浅析加强物理化学实验教学中的理论模型及仪器原理的重要性

【摘要】加强对理论知识和仪器原理的讲解，有助于学生更好地理解实验过程中测量量和测量手段的选择方法和如何处理获得数据去推断化学反应的机理，有助于学生学习的主动性和创新思维的培养。

【关键词】仪器原理 理论讲解 物理化学实验

【中图分类号】G64 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2017）23-0188-01

实验教学是大学教育中的重要组成部分，既是增强学生对理论知识的理解和掌握仪器使用技能的重要手段，也是培养学生创新能力和基本科研素养的重要方法，其在培养创新型大学生的过程中具有重要的地位和关键的作用[1]。物理化学实验是大学化学类专业的一门重要的专业课，其特点是通过对实验现象中物理量的测量和分析，探索和验证化学反应过程中的规律，有助于学生对基础理论的理解和建立对科学探究的基本方法论。随着科技的发展，越來越多的实验仪器采用数字化的数据采集和分析方式，智能化程度也越来越高。这样有助于提高实验过程的重复性和可信性，但是也带来了一些问题：如1.由于大多仪器采用数字采集的方式，学生打开开关基本上就完成了所有需要的操作，降低了学生积极性和自主性；2. 测量物理量和所探究的实验结论之间没有显性的关系，学生测量过程中经常一头雾水。这不利于学生对理论知识的学习和理解，也不利于培养学生的自主性、探索精神和创新性，起不到良好的培养作用。针对这些问题需要加强实验课的理论教学、在这个基础生增加对仪器原理的介绍，让学生建立起理论知识、物理测量、数据分析、理论探索的主线，增强学生学习的自主性和积极性，培养其良好的科学探索和创新的素养。

1.理论教学

在实验课堂上，不仅要回顾理论教学当中的内容，还需要讲解理论知识发展的起源、理论知识和实际的联系、相关过程的测量及分析等重要内容。物理化学实验和其他化学类实验一个重要的区别是其测量的物理量和最终要探究的理论之间的差异较大。只有在学生充分地理解和掌握基础知识的基础之上，才能够很好地分析和理解实验结果。例如采用粘度法测量有机物粘均分子量的试验中，学生很难想象测量液体下降的时间和有机物分子量之间的关系。同时，在理论讲解的过程当中采用多媒体教学方式，增加理论内容的直观性和理解性，让学生产生更多的兴趣[2]。例如在电导法测量表面活性剂临界胶束浓度的实验当中，首先需要给学生呈现一个表面活性剂的图像，让学生有一个直观具体的认识。在此基础之上，结合能量最低原理，建立物理模型，分析在不同浓度的情况下，表面活性剂在水溶液中的具体形态，及其相关的物理、化学性质的变化规律和原因。最后，引导学生分析在临界胶束浓度的条件下，表面活性剂的形态会发生一个怎样的突变、又会引起那些物理、化学性质的变化。这些分析到底正不正确呢，课堂中的假设和推论是否和实际相符合呢？积极引导学生带着疑问去完成实验。整个过程有助于学生建立物理化学过程中的模型，并分析模型在外界条件下的变化规律；最后通过相关的手段去检测假设和理论的合理性和适用性。整个过程也可以帮助学生建立探究科学问题的方法论。

2.仪器原理分析

相关物理量测试的方法和手段直接关联到实验仪器的选择的和使用。因此，通过对测量手段和方式的讲解，一方面有助于学生清晰的认识仪器的工作原理；另一方面有助于学生在探究性实验当中合理的选择仪器完成需要的测试，获得有效的数据建立相关模型。同时，仪器原理的讲解有助于学生理解仪器工作的本质，便于学生在实验过程中有的放矢地操作仪器，增加学生操作仪器的积极主动性。例如在使用磁天平测量络合物的磁化率并判定络合物的配键类型的实验当中，通过磁体在磁场中的受力，可以判断出磁体磁性的类别，而力的大小与磁体中未配对电子的数目相关从而获得络合物的配键类型。实验当中的采用的粉末受力较小，很难直接测试其受力，可以引导学生思考如何测量微小的力？天平是测量物体质量的仪器，其本质原理是天平提供的支持力与物体所受到的重力平衡的条件下，获得物质的质量。依照此思路，可以通过测量磁体在磁场中“重力”（向下的作用力）的变化来判断磁力的大小。同时采用万分之一的天平可以测量大小约10-3牛的力，可以满足实验当中测试的要求。通过这些分析，使得学生明白仪器设计的重要性以及如何通过间接的测量去获得所需要的物理量。在磁场中，如果样品受到“重力”减小，学生就可以分析得出材料具有抗磁性；“重力”增大就知道这个材料具有顺磁性或者铁磁性。这个分析过程，有助于学生清楚的认识和理解实验当中为何使用改装的天平去测量质量、为何通过质量的变化就可以获得物体受到的磁力等问题。可以促使学生积极地思考如何利用简单的测试手段（质量）去获得材料微观的信息（络合物配位），这对学生创造性和创新性思维的培养都大有裨益。

3.数据分析

数据分析是物理化学实验当中的一个重要组成部分。不同于其他化学实验所得结果与理论之间具有显性的关系，物理化学实验测试的数据与最后需要分析的物理量之间没有显性的关系，例如在采用乌氏粘度计测量有机物粘均分子量的实验当中，通过测量液体（溶液和溶剂）流经毛细管的时间t，计算出溶液的增比粘度和比粘度。然后利用增比粘度、比粘度与浓度之间的关系计算出特性粘度。最终，利用特性粘度与有机物摩尔质量的关系获得分子量的信息。在整个过程当中，学生需要对数据有一个清晰、全面的认识，对它们之间的关系有一个深刻的理解，才能从测量的数据当中理出一个清晰的脉络，获得所需的信息。同时，要加强学生采用数学软件处理数据的能力，增加数据分析的可靠性降低学生处理数据的负担，使其能够得出比较清晰、准确的实验结论[3]。

总结

在物理化学课程的讲解当中，需要将实验原理的来龙去脉、实验手段和测量物理量与实验原理之间的关系以及最终数据处理过程给学生进行清晰的传达和讲授，使学生理解和认识理论和实验之间的关联，建立理论分析和实验测量之间的关系、建立相关模型与数学处理之间的关联。在这个过程中，学生可以更加宏观地认识理论和实验之间相互促进的关系，建立合理有效地方法论进行未知事物的探索和分析，以促进其对知识的理解和创新意识的培养。

参考文献：

[1]田福平，贾翠英，陈静，等. 物理化学实验教学方法在创新人才培养中的作用[J]. 实验技术与管理， 2011， v.28；No.182（11）： 119-121.

[2]高书燕. 计算机辅助物理化学实验课程教学探讨[J]. 大学化学， 2011， v.26（5）： 52-53.

[3]高锦红.MABLAB在物理化学实验数据处理中的应用[J]. 广州化工， 2014， （7）： 186-187， 201.

作者简介：

杨周（1985-），男，汉族，河北邯郸人，博士，讲师，2012年毕业于中国科学技术大学凝聚态物理专业，主要研究方向为半导体光伏材料及器件。