物理化学实验教学引导式教学法应用

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[摘要]针对传统物理化学实验课程教学中的若干突出问题，本文以《电动势法测pH和Ksp》实验为例，阐述了问题引导式教学法在物理化学实验教学中的应用。该方法充分彰显实验课程教学中学生的主体地位，显著提升学生的参与感和积极性。引导学生思考、讨论、总结实验教学内容与化学相关学科知识及应用的内在联系，深化实验教学质量，有效促进相关学科知识的学习，为高质量人才的培养奠定基础。

[关键词]物理化学实验；教学改革；引导式教学

物理化学实验课程是化学、化工、药学、医学等相关专业的一门重要基础课程，是物理化学理论体系不可或缺的组成部分，是一门综合运用物理、化学和数学的原理、技术、方法、仪器的实践课程，为化学相关领域的研究提供了基本的工具和方法[1]。2020年9月11日，习在科学家座谈会上讲到：“加强创新人才教育培养。要把教育摆在更加重要位置，全面提高教育质量，注重培养学生创新意识和创新能力。要加强数学、物理、化学、生物等基础学科建设，鼓励具备条件的高校积极设置基础研究、交叉学科相关专业，加强基础学科本科生培养……”。创新人才的培养是新时代高等教育的根本导向，“基础课程”教学在高校创新教育中的重要地位无可替代。作为现行教学模式下主要载体，课堂教学的效率一直是教学改革的核心，如何在有限的课时内，充分调动学生主观能动性，让学生获取更为全面严谨的逻辑、方法和知识，激发学生求知欲，培养创新意识，提高学生认识问题、分析问题、解决问题的能力，向课堂要效率，是广大一线教育工作者永无止境的追求[2]。

1物理化学实验课堂教学现存的两个突出问题

1.1学生对物理化学理论知识的储备及对化学相关知识的融会贯通能力不足物理化学理论体系自身抽象又严谨的特点，常给学生一种“概念多，公式多，应用条件多变等”刻板印象，学生对理论知识的深入理解普遍有待提升。另外，还有部分班级的物理化学实验课，几乎与物理化学理论课程、有机化学理论课程、分析化学理论课程等同期开课，会有未经学习相应理论知识而先进行实验实践的尴尬，造成学生对将要开展的物理化学实验不知其所以然。鉴于此，学生在物理化学实验前的预习环节常常差强人意，表现出“看过了”即为“预习过了”的无奈。在实验过程中，常有“照虎画猫”的现象，极大地降低了课堂教学的效果，背离高素质人才培养的初衷。另外，物理化学作为化学学科的理论支撑，它所提供的研究方法和实验手段，是化学研究通行的基本策略，对化学相关的研究都有重要的参考意义。而作为教学课程，化学相关的各学科课程又是相对独立的，学生在学习过程中，鲜有将物理化学实验方法与解决众多相关学科问题相关联起来，这在化学学科相关人才的培养上应引起足够的重视。

1.2教学方法相对单一，缺乏相关知识应用的纵横联系物理化学实验传统的教学方式包括：学生预习；教师讲解；学生动手实验采集实验数据；提交实验报告[3]。这种教学模式能够确保在规定时间内完成教学任务，但学生学习效果却有较大提升空间，很难满足新时代高素质大学生培养的根本需求。在教师课堂讲授部分中，教师往往依照指定教材所列顺序：实验原理-实验内容-仪器使用规范-实验注意问题-数据处理，进行逐一讲授，与学生互动少，属传统课堂“灌输式”教学，学生被动学习，主观能动性无法得到彰显。特别是实验原理部分，有很多的公式推导和表达式的变形，蕴含着大量的学科信息，这使得，一方面，学生听课的过程中无法与实验内容实时联系在一起，从而产生无所适从的感觉，另一方面，教师也很难面面俱到的把这些信息进行升华总结，不利于科学知识的纵横联结，使得物理化学实验课程的教学效果大打折扣。

2引导式实验教学方法初探

为了弥补前述问题的缺陷，本人结合多年教学实践，以我校物理化学实验中《电动势法测pH和Ksp》[5]的教学为例，浅谈下引导式教学方法的应用。《电动势法测pH和Ksp》是经典的物理化学实验教学内容之一，涵盖了物理化学课程电化学章节中可逆电池、电动势的测量、电极电势、能斯特方程、电解质活度，以及化学平衡章节中平衡常数等重要内容。本实验时长共4学时，其中指导教师的引导1学时，学生动手实验记录数据3学时。本文着眼于前1个学时，分为三个部分，整体设计如图1所示。其中教师讲解约20分钟，教师引导下学生交流讨论总结约占25分钟。

2.1直接抛出拟解决的问题，分析问题本质，用时5分钟本次实验需要测量待测溶液的氢离子浓度指数pH值(式1)和难溶盐AgCl的溶度积Ksp(式2)。式中ax表示化学物质x的活度，即“有效浓度”，根据溶液相关理论，活度可以浓度与活度系数γ的乘积表示，如式(3)所示。活度系数γ表征的是化学物质对其理想行为的偏离程度，对于理想溶液或稀溶液的溶质，γ=1。某溶质活度系数的大小受诸多因素影响，如温度、溶剂性质、浓度等。活度系数的数值可由实验测定或查阅标准数据手册获得。由此，实验测量待测液pH值及难溶盐溶度积Ksp，实际上对相关物质浓度的研究。

2.2引导式扩展教学内容，用时25分钟引导学生思考、交流讨论已学过、用过或见过的研究物质浓度的实验方法。此部分是物理化学实验课程教学中学生主体地位的重要体现，是引导式教学中较发散，需要指导教师灵活掌控的环节。指导教师应充分鼓励和保护学生参与教学交流的意愿。学生交流讨论内容的全面性和准确性是次要目标。根据学生交流讨论内容，指导教师引导学生进行归纳总结，必要时加以补充。浓度的研究方法通常可分为化学法和物理法两类。化学法是直接测量体系中物质浓度的实验方法，如酸碱滴定、络合滴定、氧化还原滴定、电导滴定、电位滴定等。该方法常需要通过骤冷，稀释等手段处理后，使混合体系各组份相对含量保持不变，然后测定相应组份浓度；物理分析法是通过与浓度有关的物理量，如《二元液态混合物的气-液平衡相图》实验中用到的折射率，《蔗糖转化速率常数的测定》实验中用到的旋光度，《乙酸乙酯皂化反应速率常数的测定中》用到的电导率，《大孔树脂吸附动力学》实验中用到的吸光度，以及本实验用到的原电池电动势等物理量的测量，间接得到相应物质浓度的信息。该方法不干扰被测量体系，可连续在线检测，利于实验数据的大批量自动采集，但局限性在于需要明确所测物理量与被研究体系物质浓度之间的具体的函数关系。本实验采用测量电池电动势的方法，引导学生复习波根多夫(Poggendorff)对消法测原电池电动势的基本原理，并进一步引导学生讨论、总结电池电动势E的重要应用[5]，如可用于：(1)测量电化学反应摩尔吉布斯自由能变，摩尔熵变，摩尔焓变，电化学反应热效应；(2)判断化学反应进行的方向；(3)求化学反应的标准平衡常数，所有可以设计成可逆电池的化学反应的平衡常数均可由此法求得；(4)求难溶盐溶度积；(5)测定溶液pH值；(6)测定电解质平均活度系数等。这部分内容涵盖了物理化学理论课程中电化学章节教学的大部分重点内容，通过本次实验教学，可有效帮助同学们梳理相应理论知识，在体现促进提高理论教学效果的同时，增强同学们对物理化学实验手段强大功能的认知。

2.3回归实验教学内容，用时15分钟在同学们讨论结果的基础之上，进一步夯实电池电动势法在测量pH值和Ksp中的具体应用细节，如几种常见的氢离子可逆电极：玻璃电极、标准氢电极和醌氢醌电极，盐桥的使用及其注意事项，可逆电池的组装等。此部分着重讲解学生在实验过程中易出错的环节，宜简化公式的推导与演算，避免大篇幅理论讲解，尽可能呼应同学们讨论中谈到的相关理论问题。

3总结

本文针对传统物理化学实验课程中若干环节的突出问题，以《电动势法测pH和Ksp》实验为例，探索了问题引导式实验教学的新思路。本实验教学法中，一方面，充分彰显了学生的主体地位，学生参与感、主动性和积极性得到显著提升，有效规避“填鸭式”教学的弊端。在指导教师的引导下，同学们之间的充分交流、讨论并归纳总结，从而对实验内容有更加深刻的认识，提升了实验教学效果。另一方面，本实验教学法中，使得实验教学“目的-方法-原理-实施”主线更加清晰，以点带面，由单个实验教学内容，引申众多相关知识，启发学生在今后学习过程中不断总结归纳各知识之间的内在关联，融会贯通，为高素质化学相关人才的培养打下坚实基础。

参考文献

[1]夏海涛．物理化学实验(第二版)[M]．南京：南京大学出版社，2014．

[2]秦鹂，毛晓明，李慧，等．基于能力培养的物理化学综合设计型实验教学改革策略[J]．广东化工，2020，47(15)：215-216．

[3]何田，胡自强，边界，等．浅谈物理化学实验课程的教学改革[J]．广东化工，2019，46(15)：206．

[4]徐开俊，胡芳，阮秀琴，等．物理化学实验与指导(第二版)[M]．北京：中国医药科技出版社，2015．

[5]李三鸣，刘艳，绍伟，等．物理化学(第八版)[M]．北京：人民卫生出版社，2016．

作者：雷运涛 靳丽丽 单位：中国药科大学