that the methods can be flexibly applied in scientific research,and theknowledge related to experiments was expanded,so as to acquire more systematic knowledge for students,and theexploratory discussion of experimental conditions was expanded,in order to help students understand some experimentalresearch methods,and focus on guiding students to think deeply about the experiment.This eternal theme of experimentalclassroom explanation was tried to explore by the authors with their peers.Key words:Physical Chemistry Experiment;classroom explanation;basic concept;experimental principle;universality of experimental methods;knowledge malleability;inquiry-baseddiscussion;experimental thinking许多高校化学专业的物理化学实验课在大二下期开设,而理论课则在大二下期和大三上期开设。受实验仪器套数限制,物理化学实验采取滚动式循环开展。部分实验是在学生未学习理论的情况下完成。由于实验课时限制,实验开始前任课教师对基本概念和实验原理的讲解通常轻描淡写,不够透切,大多专注于实验操作讲解。上述两方面因素造成学生对基本概念和实验原理一知半解1。甚至部分学生反映实验原理没弄懂盲目做实验,实验课停留在完成操作这个层面上。因此,在有限的课时内如何进行课堂讲解显得尤其重要。在新的教学手段2推动高校教学发展同时,课堂讲解仍有待挖掘和探讨。中国农业大学杜凤沛教授在 2021 年高等学校物理化学教学研讨会中提出了“理科文讲”的教学理念。作者在物理化学实验教学中对涉及的基本概念和实验原理进行了梳理,课堂讲解力求深入浅出、形象生动。物理化学实验应用了较多的实验方法,这些经典方法具有通用性。如果任课教师不强调,学生往往容易忽视。作者在教学过程中引导学生重视实验方法,举例说明这些实验方法在其他化学实验中的应用,帮助学生理解、掌握和应用,逐步培养学生的科研能力。传统的基础实验为验证性实验。为培养学生的研究能力,将验证性实验加以改进,演变为研究性实验3。也可以引导学生做一些探究性讨论,比如拓宽实验条件后实验结果将会怎样改变等,以启发学生的科研思维。学生每完成一个实验虽然有所收获,但是有的学生不善于归纳总结和深入思考,对实验的认识停留在表面1。作者在教学过程中引导学生反思和总结,对每个实验梳理出较为详细的学习要点,培养学生的科研思考力和钻研精神。作者在课堂讲解中采用引导的方式循循善诱启发学生思考,结合教学内容尝试了比拟的教学方式帮助学生理解基本概念。下面举出在实验课堂讲解的一些实例,与同行一起探讨基础化学实验的讲解方法。1 基本概念和原理1.1 深入浅出、循序渐进1.1.1 简明易懂第 51 卷第 2 期任成军,等:物理化学实验课堂讲解探讨323 每个物理化学实验都涉及相应的基本概念和实验原理。如果学生不理解,实验就变成机械操作。让学生理解基本概念和原理是实验教学不可或缺的一个重要环节。以“燃烧焓测定”4实验为例讲解要点如下。(1)阐述样品完全燃烧需要过量氧的必要性及充氧量的确定;(2)分析实测的等容热效应需转化为等压热效应的原因;(3)对样品燃烧后放热过程和吸热过程进行逐项分析,根据能量守恒建立传热方程;(4)阐明雷诺温度校正的必要性及如何校正;(5)分析燃烧实验结束冲洗“氧弹盖”的原因。1.1.2 创新讲解形式大一学生的工科化学实验开设了“燃烧焓测定”。学生是进校不到两个月的新生,除了详细讲解基本概念和原理外,还运用图形、案例和辅以虚拟仿真等手段。通过详细的讲解大多数学生有一种豁然开朗的感觉,实验做得明明白白、兴致盎然。大二学生的物理化学实验也开设了“燃烧焓测定”。实验前任课教师将制作的 ppt 通过 QQ 群传给学生,课件包含实验装置实物图片、实验操作过程视频等资料,还通过 QQ 提出一些问题让学生思考,这样学生做实验前预习充分。上课时鼓励学生自愿讲解,由一位学生主讲,几位学生协助补充,最后老师点评。这种方式增强了师生互动和生生互动,调动了学生自主学习积极性和主动性。1.2 授课艺术1.2.1 讲解形象生动(以“比表面测定”4实验为例)比表面是指单位质量多孔性物质的表面积。举例多孔性物质生活中常见的有海绵、面包、棉质品、柚子皮等,化学实验中常见的有棉线、滤纸、活性炭、分子筛、氧化铝、雷尼镍等。还举例说明多孔性物质在化学实验及其它领域中的应用:棉线用作酒精灯灯芯(酒精通过棉线的毛细孔进入灯芯顶端燃烧,酒精逐渐消耗而棉线完好无损),活性炭用作除臭剂和脱色剂,分子筛用作干燥剂,滤纸用于悬浮液的固液分离,氧化铝用作催化剂载体,雷尼镍为有机化合物的氢化催化剂,以及多孔隔热材料和多孔吸音材料等。通过举例学生对多孔性物质有了一个较为具象的认知。比表面的测定原理与室内铺地砖类似。地砖逐块铺在室内地面上,房间的面积是每块地砖的面积乘以地砖个数。实验中多孔物质比表面测定是通过控制进入体系的甲醇量使甲醇分子逐个物理吸附在活性炭表面,当甲醇分子单层吸附达到饱和时,根据吸附甲醇的量计算活性炭的表面积(每个甲醇分子的截面积已知)。这样比表面测定原理就出来了。为了让学生对多孔性物质有进一步的了解,课堂讲解补充了多孔性物质孔体积的测定。通过增加甲醇的进料量,使甲醇分子多层物理吸附到活性炭孔中,直到所有孔都被吸附并填满甲醇分子。根据多层物理吸附达到饱和时甲醇分子的总体积算出活性炭的孔体积。类似于水桶盛水,计量水桶盛满时用了多少体积的水,水桶体积便知道了。1.2.2 教学方式在讲解多孔性物质性质及应用时采用比拟的教学方式,学生易于理解。通过列举一些相关的应用实例,学生感受到实验课学到的知识蕴藏在其它化学实验和日常生活中,科学无处不在。2 实验方法通用性物理化学实验中每一个实验都会涉及一种实验方法。如果任课教师不强调实验方法,多数学生只会留下模糊的记忆。由于物理化学的实验方法通用性较强,在科研中得到了广泛的应用。因此,任课教师课堂拓展讲解实验方法的应用是必要的。下面列举一些实例说明。2.1 光度法光度法可用于“络合物组成和稳定常数的测定”4,也可用于“丙酮碘化求反应级数和速率常数”4。虽然实验课只完成一个实验,但是课堂同时讲解两个实验,加深学生对光度法的认识。还补充了光度法在葡萄酒中花青素含量检测5和研究酚酞-NaOH 体系可逆反应动力学中的应用6。2.2 流动法流动法通常用氮气做载气将物质的饱和蒸汽载入一个特定体系。物化实验中活性炭的比表面测定和“多相催化-甲醇分解”4都应用了流动法。课堂讲解时将两个实验进行对比,与学生一起分析共同之处在于采用流动法通过氮气将甲醇蒸汽载入核心装置;不同之处在于比表面测定是甲醇分子单层物理吸附在活性炭表面至吸附饱和,甲醇分解是甲醇分子化学吸附在ZnO 活性中心后进行分解。流动法在多相催化研究中得到了广泛的应用,如地表臭氧降解7、汽车尾气净化8等。2.3 粘度法“粘度法测高聚物的平均分子量”实验,测定的高聚物为聚丙烯酰胺4。补充了符合粘度法适用范围的高聚物平均分子量都可以用该法测量,如聚乙烯醇9、聚苯硫醚10等。通过强调实验方法的通用性,让学生从学习实验方法过渡到灵活应用该方法。3 拓展讲解3.1 知识延展性教材通常对实验涉及的基本概念阐述有限,为了让学生较全面地理解实验需要适当补充相关基础知识,拓宽知识面。“流动吸附法测多孔性物质的比表面积”,教材仅涉及多孔性物质的比表面积4。课堂讲解时提问:应用于化学实验和生活中的多孔性物质有哪些?多孔性物质中的孔起什么作用?如何描述及测定多孔性物质的织构性质?11。此外,向学生推荐观看 CCTV10 科教频道,透视新科技栏目(新创新 新突破系列节目)中复旦大学赵东元院士讲解“带孔的新材料”,让学生了解国内多孔性材料领域的新成果及应用。拓展讲解使学生对多孔性物质从基本概念、原理到前沿科研紧密地联系起来了。“差热分析”教材仅轻描淡写提及差热分析可以用来鉴定物质4。课堂讲解时补充了其他一些表征方法,比如粉末 X 射线衍射、拉曼光谱、红外光谱、形貌观察等11。将需要鉴定的物质分别用上述方法表征后结果均符合某物质特征时,鉴定结果可靠性更高。学生对物质鉴定有一个较全面的了解。“偶极矩的测定”教材只提到偶极矩可以用来判断物质的极性4。课堂讲解时补充了物质的极性也可用其他物理量来判断,如相对介电常数、溶解度(相似相溶性)、色谱的保留时间等。通过补充描述物质极性的物理量拓宽学生的视野。“原电池电动势和溶液 pH 值的测定”,课堂讲解时补充了原电池的基本概念、构成、电极分类以及原电池正负极的选用原则。使学生对原电池有一个整体认识,对教材中繁多的电极324 广 州 化 工2023 年 1 月进行分类梳理后学生对电极的认识清晰些。“多相催化-甲醇分解”教材用的催化剂为 ZnO,载体为Al2O3。课堂讲解时补充了贵金属(Pd,Pt,Ru)12也可用做催化剂。碳纳米管13也可用作载体。载体材料需具备在使用温度范围性质稳定、多孔、比表面积大的特点。催化剂和载体材料的种类会影响甲醇分解的反应机理和甲醇分解的转化率及产物的选择性12-14。此外,向学生推荐观看 CCTV10 科教频道,透视新科技栏目(新创新 新突破系列节目)中科院包信和院士讲解“奇妙的催化”。学生通过观看这个节目了解到中科院大连化学物理研究所催化基础国家重点实验室研究团队基于碳纳米管的纳米限域催化理论研究的新进展及应用。拓展讲解从基础实验走向前沿科研动态开阔了学生视野。围绕实验内容适当拓宽知识面,丰富学生的知识体系,启发创新思维。3.2 拓宽实验条件的探究性讨论传统的基础实验大多为验证性实验,实验条件是确定的,实验结果是唯一的。为充分利用实验教学平台,课堂开展拓宽实验条件的探究性讨论。以下举例说明。“多相催化-甲醇分解”实验,课堂开展载气(氮气)流量、甲醇饱和器温度(或甲醇初始浓度)以及甲醇分解温度对甲醇分解转化率影响的讨论3。让学生接触一些科研中最佳实验条件的探索方法。“流动吸附法测多孔性物质的比表面积”实验,通过讨论预处理条件对比表面测定结果的影响,说明预处理的重要性。还可以讨论吸附温度、吸附质对比表面测定结果的影响,引出物理吸附、脱附的适宜条件。拓宽实验条件的探究式讨论,培养学生的科研思维,接触一些常用的科研方法,帮助学生提高综合分析问题的能力,学生在较短的时间获得较多的信息,提高实验教学效率15。4 着力引导实验思考学生做完实验后对实验的认识大多是些碎片1,不系统不深入。需要引导梳理,帮助学生分析实验经历的物理化学过程和蕴含的科学原理,使学生对实验有一个较为深入的认识。以“多相催化-甲醇分解”实验为例,引导学生从以下方面思考:(1)催化剂的定义、催化剂的作用、催化剂的特性、催化剂的种类;(2)表征催化剂活性的主要参数;(3)催化剂活性测量原理和方法;(4)甲醇在 ZnO/Al2O3催化剂上分解经历的七个步骤;(5)物理吸附与化学吸附的特征比较;(6)甲醇分解的转化率随分解温度、甲醇饱和器温度及载气流量的变化关系;(7)甲醇在 ZnO/Al2O3催化剂上分解的反应机理;(8)甲醇在 ZnO/Al2O3催化剂上分解的副产物及检测;(9)甲醇分解的催化剂和载体有哪些;(10)梳理实验装置从载气(N2)开始至尾气出口的气路流程;(11)流动法多相催化反应实验的关键;(12)气体流量控制和测量;(13)甲醇分解使用的温度控制器;(14)甲醇分解杜瓦瓶里碎冰的作用;(15)流动法在气固相催化反应中的应用。5 多层次多维度评价教学效果5.1 了解学生诉求学生普遍希望实验开始前任课教师讲得详细,多一些拓展性讲解。学生对基本概念和实验原理的理解清楚些,对实验方法的认识深入些,实验进行得顺利些,实验兴趣更浓,同时为后续理论课学习铺垫良好的基础。5.2 鼓励学生出考题为了促进学生对已完成的实验有一个清晰深入的认识,鼓励各个平行班相互出考题,学生在出考题的过程中会自觉捋清实验思路、要点、对实验进行总结和反思。同学们出了一些非常有意义的考题:有的将物理化学理论与实验结合起来,有的将差热分析实验与磁化率实验结合起来,有的将无机化学与物理化学实验结合起来。有的同学出了一些容易混淆的知识点考题,有的出了一些关键实验过程原理考题。总之,这次出考题尝试非常受学生欢迎,95%的学生参与了,充分调动了学生的学习积极性。5.3 闭卷考试闭卷考试内容涵盖实验涉及的基本概念、实验原理、实验方法和实验装置中的仪器仪表及实验结果分析等。题型有选择题、填空题和简答题。学生普遍反映试题有一定难度,60%试题是课堂补充讲解的。作者授课的 3 个物理化学实验班学生共65 人。试卷成绩90 分以上占30.8%,80 89 分占49.2%,70 79 分占 15.4%,60 69 分占 4.6%。30%的学生较好的掌握了课堂内容,50%的学生基本掌握,15%的学生一知半解,5%的学生需要多加关注、督促学习。期末闭卷考试暴露了实验教学的不足之处,将出现的问题通过 QQ 课程群反馈给学生并进行纠正。实验教学中的难点将在以后的教学中通过多种方式解决。5.4 全国大学生化学实验竞赛在 2021 年“第十二届全国大学生化学实验邀请赛”中,四川大学获得了有机化学实验一等奖,物理化学实验二等奖,无机及分析化学实验二等奖。在 2021 年“第二届全国大学生化学创新设计实验西南地区竞赛”中,四川大学获得了三个一等奖。在“第二届全国大学生化学创新设计实验总决赛”中,获得了一个与物理化学密切相关的环境催化综合设计实验特等奖。上述获奖情况从一个侧面反映了四川大学化学实验教学改革的成效,我们全体师生还需继续努力。6 结 语在课堂讲解上花功夫,琢磨如何让学生学有所获、学以致用,对化学实验产生兴趣,这是实验课教师的共识。每次实验课的教学内容和学生的情况不同,每堂课都要讲得精彩,需要知识和教学经验的积累。如何用好课堂每一位任课教师都在用自己独特的方式践行。参考文献1 熊珂,邓钧文.基于化学专业本科生视角的大学化学实验教学的优化J.化学教育(中英文),2020,41(12):56-59.2 田福平,戴岳,张永策,等.物理化学实验智慧教学平台的构建与实践J.化工高等教育,2021,38(4):82-85,131.3 敖天其,金永东主编.实验室建设与管理工作研究M.1 版.成都:四川大学出版社,2021:134-141.4 王健礼,赵明.物理化学实验.2 版M.北京:化学工业出版社,2015:115-118,162-167.(下转第 327 页)第 51 卷第 2 期霍小平:西京学院有机化学课程应用型教学改革探索327 叔季等来龙去脉,让学生了解中国文化;讲到醇酚醚时,引入2015 年获得诺贝尔生理医学奖屠呦呦萃取青蒿素;讲到醛酮中羰基还原的“wolff-kishner-黄鸣龙还原”,讲解黄鸣龙的事件;讲到生物大分子时,引入 1965 年我国科学家团队首先合成结晶牛胰岛素、2021 年中国科学院马延和团队利用二氧化碳人工合成淀粉、2021 年中国农业科学院首次实现从一氧化碳到蛋白质的合成等事件,凸显中国在自然科学领域的成就,展现民族自信。(4)营造环境:建构主义理论6认为:课堂教学需要营造利于学习的良好环境。故教学过程中需要在师生关系和谐平等的基础上,以应用引导、问题中心、案例剖析等理念,进行有效互动、直觉感悟等创新式教学,努力促使教与学在认知目标、情感目标和技能目标上的均衡达成,同步实现。比如,在有机含氧化合物 醇的学习中,首先结合全球大流行的新冠疫情中消毒剂的使用的讲解,引出乙醇理化性质和正确使用的相关知识;讲到醇类物质状态、溶解性等物理性质时,特别强调甲醇的毒性和假酒对人的伤害;讲到乙醇氧化反应时,插入饮酒的生物代谢分析,促使学生明白酒驾醉驾的危险和遵守法律、职业道德、关爱生命、关注健康的意义。2.3 完善考核机制为了培养应用型人才,必须注重学习全过程的考核,完善传统考核方式。平时成绩部分,将以出勤率和作业质量为主、课堂表现为辅的传统过程考核,转变为出勤率、作业质量、课堂表现三位一体的全方面考核。依据应用型人才培养为核心导向,将出勤率、课堂状态、收集资料、小组讨论、翻转课堂、制作课件、课堂测试、课堂互动、作业质量、作业数量等全过程全方位考核学生学习情况,全过程考核既考察学生对具体知识点的掌握和应用理论知识分析解决问题能力,同时也锻炼培养学生掌握现代学习技术能力、归纳总结能力、分辨思维能力、表达演讲能力、团结合作意识等应用型人才必备素质。期末考试中调整命题中主观题比例为 70%,客观题比例为30%,具体题型中减少填空题、判断题等简单题,适当增加机理分析、结构推断等应用题型。并酌情增加前言信息分析题和生产设计问题,增加考试有意凸显灵活运用理论知识的考核,在平时例题和习题作业基础,适当拓展,有效改善了学生背重点,仓促应付考试现象。3 结 语有机化学课程教学改革后,我校应用化学专业学生学习变得更加积极主动,考试成绩也得到显著的提升,后续相关课程的学习热情增加,学生考研选择有机化学的人数增加,有机化学考研成绩也稳步提升,高质量的就业人数也越来越多。应用型人才教学改革需要更多教育工作者不断地努力探索,培养更多优秀的应用型人才为中华民族的伟大复兴贡献力量。参考文献1 孔繁敏.建设应用型大学之路M.北京:北京大学出版社,2006.2 李小瑞.有机化学M.北京:化学工业出版社,2018:6.3 李艳梅,赵圣印,王兰英,等.有机化学.第二版M.北京:科学出版社,2014.4 教育部高等学校教学指导委员会.普通高等学校本科专业类教学质量国家标准(上)M.北京:高等教育出版社,2018:130-137.5 贾丽艳,及燕铭,梁雅漩,等.基于雨课堂+企业微信+慕课的在线直播教学 以有机化学为例J.化学教育,2021,42(4):36-39.6 钟丽佳,盛群力.建构主义教学理论之科学性探讨J.电化教育研究,2016,37(10):22-28.(上接第 324 页)5 纪鹏飞,张强,宋俊男,等.分光光度法检测葡萄酒中花青素方法可行性分析J.食品安全质量检测学报,2020,11(23):8977-8982.6 黄希哲,廖增俊,何心怡,等.分光光度法研究可逆反应动力学过程J.大学化学,2021,36(2):193-197.7Chengjun Ren,Lina Zhou,Hongyan Shang,et al.Effect of preparationmethod on the performance of Pd-MnOx/-Al2O3monolithic catalystsfor ground-level O3decompositionJ.Chinese Journal of Catalysis,2014,35(11):1883-1891.8Haoxin Liu,Baiwen Zhao,Yusheng Chen,et al.Rare earths(Ce,Y,Pr)modified Pd/La2O3-ZrO2-Al2O3catalysts used in lean-burnnatural gas fueled vehiclesJ.Journal of Rare Earths,2017,35(11):1077-1082.9 张秀华.物理化学实验M.哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社,2015:227-233.10 郭雪萍,亢秀杰,李静亚.粘度法测定聚苯硫醚(PPS)分子量的前期理论探讨J.检测科技,2014(21):74-76.11 辛勤,罗孟飞.现代催化研究方法M.北京:科学出版社,2009:24-31,60-61,156-161,219-221,276-287.12 Miquel Garcia-Rates,Rodrigo Garca-Muelas,Nuria Lopez.SolvationEffects on Methanol Decomposition on Pd(111),Pt(111),and Ru(0001)J.The journal of physical chemistry,C.Nanomaterials andinterfaces,2017,121(25):13803-13809.13 陈书贵,周金梅,张鸿斌,等.碳纳米管负载/促进 Cu-Cr 催化剂上甲醇分解制氢J.厦门大学学报(自然科学版),2003,42(2):133-138.14 杨成,任杰,孙予罕.稀土改性 Pd/Al2O3催化剂的性能:甲醇分解的活性和选择性J.中国稀土学报,2002,20(2):176-178.15 洛桑,李伟,周勇.实施探究性实验教学,提高学生的综合素质J.大学教育,2014(10):39-40,43.