物理化學(xué)實驗教學(xué)引導(dǎo)式教學(xué)法應(yīng)用

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[摘要]針對傳統(tǒng)物理化學(xué)實驗課程教學(xué)中的若干突出問題，本文以《電動勢法測pH和Ksp》實驗為例，闡述了問題引導(dǎo)式教學(xué)法在物理化學(xué)實驗教學(xué)中的應(yīng)用。該方法充分彰顯實驗課程教學(xué)中學(xué)生的主體地位，顯著提升學(xué)生的參與感和積極性。引導(dǎo)學(xué)生思考、討論、總結(jié)實驗教學(xué)內(nèi)容與化學(xué)相關(guān)學(xué)科知識及應(yīng)用的內(nèi)在聯(lián)系，深化實驗教學(xué)質(zhì)量，有效促進(jìn)相關(guān)學(xué)科知識的學(xué)習(xí)，為高質(zhì)量人才的培養(yǎng)奠定基礎(chǔ)。

[關(guān)鍵詞]物理化學(xué)實驗；教學(xué)改革；引導(dǎo)式教學(xué)

物理化學(xué)實驗課程是化學(xué)、化工、藥學(xué)、醫(yī)學(xué)等相關(guān)專業(yè)的一門重要基礎(chǔ)課程，是物理化學(xué)理論體系不可或缺的組成部分，是一門綜合運(yùn)用物理、化學(xué)和數(shù)學(xué)的原理、技術(shù)、方法、儀器的實踐課程，為化學(xué)相關(guān)領(lǐng)域的研究提供了基本的工具和方法[1]。2020年9月11日，習(xí)在科學(xué)家座談會上講到：“加強(qiáng)創(chuàng)新人才教育培養(yǎng)。要把教育擺在更加重要位置，全面提高教育質(zhì)量，注重培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力。要加強(qiáng)數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、生物等基礎(chǔ)學(xué)科建設(shè)，鼓勵具備條件的高校積極設(shè)置基礎(chǔ)研究、交叉學(xué)科相關(guān)專業(yè)，加強(qiáng)基礎(chǔ)學(xué)科本科生培養(yǎng)……”。創(chuàng)新人才的培養(yǎng)是新時代高等教育的根本導(dǎo)向，“基礎(chǔ)課程”教學(xué)在高校創(chuàng)新教育中的重要地位無可替代。作為現(xiàn)行教學(xué)模式下主要載體，課堂教學(xué)的效率一直是教學(xué)改革的核心，如何在有限的課時內(nèi)，充分調(diào)動學(xué)生主觀能動性，讓學(xué)生獲取更為全面嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿?、方法和知識，激發(fā)學(xué)生求知欲，培養(yǎng)創(chuàng)新意識，提高學(xué)生認(rèn)識問題、分析問題、解決問題的能力，向課堂要效率，是廣大一線教育工作者永無止境的追求[2]。

1物理化學(xué)實驗課堂教學(xué)現(xiàn)存的兩個突出問題

1.1學(xué)生對物理化學(xué)理論知識的儲備及對化學(xué)相關(guān)知識的融會貫通能力不足物理化學(xué)理論體系自身抽象又嚴(yán)謹(jǐn)?shù)奶攸c，常給學(xué)生一種“概念多，公式多，應(yīng)用條件多變等”刻板印象，學(xué)生對理論知識的深入理解普遍有待提升。另外，還有部分班級的物理化學(xué)實驗課，幾乎與物理化學(xué)理論課程、有機(jī)化學(xué)理論課程、分析化學(xué)理論課程等同期開課，會有未經(jīng)學(xué)習(xí)相應(yīng)理論知識而先進(jìn)行實驗實踐的尷尬，造成學(xué)生對將要開展的物理化學(xué)實驗不知其所以然。鑒于此，學(xué)生在物理化學(xué)實驗前的預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)常常差強(qiáng)人意，表現(xiàn)出“看過了”即為“預(yù)習(xí)過了”的無奈。在實驗過程中，常有“照虎畫貓”的現(xiàn)象，極大地降低了課堂教學(xué)的效果，背離高素質(zhì)人才培養(yǎng)的初衷。另外，物理化學(xué)作為化學(xué)學(xué)科的理論支撐，它所提供的研究方法和實驗手段，是化學(xué)研究通行的基本策略，對化學(xué)相關(guān)的研究都有重要的參考意義。而作為教學(xué)課程，化學(xué)相關(guān)的各學(xué)科課程又是相對獨(dú)立的，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中，鮮有將物理化學(xué)實驗方法與解決眾多相關(guān)學(xué)科問題相關(guān)聯(lián)起來，這在化學(xué)學(xué)科相關(guān)人才的培養(yǎng)上應(yīng)引起足夠的重視。

1.2教學(xué)方法相對單一，缺乏相關(guān)知識應(yīng)用的縱橫聯(lián)系物理化學(xué)實驗傳統(tǒng)的教學(xué)方式包括：學(xué)生預(yù)習(xí)；教師講解；學(xué)生動手實驗采集實驗數(shù)據(jù)；提交實驗報告[3]。這種教學(xué)模式能夠確保在規(guī)定時間內(nèi)完成教學(xué)任務(wù)，但學(xué)生學(xué)習(xí)效果卻有較大提升空間，很難滿足新時代高素質(zhì)大學(xué)生培養(yǎng)的根本需求。在教師課堂講授部分中，教師往往依照指定教材所列順序：實驗原理-實驗內(nèi)容-儀器使用規(guī)范-實驗注意問題-數(shù)據(jù)處理，進(jìn)行逐一講授，與學(xué)生互動少，屬傳統(tǒng)課堂“灌輸式”教學(xué)，學(xué)生被動學(xué)習(xí)，主觀能動性無法得到彰顯。特別是實驗原理部分，有很多的公式推導(dǎo)和表達(dá)式的變形，蘊(yùn)含著大量的學(xué)科信息，這使得，一方面，學(xué)生聽課的過程中無法與實驗內(nèi)容實時聯(lián)系在一起，從而產(chǎn)生無所適從的感覺，另一方面，教師也很難面面俱到的把這些信息進(jìn)行升華總結(jié)，不利于科學(xué)知識的縱橫聯(lián)結(jié)，使得物理化學(xué)實驗課程的教學(xué)效果大打折扣。

2引導(dǎo)式實驗教學(xué)方法初探

為了彌補(bǔ)前述問題的缺陷，本人結(jié)合多年教學(xué)實踐，以我校物理化學(xué)實驗中《電動勢法測pH和Ksp》[5]的教學(xué)為例，淺談下引導(dǎo)式教學(xué)方法的應(yīng)用?！峨妱觿莘ypH和Ksp》是經(jīng)典的物理化學(xué)實驗教學(xué)內(nèi)容之一，涵蓋了物理化學(xué)課程電化學(xué)章節(jié)中可逆電池、電動勢的測量、電極電勢、能斯特方程、電解質(zhì)活度，以及化學(xué)平衡章節(jié)中平衡常數(shù)等重要內(nèi)容。本實驗時長共4學(xué)時，其中指導(dǎo)教師的引導(dǎo)1學(xué)時，學(xué)生動手實驗記錄數(shù)據(jù)3學(xué)時。本文著眼于前1個學(xué)時，分為三個部分，整體設(shè)計如圖1所示。其中教師講解約20分鐘，教師引導(dǎo)下學(xué)生交流討論總結(jié)約占25分鐘。

2.1直接拋出擬解決的問題，分析問題本質(zhì)，用時5分鐘本次實驗需要測量待測溶液的氫離子濃度指數(shù)pH值(式1)和難溶鹽AgCl的溶度積Ksp(式2)。式中ax表示化學(xué)物質(zhì)x的活度，即“有效濃度”，根據(jù)溶液相關(guān)理論，活度可以濃度與活度系數(shù)γ的乘積表示，如式(3)所示。活度系數(shù)γ表征的是化學(xué)物質(zhì)對其理想行為的偏離程度，對于理想溶液或稀溶液的溶質(zhì)，γ=1。某溶質(zhì)活度系數(shù)的大小受諸多因素影響，如溫度、溶劑性質(zhì)、濃度等。活度系數(shù)的數(shù)值可由實驗測定或查閱標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)手冊獲得。由此，實驗測量待測液pH值及難溶鹽溶度積Ksp，實際上對相關(guān)物質(zhì)濃度的研究。

2.2引導(dǎo)式擴(kuò)展教學(xué)內(nèi)容，用時25分鐘引導(dǎo)學(xué)生思考、交流討論已學(xué)過、用過或見過的研究物質(zhì)濃度的實驗方法。此部分是物理化學(xué)實驗課程教學(xué)中學(xué)生主體地位的重要體現(xiàn)，是引導(dǎo)式教學(xué)中較發(fā)散，需要指導(dǎo)教師靈活掌控的環(huán)節(jié)。指導(dǎo)教師應(yīng)充分鼓勵和保護(hù)學(xué)生參與教學(xué)交流的意愿。學(xué)生交流討論內(nèi)容的全面性和準(zhǔn)確性是次要目標(biāo)。根據(jù)學(xué)生交流討論內(nèi)容，指導(dǎo)教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行歸納總結(jié)，必要時加以補(bǔ)充。濃度的研究方法通常可分為化學(xué)法和物理法兩類?；瘜W(xué)法是直接測量體系中物質(zhì)濃度的實驗方法，如酸堿滴定、絡(luò)合滴定、氧化還原滴定、電導(dǎo)滴定、電位滴定等。該方法常需要通過驟冷，稀釋等手段處理后，使混合體系各組份相對含量保持不變，然后測定相應(yīng)組份濃度；物理分析法是通過與濃度有關(guān)的物理量，如《二元液態(tài)混合物的氣-液平衡相圖》實驗中用到的折射率，《蔗糖轉(zhuǎn)化速率常數(shù)的測定》實驗中用到的旋光度，《乙酸乙酯皂化反應(yīng)速率常數(shù)的測定中》用到的電導(dǎo)率，《大孔樹脂吸附動力學(xué)》實驗中用到的吸光度，以及本實驗用到的原電池電動勢等物理量的測量，間接得到相應(yīng)物質(zhì)濃度的信息。該方法不干擾被測量體系，可連續(xù)在線檢測，利于實驗數(shù)據(jù)的大批量自動采集，但局限性在于需要明確所測物理量與被研究體系物質(zhì)濃度之間的具體的函數(shù)關(guān)系。本實驗采用測量電池電動勢的方法，引導(dǎo)學(xué)生復(fù)習(xí)波根多夫(Poggendorff)對消法測原電池電動勢的基本原理，并進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生討論、總結(jié)電池電動勢E的重要應(yīng)用[5]，如可用于：(1)測量電化學(xué)反應(yīng)摩爾吉布斯自由能變，摩爾熵變，摩爾焓變，電化學(xué)反應(yīng)熱效應(yīng)；(2)判斷化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的方向；(3)求化學(xué)反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)平衡常數(shù)，所有可以設(shè)計成可逆電池的化學(xué)反應(yīng)的平衡常數(shù)均可由此法求得；(4)求難溶鹽溶度積；(5)測定溶液pH值；(6)測定電解質(zhì)平均活度系數(shù)等。這部分內(nèi)容涵蓋了物理化學(xué)理論課程中電化學(xué)章節(jié)教學(xué)的大部分重點內(nèi)容，通過本次實驗教學(xué)，可有效幫助同學(xué)們梳理相應(yīng)理論知識，在體現(xiàn)促進(jìn)提高理論教學(xué)效果的同時，增強(qiáng)同學(xué)們對物理化學(xué)實驗手段強(qiáng)大功能的認(rèn)知。

2.3回歸實驗教學(xué)內(nèi)容，用時15分鐘在同學(xué)們討論結(jié)果的基礎(chǔ)之上，進(jìn)一步夯實電池電動勢法在測量pH值和Ksp中的具體應(yīng)用細(xì)節(jié)，如幾種常見的氫離子可逆電極：玻璃電極、標(biāo)準(zhǔn)氫電極和醌氫醌電極，鹽橋的使用及其注意事項，可逆電池的組裝等。此部分著重講解學(xué)生在實驗過程中易出錯的環(huán)節(jié)，宜簡化公式的推導(dǎo)與演算，避免大篇幅理論講解，盡可能呼應(yīng)同學(xué)們討論中談到的相關(guān)理論問題。

3總結(jié)

本文針對傳統(tǒng)物理化學(xué)實驗課程中若干環(huán)節(jié)的突出問題，以《電動勢法測pH和Ksp》實驗為例，探索了問題引導(dǎo)式實驗教學(xué)的新思路。本實驗教學(xué)法中，一方面，充分彰顯了學(xué)生的主體地位，學(xué)生參與感、主動性和積極性得到顯著提升，有效規(guī)避“填鴨式”教學(xué)的弊端。在指導(dǎo)教師的引導(dǎo)下，同學(xué)們之間的充分交流、討論并歸納總結(jié)，從而對實驗內(nèi)容有更加深刻的認(rèn)識，提升了實驗教學(xué)效果。另一方面，本實驗教學(xué)法中，使得實驗教學(xué)“目的-方法-原理-實施”主線更加清晰，以點帶面，由單個實驗教學(xué)內(nèi)容，引申眾多相關(guān)知識，啟發(fā)學(xué)生在今后學(xué)習(xí)過程中不斷總結(jié)歸納各知識之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，融會貫通，為高素質(zhì)化學(xué)相關(guān)人才的培養(yǎng)打下堅實基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

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作者：雷運(yùn)濤 靳麗麗 單位：中國藥科大學(xué)