“四化”新理念的物理化学实验教学改革研究

罗虎，严军，冉薇，张权凤(广西民族大学化学化工学院，广西 南宁 530006)

0 引言

作为一门重要的基础化学实验课程，物理化学实验的有效开展，在中心科学物理化学理论课程所涉及的相关概念、原理的理解和运用上，起到举足轻重的作用。在高等本科院校的培养体系中，开设物理化学实验课程的专业，覆盖化学、化工、药学、环境、材料等理工科方向，覆盖的学科专业范围广，交叉渗透程度深。然而，在传统的物理化学实验设计上，普遍存在实验药品具有一定毒性、实验内容的灵活性和创新性不足、学生缺乏主动学习动力、操作动手能力培养效果不佳等问题。2020年7月，教育部和工信部联合发布《现代产业学院建设指南(试行)》，明确提出在特色鲜明、与产业紧密联系的高校建设若干与地方政府、行业企业等多主体共建共管共享的现代产业学院，以培养适应和引领现代产业发展的高素质应用型、复合型、创新型人才，支撑经济高质量发展，推动高校分类发展和特色发展。该文件对理工科专业的人才培养提出了新的要求，即现代产业学院将更重视对学生的应用及创新能力进行培养和提升。作为多个现代产业学院的核心驱动课程，为了进一步提升物理化学实验对学生产业素养的培育能力，有必要对其教学内容和教学方法进行重新梳理、有效整合、创新探索。通过新理念和新思维的积极融入，特别是将环保化、串联化、独特化与创新化的“四化”新理念在实验教学中进行有效注入，才能打造出更匹配现代(化工、药学、环境、材料)产业学院育人要求和培养体系的实验课程。从依托产业和服务产业的角度出发，在“四化”新理念中融入对现代产业人才的实际培养需求，大胆创新教学内容和教学方式，从而使培养的学生能够更接底气，与现代产业行业的发展同向而行，从知识储备、创新意识、理想信念等方面对其进行全面定向培育，从而为国家培养信念坚定、基础扎实、创新活跃的新型理工类人才[1-3]。

1 传统物理化学实验教学存在的不足

(1)学生对实验用品性质了解不够。物理化学的部分实验内容所使用的药品、材料、试剂及反应废弃物等，具有一定的生理或者环境毒性。虽然在国家大力推行废弃物集中收集和专业处理等方式后，有毒药品和废弃物等对环境、人体健康的影响大幅减少，但学生无法直接参与这些无害化处理的方式和过程，难以在其观念中直接培养“绿水青山就是金山银山”的环保信念，更难以形成、加深对绿色环保化学与人类可持续发展的良性互动关系的理解。

(2)实验内容的灵活性和创新性不足。在传统的实验规划上，理论原理验证型的单一实验占比过大，实验数量和时长超过总课程的一半。而具有知识高度串联、专业深度针对、地域鲜明特色的综合设计类实验比例偏低，与现代产业学院的培养方向背道而驰，难以对学生的框架思维和创造意识进行定向培育，导致学生毕业后进入企业水土不服，需要企业耗费大量时间和精力对其进行重新培训。

(3)学生主动学习的动力调动不足。物理化学的课程特点，导致实验所涉及的理论和原理较为抽象，且描述性的文字和公式较多。加上课程指导老师的上课时间有限，学生数量偏大且较为分散，对预习情况的检查普遍以抽查为主，缺乏和学生的交流互动。这种情形导致学生对待实验预习的态度不够端正，容易抱有逃避心理，只是纯粹机械式复制抄写课本上的实验内容，没有与理论课程进行有效关联、细致分析，对实验步骤缺乏深入的思考和判断，实验的预习效果呈现表面化、肤浅化的不利趋势。

(4)操作动手能力培养效果不佳。物理化学的实验仪器中，较大部分的结构造型比较复杂，或者使用步骤较为繁琐。如果学生仅仅凭借课本的简单描述，以及指导老师的课堂集中演示和讲解，大多无法完全熟悉并掌握仪器的正确操作方法，从而在实验过程中常常出现手足无措，瞻前顾后，实验难以进行下去的情况。一旦频繁出现这些情形，指导老师就需要对这部分学生予以特别关注，不断进行实验指导或者操作，而难以顾及其余学生的实验具体操作，造成学生整体的操作思维和动手能力培养效果不佳，成效不明显。

2 环保化改进

相对于无机化学、有机化学和分析化学实验，物理化学实验过程涉及的有毒药品和废弃物相对较少，导致学科教育方面，向来对药品选择和废弃物排放等问题的关注度不够[4-5]。然而，通过仔细分析市面上流行的教材发现，物理化学的一些实验内容所使用的药品、材料、试剂及反应产生的废弃物等，具有一定的生理或者环境毒性。因此，很有必要对相关的实验内容和方法进行减害化或者无害化设计，促进实验教学的环保化改进。此外，应通过多种方式，让学生亲身体会、亲自参与绿色环保化的改进工程，从而真正将环保意识和可持续理念深植于心，培养出自觉的绿色设计能力。在充分考虑学校实际和采购预算的基础上，可以尝试开展如下工作：试剂无苯无汞化，比如在燃烧热测定实验中，测定物质的选择上，可选用赤藓糖醇、山梨糖醇等代糖物质，替换萘等有毒物质；设计小轻微量化，在保证实验展示效果的基础上，重新设计或者更新实验装置，通过缩减物质反应空间，提高检测灵敏度等方式，达到减少药品消耗量，从而直接降低废弃物的产量，并有效缩短反应时间，提高实验效率；测试材料开放化，在实验设计上，提供多种无毒物质和低毒物质，让学生自由选择实验材料，通过直观的气味、间接的废弃物处理等形式，加深学生对于绿色环保的感受和理解，培养和提高对“绿水青山就是金山银山”环保信念的认识；测量技术数字化，比如采用数字式测温仪，取代含汞温度计，采用数字式压力测试仪，取代含汞压力计。

3 串联化改进

通过对实验内容的细致分析，发现传统的物理化学实验体系呈现知识单一、缺乏关联的局面。具体体现为，大部分实验的原理知识单一化、片面化，没有形成具有综合、整体、连贯特点的串联型大知识框架结构，不利于学生对照理论课程内容和知识进行整体理解和全面掌握。要突破这一困局，则需要精心挑选实验内容，对实验体系进行串联化大改造，从而大力凸显实验内容的科学复合性和实验方法的全面多样性[6]。

相对于传统的分散型实验体系，串联型实验体系要将全书实验内容进行模块化分解，形成单一的知识点或研究方法。并根据院校的实际实验条件，遴选具有一定相关性的多个知识点进行有机串联，从而整合形成对学生具有全面培养作用的实验内容。比如我们可以根据采购的便利性、物质的储存性，从数量庞大的天然物质数据库中，摘选某种无毒的固体物质，再以其为中心，从多方面设计相关的串联实验，将动力学、热力学、催化过程、电化学等相关理论知识点进行紧密关联，同时整合使用多种实验手段和方法，从而促使实验内容的知识框架和研究方法达到系统性、一体性的效果。以蔗糖为例，可以设计燃烧热的测定，水解反应的速率常数测定，不同催化剂下水解反应的速率测定，微生物燃料电池设计等串联创新实验。

4 独特化改进

作为中心科学的物理化学，药学、环境、材料等专业和相关产业对其的有效需求，必然与化学化工专业存在一定的差异性。如果在设计实验时，没有考虑到专业差异性，那么千篇一律的实验安排，将难以调动不同专业、不同学科学生的学习积极性，更会使其产生物理化学课程与自身专业毫无联系的感官错觉[7-8]。因此，在面向不同产业方向的实验课程设计时，需要体现授课专业的特色及需求，增加设置专业关联度高的实验内容，融合产业需求，从而提高学生的学习关注力。比如在测量物质水解反应的动力学实验中：药学专业可以选择阿司匹林、利多卡因等不同种类的药物，建立相应药物的水解动力学模型，加深对药物结构与稳定性关系的理解；环境专业则可以选择观察氯胺、二氧化氯等消毒剂的水解过程，直接感受消毒剂的作用时长，强化对消毒剂使用条件的记忆。高分子专业可以考察聚乳酸等易于水解的高分子，帮助学生树立高分子环保化的理念；新能源专业可以针对不同锂离子电解液中的锂盐成分，进行水解反应测试，从而进一步加深对阴离子结构稳定性的认识。在专业匹配模式的指导下，对实验内容和安排进行独特化改进，将让不同专业的学生对物理化学在本专业中的实际应用，有了更直接和深刻的体会，从而在源头上有效激发出学习的原动力。另外，物理化学实验内容和知识框架的改进应立足于学校的学科优势与特色，才能做到课程的独特化。例如我们立足于广西民族大学的“民族性、区域性、国际性”研究特色，以及化学化工学院的优势研究方向，对实验内容进行了众多独特性调整。比如：溶液吸附法测定固体比表面积的实验对象，从活性炭转变为依托广西丰富松香资源所合成的吸附树脂，加深了学生对广西丰富林业资源的认识。在线性电位扫描法测定金属的极化曲线实验中，镍电极可以更换为锰电极等具有广西特色的有色金属材料。燃烧热实验的检测对象，将从萘更新为产量位居全国第一的广西蔗糖。黏度法测定水溶性高聚物相对分子量的实验对象选用水溶性的长链淀粉材料。涉及商品化碳材料的实验，则可以更换为使用广西甘蔗渣热解合成的新型碳材料。只有将实验内容与地域独特性、学科独特性进行有机结合，精心整合，才能在保证实验原理的教授和实验现象的重现基础上，进一步突出院校在科研优势方面的独特性。

5 创新化改进

受制于设备数量、空间大小和学时长短的限制，物理化学实验难以实现内容开设全面覆盖、学生操作全面参与。在这种情况下，学生的学习主观能动性下降，实验的操作动手能力锻炼有限，难以发挥物理化学实验教学的培养潜力[9-10]。积极将微课和虚拟仿真等创新化教学手段与课堂教学进行定向连接，有助于释放学生探索的内动力。

一方面，物理化学实验教学中应充分利用微课所具有的片段化、视觉化的特点。比如指导老师对实验原理进行通盘考虑，对其中的核心知识点进行科学分解和再加工，然后将其录制成时长不超过5 min的微课内容，并提前一周发送给学生，供其作为预习的辅助材料，将非常有利于学生克服胆小和畏难的心态，转而积极投身预习的工作中。同理，将复杂的实验操作过程合理拆分为分步步骤，然后将其录制为多段微课，帮助学生提前了解仪器的正确操作步骤和实验注意事项，对后续实际实验过程中遇到的操作问题，也能有效推动其主动观看，设法解决，从而切实提高实验效率和动手操作的效果。另一方面，应加大虚拟仿真在物理化学实验课程中的应用。虚拟仿真可以通过软件的灵活设置，高精度还原实验室的真实场景，并提供丰富多样的仪器和药品原料，可以供学生自由发挥想象力，灵活组合、连接和调变各种参数，从而激发学生的创新意识，切实提高在实验课堂以外的动手能力。

6 结语

在建设现代产业学院的新要求下，物理化学实验教学迫切需要进行新尝试、新理念的改革。通过加大串联型实验内容的比例，结合专业和院校特色的内容独特化改造。同时，将环保绿色的教育理念直接融入学生的学习体会，将微课和虚拟仿真与课堂教学深度融合，实现将环保化、串联化、独特化和创新化的“四化”新理念在实验教学中有机注入，助力打造更适合现代产业学院培养体系的实验课程。