科研式物理化学实验教学探索

田东亮

（北京航空航天大学化学学院，北京100191）

0 引 言

新世纪以来，面对世界各国的经济、科技、教育快速发展的新形势，为了应对来自各方的压力和挑战，具有创新精神、创业能力的高素质人才尤为重要，这就迫切需要建立创新人才培养机制、健全创新教育课程体系。化学作为一门实用性、中心性和研究性很强的专业学科，与社会经济发展、科技创新息息相关。其中，物理化学实验是化学、材料、环境等相关专业的重要基础课程，需要综合运用物理和数学的原理、技术及运算解决化学中的问题。物理化学实验通常设置在大三年级，是建立在学生学习完无机化学、分析化学、有机化学及相应实验课程基础上，即将进行毕业设计及走向工作岗位或继续深造的重要过渡阶段，设置的一门集实践性和综合研究性很强的课程，是学生获得化学知识和技能并将其应用到实践中去的重要桥梁，是培养

学生创新思维方法和能力的重要环节，在化学与化工、生命科学与制药、材料与环境等相关专业创新人才培养中占有非常重要的地位。因此，如何充分发挥物理化学实验教学在人才培养中的关键桥梁作用，对于培养高水平的研究型人才具有重要的意义［1-3］。但是，传统的物理化学实验教学不适应学生创新能力的培养，不能充分发挥学生在实验过程中的主动性、积极性。因此，难以培养学生的综合创新研究能力［4-6］。为此，以“加强基础、突出实践、重在应用、面向创新”为人才培养理念，以培养一流创新创业研究型复合人才为目标，结合学校航空航天特色、特殊界面材料等优势学科研究特色研究成果，探索并实践了研究型物理化学实验教学的改革。主要包括体现空天特色和科研成果的层层递进、阶梯式实验教学内容和专业特色课程建设，科学研究型实验教学（问题引导式实验教学过程和科研论文形式总结实验），充分发挥了物理化学实验教学在过渡阶段能力培养的优势，提高了学生创新和分析解决问题的能力。

1 体现空天和科研的专业课程建设

教育教学不是灌满一桶水，而是要激发学生心里的一团火，充分发挥学生的积极主动性和能动性在创新创业人才培养中具有重要的意义［7-8］。物理化学实验是化学、化工、材料等专业学生由化学基础知识学习向实际科研过程及应用过渡的重要阶段，是创新型、复合型、应用型人培养才的重要核心部分。重视学生在实验中观察、发现、分析和解决问题的能力，改变传统实验教学“照方抓药，一成不变”的实验教学模式，构建符合时代发展且具有专业特色的物理化学实验教学内容，培养创新创业能力，是新形势下物理化学实验教学的改革方向和重点［9-13］。

1.1 阶梯式实验教学设计，增强学生创新能力

针对物理化学实验教学与创新能力培养脱节，学生创新意识不强的问题，以重视基础，加强应用，突出航空航天材料及我院特殊界面材料专业研究特色为目标，对我校化学和应用化学专业独立开设的16 个物理化学实验内容进行了规划调整（见表1），根据实验中增加的未知性和挑战性程度，实验内容设置分为4 个部分，即优化经典实验（经典）4 个，经典实验增加设计部分的实验（经典+设计）6 个，设计实验（设计）4 个，拓展综合实验（综合）2 个。基于此，建立了层层递进、阶梯式上升的物理化学实验教学模式，提高了学生参与主动性和科研创新能力。

（1）优化经典实验。经典实验项目主要用于帮助理解和掌握物理化学知识，设有热力学、动力学、电化学、胶体与界面化学部分的4 个实验。结合航空航天及我院特殊界面材料等优势学科研究特色，将物理化学基本理论知识与之有机结合，并紧密联系实际生产、生活，对原有的经典实验内容进行了优化调整，加深和巩固学生对基本理论知识的理解和掌握。比如在黏度法测定高聚物的摩尔质量实验中将内容调整为纳米材料制备实验中调节物质具体黏度的方法和测试，增加不同条件配制溶液的对比，提高了学生的积极参与和主动性。

表1 物理化学实验内容调整情况

（2）经典与设计相结合实验。在优化经典物理化学实验的基础上，通过在实验中设立一些不确定的因素和参数，例如，改变温度、浓度、酸度等，或者上课增加对比实验，临时通知不同分组学生处理其他组同学的实验数据，改变以往实验按部就班，实验内容和结果一成不变的模式，在老师的主导下，充分地激发学生在学习和实验中的积极性和主观能动性，让学生动起来，在调研文献、操作设计和处理实验数据的过程中提升学生的探索思维意识。例如，在经典燃烧热的实验中，增加了航空液体燃料燃烧热测量思考与设计，在完成设计实验的过程中就会查阅相关文献，了解测试的方法，不仅实现了航空特色的实验内容测试与设计思考，并且建立了处理问题的各种方法具有共性的理念，也为创新思维能力培养和解决问题提供了新的途径，实现了触类旁通的效果。在分配系数和平衡常数的测定实验中，针对科研中磁响应固液复合界面液体输运中的磁性颗粒稳定性问题，在实验中设置了设计部分，让学生通过现有的实验原理完成该实验的思考与设计，不仅将经典理论与基础科研相结合，而且达到了学以致用的效果。

（3）增加设计性实验。立足物理化学基本理论，针对同一部分的不同知识点，选取一部分实验为设计实验，从实验原理，实验仪器、药品的准备及实验步骤和数据处理都由学生和组内成员独立完成。如热力学部分已经进行过的饱和蒸气压测定的经典实验，对分解反应平衡常数的测定实验改为了设计性实验；相平衡部分，经典实验进行了双液系沸点-组成的绘制，把两组分金属体系的相图的绘制改为了设计实验，给定两种金属固体材料，要求查阅资料设计具体方案；再如电导法测定临界胶束浓度和单分子横截面积的测定实验，可以要求采用所学知识设计不同的方法进行设计实验。这部分实验内容的学习，培养学生以科研状态进行学习，鼓励独立设计实验研究方案，独立思考提出问题和分析问题并最终提出新方案，充分激发学生主观能动性和积极性，提升学生的创新思维意识，培养学生创新能力。

（4）设立综合性实验。以加深物理化学基本理论的掌握和应用为目标，结合国际基础前沿科研成果，选取部分实验培养和加强学生的研究型综合创新能力。针对学院在纳米材料和特殊浸润界面材料中的研究成果，新增开设了综合实验，如研究自然界特殊浸润表面的浸润性，并仿生制备一些超浸润表面，研究其表面的特殊浸润现象，揭示结构、组成与特殊浸润性能之间的关系，基于此制备一个氧化锌／氧化钛（或其他材料）微纳米结构薄膜，研究其表面在空气中水滴和水中油滴的浸润性、黏附性在修饰低表面能材料前后的行为，通过测试接触角、滚动角和黏附力等，加深对一些有关特殊界面现象理论知识的理解和了解科学研究过程。再通过前面制备的纳米氧化锌／氧化钛材料，研究其催化性能。这样就可以将物理化学中的热力学、动力学、电化学和界面化学的知识综合应用，用于分析和解决实际问题，实现从基础知识学习向综合创新创业应用能力培养过渡的关键。

（5）科研实践。在综合实验的基础上，将教学与科学研究项目实际训练进一步相结合，通过具体项目驱动与物理化学实验知识实践相结合，促进学生的创新创业能力的培养和塑造。鼓励学生走进科研实验室，围绕仿生轻质高强复合材料、仿生智能界面科学、仿生能源材料与器件3 个方向，参与到学院教师的科研课题中，进行物理化学实验知识在实际科研应用中的拓展训练，塑造大学生创新创业能力。

综上所述，这种层层递进、阶梯式上升的物理化学实验教学内容改革，真正体现了物理化学实验课程对科研及实际应用的指导作用，激发了学生对物理化学实验的学习兴趣，培养和提高了学生理论联系实际和学用结合的能力和科研创新能力。

1.2 专业特色课程建设

在专业特色课程建设方面，结合航空航天、特殊界面材料等优势学科研究特色，将物理化学理论知识紧密联系实际生产、生活，修订和编写了实验讲义／教材。实验内容的调整主要从优化实验条件，简化实验步骤，提高实验的设计性、综合性程度，充分发挥物理化学实验教学在学生创新能力培养中的重要作用。例如，热力学实验中增加了航空燃料的燃烧热测定思考与设计，特殊界面材料中航空航天防雾、防覆冰的设计与思考，特殊界面材料中液体传输稳定性的设计与思考等。通过专业特色课程建设，激发了学生的学习兴趣和求知欲望，而且树立了牢固的专业思想和专业自豪感，为创新人才培养奠定了基础。实现了实践-理论认识-实践的理论联系实际能力培养目标，充分发挥和体现了物理化学实验教学在创新型、复合型、应用型人才培养中的重要作用。反映我校航空航天特色和我院特殊界面材料等优势学科研究特色的物理化学实验教学实践，已经成功地投入实验教学中，教学效果良好。

针对学生实验课程中设计内容比例提高导致实验时间紧张的问题，建立了物理化学实验虚拟仿真实验预习系统，学生可以针对性地随时随地进行网络操作预习和复习，提高预习的针对性，这样也可以在课堂上提高设计讨论时间和提高实验教学质量。

2 科学研究型物理化学实验教学实践

针对物理化学实验教学中，学生学习主动性差，创新能力培养不足的问题，开展了以科学研究形式的物理化学实验教学。教学过程中充分利用好物理化学实验教学课前、课堂和课后3 个环节。重视学生观察、分析和解决问题的思维和创新能力的培养。

2.1 问题引导式实验教学过程

鼓励和引导学生以科研态度进行实验。课前，首先要做好文献调研，深入了解实验背景、应用方向和前景。从当时所处的科学和环境条件入手，充分认知方法的优缺点。在此基础上，结合目前条件和理论知识结构设计实验方案，优化和改进实验步骤，预测实验中可能存在的问题。从背景调研、方案设计及过程预测的过程中，提高了学生主动性和预习效果，培养了学生独立提出、分析和寻求解决问题办法的意识和创新能力。

在此基础上，学生以科研状态进入物理化学实验课堂，教学过程中，引导和启发学生深入思考和讨论，逐渐培养学生科学严谨的实验态度，树立科学意识。同时，引导学生观察发现和注意实验中的不确定性及进行剖析，在保证实验安全的前提下，鼓励学生大胆尝试创新，充分激发学生的主观能动性，实现学生创新能力的培养。例如，在燃烧热的测定和凝固点的测定中，大部分教材中都要求压片，在实验中学生提出并尝试不压片的效果，通过比较，学生了解了压片设置的原因和不压片需要的注意事项，从一个问题上进行了彻底的理解和掌握。在测定临界胶束浓度的设计实验中，很多教材采用了电导率法，有的同学在预习和设计过程中结合接触角及粘附力测试实验，以及表面张力测试实验，提出能否采用这类方法进行研究，通过讨论分析确定了研究方案，并最终通过实验完成了自己的设计方案。通过实验设计与尝试，学生对实验内容及理论有了更高层次的认识和理解，而且也会在更大程度上激发了他们的创新意识。

2.2 科研论文形式总结实验

课后总结实验是物理化学实验教学过程中一个非常重要的环节，在实际科研工作及进一步学习深造中，实验分析、总结是必不可少的，往往反映了一个学生对实验基本知识的理解和技能掌握程度。传统的教学中往往采用固定模式进行报告总结，优点是形式固定，便于总结，也便于比较实验结果和批阅。但是，学生往往直接照抄实验书，数据处理形式僵化，结果和结论单一不变，这种报告也往往不能引起学生的足够重视，常常被学生称“实验报告不就是抄抄算算吗”“实验报告太水了，学不到什么有用的知识”等。

撰写科研论文式实验总结报告，可以从整体上把握知识的获得方法及其应用前景。这样的报告形式可以进一步检查学生对实验结果的理解分析和总结能力，是实现科研式物理化学实验教学的一个重要环节。在实验总结报告的撰写上，要求报告格式与基本科研论文的格式一致，如表2 所示。从题目上培养学生高度概括总结的能力；摘要中反映学生对整体实验的背景、存在问题、解决方法及结果的理解和把握；关键词反映总结报告的核心表达；前言介绍反映了学生对背景的调研、存在问题的理解；实验部分反映学生对整个实验设计的总结概括；数据处理，结果和讨论是最核心的一部分，一方面，锻炼学生对数据处理的能力，另一方面培养他们对现有数据的挖掘、分析和探讨的能力，树立良好的科学意识和创新思维能力，再一方面，还能培养他们良好的语言组织和表达能力。结论部分反映学生对本实验中的方法、直接结论、间接结论和推论的总结表达能力，就是通过具体的实验研究，可以得到什么结论，解决什么问题，从中有什么启发，有什么应用前景；体会和建议部分主要反映学生对实验过程中的问题理解和感受，从独立实验过程中存在的问题可以给出更好的建议和改进方案。通过报告的总结书写让学生进一步明确发现问题、分析问题、解决问题的过程，有利于培养学生的创新思维和能力，也可以使得师生共同进步，教学相长。

表2 科研论文式实验总结报告格式及要求

该教学模式已成功应用于物理化学实验教学中，学生普遍接受科研式教学模式，对撰写科研论文式实验报告的方法给予了充分肯定，体会和建议以及问卷调查结果表明，学生认为通过科研式物理化学实验教学不仅加深了对理论知识的理解，也锻炼了自己发现、分析和解决问题的能力，培养和锻炼了从事科研的能力和综合创新能力。

3 结 语

结合我校航空航天特色及优势学科的前沿科研成果，设计了层次递进、阶梯式实验内容，并进行了专业特色课程建设；同时，通过科学研究型教学模式改革，特别是其中的科研论文式实验报告等知识传授与创新意识及技能培养模式，建立了适合我校创新性研究型人才培养的物理化学实验教学实践模式。经过几年的教学探索和实践，学生都能很好地适应科研总结模式，能很好地表达和给出建设性意见和建议，并最终获得了良好的教学效果，不仅培养和提高了学生的综合创新思维和能力，也增强了其社会责任感，有利于航空航天特色综合型人才的培养。