材料科学与工程专业物理化学实验教学体系的构建与实践
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摘 要 本文结合湖南文理学院培养应用技术型及创新型人才的要求，及配合学校进行的工科专业教学改革工作的需要，探索了材料科学与工程专业物理化学实验教学体系的构建与实践。新构建的物理化学实验教学体系，能够能充分发挥学生进行实验的积极性和主动性，增强学生的创新意识及应用能力，同时也能够促进教师不断提升自身的教学水平，提高物理化学实验教学质量。
关键词 材料科学与工程 物理化学实验 开放设计性实验
中图分类号：G424 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2019.03.063
Abstract Based on the requirements of Hunan University of Arts and Sciences for training applied and innovative talents and the needs of teaching reform of Engineering specialty， this paper explores the construction and practice of physical chemistry experimental teaching system for materials science and engineering specialty. The newly constructed experimental teaching system of physical chemistry can give full play to the enthusiasm and initiative of students to carry out experiments， enhance students' innovative consciousness and application ability， and also promote teachers to constantly improve their teaching level and improve the quality of physical chemistry experimental teaching.
Keywords material science and engineering； physical chemistry experiment； open design experiments
物理化學是材料科学与工程专业的一门专业基础课，物理化学实验是物理化学教学的重要组成部分。物理化学实验多为验证性和综合性实验。这些实验内容可以培养学生的基本实验操作技能和提高学生的实验操作能力，使学生通过实验更容易理解和掌握物理化学理论知识。随着转型背景下我校工科专业课程体系的改革，材料科学与工程专业增加了物理化学实验学时数，由原来的40学时增加到如今的48学时，这样我们可以初步探索在验证性和综合性实验的基础上，在我们的实验教学体系中增设8学时的开放设计性物理化学实验。通过近一年来的实验教学实践，学生的实验兴趣明显改善，学生的科学研究能力和创新能力能够得到系统培训和显著提升，这为进一步构建材料科学与工程专业物理化学实验教学体系打下了坚实的基础。
1 物理化学实验教学目前存在的问题
近些年来，物理化学实验研究方法和仪器设备不断更新和改进。然而，目前使用的物理化学实验教材仍然仅仅包括验证性和综合性实验，部分实验内容已经不能满足当前培养应用型和创新型人才的需求。开放设计性实验的偏少使得学生的创新能力得不到发展，阻碍了学生进行实验的主动性和积极性。另外，现行的物理化学实验与其他先行实验课程关联较少，有些验证性实验内容甚至出现重复，且学生在实验前就已经知道绝大多数验证性实验结论，不利于学生创新能力的培养。[1， 2]所有这些问题都导致了材料科学与工程专业学生对物理化学实验课程的重视程度不够、实验主动性和积极性不高。
2 物理化学实验教学体系的构建与实践
在物理化学实验教学过程中，可以利用我院拥有大型仪器设备的优势，开展与物理化学实验相关的大型仪器设备教学活动。例如，在实验教学过程中学生会接触到差热分析仪、电化学工作站以及傅立叶变换红外光谱仪等方面的实验内容。为了加深学生对相关实验内容的理解，可以利用我院这部分大型仪器设备开展相关的实验教学工作，使学生能够充分接触到先进的大型仪器设备，使得物理化学实验能够更加接近前沿科技，提升学生的实验兴趣。
在物理化学实验教学过程中，提高综合性实验的比例和难度，并增设了一定比例的开放设计性实验。经过改进的综合性物理化学实验涵盖了多种实验方法和手段的应用，可以将材料科学与工程专业的物理化学实验与有机化学实验融合在一起。[3-6]例如，对于乙酸乙酯皂化反应速率常数的测定实验，可以先让学生合成乙酸乙酯，然后再做其皂化反应速率常数的测定。同时，我们鼓励学生大胆操作，前提是不损害仪器，不违背仪器工作原理，即使学生出现了操作失误，只要教师通过对因操作失误导致的错误结果进行分析，同样可以达到物理化学实验教学目的。例如，在“燃烧热的测定”实验中，可能会出现点火后燃烧不充分，温差偏小的情况。教师发现问题后，并没有立即指出问题所在，也没有让学生停止实验，而是等带学生实验完毕，学生打开氧弹时，会发现坩埚内的物质并没有完全燃烧，残留着很多黑色物质。学生此时就会提出疑问，什么原因会导致燃烧不完全呢？黑色的物质是什么呢？我们的实验指导教师没有立即告知原因，而是让当时做实验的学生一起从源头分析这种实验现象。在实验指导教师的引导下，学生会逐步分析出燃烧不完全可能是氧弹漏气所致，随后教师指导学生将氧弹重新充氧后用皂液检测，发现氧弹确实存在漏气。通过有问题的实验现象和实验数值，学生能够很直观地明白了什么是完全燃烧和不充分燃烧，也知道了在物理化学实验中装置气密性检测的一种常用实验方法。所有这些能够有效提升学生进行实验的积极性和主动性。此外，我们增设了开放设计性实验。为材料科学与工程专业的学生提供了一个进一步提高实验技能，培养创新能力，掌握科学研究方法的机会。此部分实验由学生自主提出具有研究性、创新性、以及设计性的实验方案，由实验指导教师对其可行性进行论证，对论证可行的实验课题或实验方案，物理化学实验室提供实验所需要的基本条件，最终由学生在实验教师的指导下独立完成开放设计性实验。通过学生自主查找实验资料，这种开放设计性实验能够充分调动学生进行实验的兴趣，以及学生学习的积极性和主动性，充分发挥学生的创造力与想象力，对培养学生的创新意识、提升学生的创新及应用能力具有重要的作用，同时可大大提高实验设备的利用率。 为了调动学生学习的主动性和积极性，在物理化学实验基本理论教学阶段，我们改变了往年单一的教学模式，采取了多种不同的教学形式。与理论教学类似的是，在物理化学实验教学过程中我们也要去指导教师多媒体技术进行理论部分的讲授。往年我们采取的实验教学方法较为单一，由指导教师课前将实验原理与步骤部分写好板书，课堂对照仪器进行讲解。由于指导教师在讲授过程中不可能会从头到尾将实验演示一遍，所以学生在听的过程中会感到很抽象，到开始进行实验时，可能很难回忆起实验指导教师讲述的实验要点。我们目前采用了较为生动的多媒体教学手段，对于实验内容我们使用形象的动画和流程图来进行讲解，这样学生可以获得更为直观的认识，从而可以显著提高学生的理论学习效率，提升学生进行实验积极性和主动性。同时，我们针对物理化学实验课程注重实际操作的特点，我们要求实验指导教师在讲授实验时轻理论，重实践，即对于实验理论部分尽量做到简明扼要，重点讲授仪器设备操作步骤及工作原理。此外，物理化学实验数据的处理也是非常重要的部分，我们往年都是要求学生使用坐标纸绘图，如今我们鼓励学生用计算机完成，使学生能够在本科阶段学会使用Origin和Chemdraw等常用作图软件，这不仅可以降低坐标纸绘图引起的误差，而且对学生今后进一步深造进行科研工作也是很有益处的。
3 新构建的物理化学实验教学体系的教学效果
在我们往年的物理化学实验教学模式下，实验指导教师作为主体传授知识给学生，学生被动地接受知识和实验技能，这样会造成实验内容单一，学生在完成实验后在脑海中不会产生较为深刻的印象，从而不能充分发挥学生进行实验的积极性和主动性。我们提高综合性实验的难度及增设开放设计性实验后，学生普遍反映比较好，学生可以根据自己的兴趣选择实验项目，查阅文献，设计实验方案并认真完成，学生的实验及创新能力能够得到较大提高，对将来完成毕业论文及从事科学研究都有很大的帮助。同时，在实验方案论证过程中也可以增加学生与实验指导教师交流的机会，能够更好地表达对实验的一些设想，通过与指导教师交流及查阅资料，逐步完善实验方案，这也能培养学生的协作精神和探索精神。在材料科学与工程专业中增设开放设计性实验，能够很好地帮助学生理解材料的合成、表征及应用等与物理化学密切相关。物理化学实验综合了化学及材料领域中各分支学科所需要的基本理论和研究方法，在材料科学与工程专业实验课程中具有非常重要地位。材料科学与工程专业增设开放设计性实验项目是基于学生的专业特点出发，增设突出物理化学实验基本原理又紧密结合材料专业需求的实验项目，这增强了学生对专业的兴趣，开阔了学生的专业视野，增强了学生的创新意识。
材料科学与工程专业增设物理化学开放设计性实验，对实验指导教师也是全新的尝试。在物理化学开放设计性实验的实施过程中，指导教师要指导学生查阅资料、修改学生设计的实验方案并与学生共同讨论设计方案。在解答学生遇到的困难和疑问时，也会出现实验指导教师没有接触到的新问题，这就要求指导教师也要不断学习和完善知识储备。新构建的物理化学实验教学体系，也能够促进教师不断提高自身的教学水平和科研能力，提高物理化学实验教学质量。
4 结论
在材料科学与工程物理化学实验教学过程中，提高综合性实验的比例和难度，并增设一定比例的开放设计性实验，能够充分发挥学生进行实验的积极性和主动性，提升学生对专业的学习兴趣，开阔学生的专业视野，增强学生的创新意识、协作精神和探索精神。新构建的物理化学实验教学体系，也能够促进教师不断提升自身的教学水平和科研能力，提高物理化学实验教学质量。
*通讯作者：欧利辉
参考文献
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