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摘要：為適應(yīng)時(shí)展，切實(shí)發(fā)揮實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)提高大學(xué)生培養(yǎng)質(zhì)量的重要作用，本課程嘗試將科學(xué)研究領(lǐng)域的技術(shù)和方法引入物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，為學(xué)生動(dòng)手能力、科學(xué)素養(yǎng)和可持續(xù)發(fā)展能力的培養(yǎng)提供支撐平臺(tái)。

關(guān)鍵詞：物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)；教學(xué)內(nèi)容；新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

化學(xué)是一門實(shí)驗(yàn)性學(xué)科，實(shí)驗(yàn)教學(xué)在化學(xué)類專業(yè)人才培養(yǎng)過(guò)程中有著不可替代的作用，是培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力、科學(xué)素養(yǎng)和可持續(xù)發(fā)展能力的重要依托[1]。一直以來(lái)，復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系有著重視化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)良傳統(tǒng)。20世紀(jì)90年代，復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系對(duì)大學(xué)本科的化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程體系進(jìn)行了深入改革，逐步形成以創(chuàng)新能力培養(yǎng)為核心、以技術(shù)要素為主線的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系及相應(yīng)的管理機(jī)制[2]。隨著時(shí)代和學(xué)科的快速發(fā)展，部分化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容不能適應(yīng)現(xiàn)代化學(xué)研究的技術(shù)需求。近年來(lái)，我們針對(duì)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的“實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備相對(duì)落后”“實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容滯后于科學(xué)研究發(fā)展的步伐”“理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)脫節(jié)”等問(wèn)題，通過(guò)與國(guó)內(nèi)外實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的比較，對(duì)本系物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了梳理和更新探索，以期滿足高等教育法中“培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的高級(jí)專門人才”和新一輪“高等學(xué)?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革”對(duì)學(xué)生培養(yǎng)的要求[3–7]，并逐步實(shí)現(xiàn)“國(guó)際領(lǐng)先、國(guó)內(nèi)一流”的課程建設(shè)目標(biāo)。本課程內(nèi)容設(shè)置充分依托本系學(xué)科優(yōu)勢(shì)，突出“銜接前沿、兼顧基礎(chǔ)”，在滿足經(jīng)典傳承的基礎(chǔ)上，加大綜合性、研究探索性實(shí)驗(yàn)的比例，注重培養(yǎng)學(xué)生信息獲取和加工能力、實(shí)驗(yàn)整體安排和有序操作能力、數(shù)據(jù)處理和綜合分析能力以及團(tuán)隊(duì)協(xié)作等能力[8]。希望通過(guò)本課程教學(xué)的實(shí)施，讓學(xué)生了解和掌握一定的前沿科學(xué)研究技術(shù)和方法，加深對(duì)實(shí)驗(yàn)原理的理解以及對(duì)實(shí)際科研工作的指導(dǎo)，促進(jìn)學(xué)生探索能力、科研創(chuàng)新能力的發(fā)展，提高學(xué)生的綜合能力，做好本科學(xué)習(xí)和研究生培養(yǎng)的銜接。上述理念早在2014年的教學(xué)論文里已有闡述[9]，那時(shí)大部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容還處于設(shè)想階段，經(jīng)過(guò)幾年的努力和實(shí)踐，我們逐步將設(shè)想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。下面結(jié)合具體實(shí)驗(yàn)案例，談?wù)勎覀冊(cè)趯?shí)驗(yàn)教學(xué)改革中遇到的問(wèn)題和解決的思路，希望能給國(guó)內(nèi)同行提供一定的借鑒。

1經(jīng)典與現(xiàn)代的融合

差熱分析實(shí)驗(yàn)是經(jīng)典物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，大多高校都開(kāi)設(shè)了同類的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系最初是通過(guò)自制實(shí)驗(yàn)裝置，對(duì)五水硫酸銅加熱分解進(jìn)行跟蹤，記錄電位-時(shí)間曲線，再通過(guò)溫度-電位工作曲線，將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為溫差-時(shí)間曲線，讓學(xué)生觀察并理解五水硫酸銅加熱分解過(guò)程中的吸放熱變化。隨著時(shí)展及儀器元件老化，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可控性和再現(xiàn)性都不理想，為此我們引入熱重-差熱分析(TG-DTA)一體化熱分析儀，儀器采集數(shù)據(jù)速度大大提升，原先6學(xué)時(shí)的教學(xué)內(nèi)容，現(xiàn)在3學(xué)時(shí)就可完成。為提高教學(xué)效率，克服實(shí)驗(yàn)內(nèi)容相對(duì)單薄的問(wèn)題，我們將升溫速率對(duì)五水硫酸銅熱分解的影響引入教學(xué)，考查不同升溫速率對(duì)樣品熱分解峰峰頂溫度及失重?cái)?shù)據(jù)的影響，經(jīng)數(shù)據(jù)處理，學(xué)生可以獲得每步熱分解過(guò)程中的活化能，并直觀地理解反應(yīng)活化能對(duì)反應(yīng)難易程度的影響，進(jìn)一步拓展了教學(xué)內(nèi)容的深度和廣度。

2教學(xué)理念、教學(xué)方法的改革

復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系每年有學(xué)生參加不同國(guó)家、地區(qū)的學(xué)習(xí)交流。在學(xué)習(xí)過(guò)程中，學(xué)生經(jīng)常選修物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程。比如對(duì)比臺(tái)灣清華大學(xué)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，我們發(fā)現(xiàn)兩校在教材和實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)施上有較大差別。對(duì)于儀器操作水平要求較高的實(shí)驗(yàn)，臺(tái)灣清華大學(xué)要求學(xué)生先要做好課前預(yù)習(xí)、提出自己的實(shí)驗(yàn)方案并與授課教師討論確認(rèn)后再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中更注重發(fā)揮學(xué)生的自主性和主觀能動(dòng)性。受到該經(jīng)驗(yàn)的啟發(fā)，我們將“鈰鎳復(fù)合氧化物的制備及其基本性質(zhì)的表征”實(shí)驗(yàn)分為樣品制備、粉末衍射圖譜掃描、氮?dú)馕摳綔y(cè)試、數(shù)據(jù)處理講解4個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)K。按照常規(guī)的實(shí)驗(yàn)習(xí)慣，先進(jìn)行樣品制備再進(jìn)行相應(yīng)性質(zhì)測(cè)試，在一個(gè)教學(xué)單元內(nèi)若完成4個(gè)模塊內(nèi)容，時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。為了避免這一缺憾，我們將實(shí)驗(yàn)順序進(jìn)行了調(diào)整，每次在實(shí)驗(yàn)課堂上，學(xué)生先對(duì)上一組學(xué)生制備好的樣品進(jìn)行預(yù)處理，等待樣品預(yù)處理的過(guò)程中，完成樣品X射線衍射(XRD)圖譜的掃描；圖譜掃描結(jié)束后，再將預(yù)處理好的樣品轉(zhuǎn)移到氮?dú)馕摳絻x上進(jìn)行氮?dú)馕摳叫阅軠y(cè)試；氮?dú)馕摳綔y(cè)試的過(guò)程中，學(xué)生開(kāi)始樣品制備以備下一組學(xué)生使用；當(dāng)樣品制備初步完成(后續(xù)的樣品干燥、焙燒由實(shí)驗(yàn)室工作人員協(xié)助完成)后，再對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)處理進(jìn)行詳細(xì)講解，這樣學(xué)生更容易理解數(shù)據(jù)處理的原則和目的。采用這種提供現(xiàn)成樣品給學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的安排，大大節(jié)省了學(xué)生操作的時(shí)間，提高了實(shí)驗(yàn)效率，而且實(shí)驗(yàn)?zāi)K間的銜接以及實(shí)驗(yàn)進(jìn)程完全依靠學(xué)生的自主安排和規(guī)劃，這對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容預(yù)習(xí)、思考提出了更高要求，只有非常熟悉內(nèi)容、清楚每個(gè)模塊實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)才能高效地完成全部實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。對(duì)學(xué)生科學(xué)管理和統(tǒng)籌安排實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ呐囵B(yǎng)很有幫助。由于課時(shí)限制，每個(gè)學(xué)生只能完成一個(gè)樣品的制備及性質(zhì)表征。而通過(guò)單個(gè)樣品的性質(zhì)數(shù)據(jù)分析，學(xué)生很難理解樣品制備條件對(duì)性質(zhì)的影響，所以我們要求每位學(xué)生采用不同的實(shí)驗(yàn)條件并進(jìn)行數(shù)據(jù)共享，通過(guò)數(shù)據(jù)分析，理解制備條件對(duì)樣品比表面積、晶化程度等性質(zhì)的影響。這樣的安排，一方面可以促進(jìn)學(xué)生間的團(tuán)結(jié)協(xié)作，關(guān)心同組成員實(shí)驗(yàn)操作的規(guī)范性和數(shù)據(jù)處理的合理性；另一方面還可以引導(dǎo)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行更深入的分析和討論，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)數(shù)據(jù)的分析、思考和挖掘能力，使學(xué)生能更好地理解樣品性質(zhì)表征的意義。在這個(gè)過(guò)程中，教師一直堅(jiān)持引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)如何對(duì)氮?dú)馕矫摳綌?shù)據(jù)進(jìn)行正確處理，才能獲得樣品的孔徑分布、孔的形狀等微觀結(jié)構(gòu)性質(zhì)；引導(dǎo)學(xué)生掌握如何分析XRD圖譜，除獲取樣品結(jié)晶程度外，還可通過(guò)精細(xì)分析估算出樣品的粒徑以及晶胞參數(shù)等等。此外，在實(shí)驗(yàn)課程開(kāi)設(shè)過(guò)程中，低年級(jí)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)前經(jīng)常會(huì)向高年級(jí)的學(xué)生請(qǐng)教，探討實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)、難點(diǎn)以及注意事項(xiàng)，會(huì)探討實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法和技巧。探討過(guò)后，學(xué)生會(huì)主動(dòng)查閱文獻(xiàn)，從科研文獻(xiàn)中學(xué)習(xí)對(duì)數(shù)據(jù)分析討論的方式方法，而學(xué)生的實(shí)驗(yàn)報(bào)告也會(huì)啟發(fā)授課教師更好地把握今后實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的講解，無(wú)形中做到教學(xué)相長(zhǎng)。課堂教學(xué)效果尤其是實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果的提升，不僅局限在課堂上，課前準(zhǔn)備或預(yù)習(xí)以及課后的思考或討論對(duì)課堂效果的提升同樣重要。在這種理念的引導(dǎo)下，我們進(jìn)行了為期4年的實(shí)驗(yàn)改革探索，發(fā)現(xiàn)學(xué)生實(shí)驗(yàn)報(bào)告的數(shù)據(jù)分析與討論內(nèi)容越來(lái)越豐富，理解越來(lái)越深刻。

3新原理、新實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的開(kāi)發(fā)

受實(shí)驗(yàn)條件限制等各種因素的影響，新原理、新實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的開(kāi)發(fā)更具挑戰(zhàn)，既要兼顧原有課程內(nèi)容的整體布局，又要兼顧實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與本科教學(xué)特點(diǎn)的相容性?；谝陨蟽牲c(diǎn)，我們引入了“納米金催化苯甲醇的選擇性氧化”實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：1)相比于復(fù)雜的有機(jī)合成，苯甲醇選擇性氧化作為簡(jiǎn)單的有機(jī)反應(yīng)，容易被學(xué)生接受；2)反應(yīng)本身是一個(gè)典型的連續(xù)反應(yīng)，產(chǎn)物選擇性的控制與理論課堂教學(xué)相互印證、銜接；3)采用氣相色譜定量分析方法跟蹤該反應(yīng)進(jìn)程，也是采用新的分析手段改革原有物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的一個(gè)成功嘗試。而且該實(shí)驗(yàn)的引入將有助于學(xué)生對(duì)催化原理的理解、催化特點(diǎn)的把握以及催化效果評(píng)判的理解。在實(shí)驗(yàn)開(kāi)展過(guò)程中，會(huì)遇到一些操作細(xì)節(jié)問(wèn)題。比如：1)液固分離裝置的改進(jìn)。可以采用濾膜與一次性1mL進(jìn)樣針組成的微過(guò)濾系統(tǒng)，既能做到固液相有效分離，又能盡可能降低每次取樣量對(duì)動(dòng)力學(xué)反應(yīng)的影響；2)反應(yīng)條件的控制。對(duì)于苯甲醇選擇性氧化反應(yīng)的探索有大量文獻(xiàn)研究報(bào)道，氧氣做氧化劑是最佳選擇。但氣、液、固三相反應(yīng)體系的控制對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備和操作的要求相對(duì)較高，而用叔丁基過(guò)氧化氫替代氧氣，可以使實(shí)驗(yàn)操作大大簡(jiǎn)化；3)動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)分析。學(xué)生對(duì)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)分析并不陌生，但對(duì)反應(yīng)級(jí)數(shù)的判斷在實(shí)踐環(huán)節(jié)上還有些欠缺。問(wèn)題解決過(guò)程是實(shí)驗(yàn)方案不斷完善和提升的過(guò)程。而在本實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理時(shí)，學(xué)生容易關(guān)注數(shù)據(jù)的數(shù)字分析，發(fā)現(xiàn)反應(yīng)級(jí)數(shù)越高，數(shù)據(jù)擬合的線性越好，實(shí)驗(yàn)報(bào)告中經(jīng)?？吹綄?duì)苯甲醇的反應(yīng)級(jí)數(shù)是4或者5的結(jié)論，這顯然與實(shí)際化學(xué)反應(yīng)體系不符，而實(shí)驗(yàn)報(bào)告結(jié)果的反饋會(huì)促進(jìn)學(xué)生對(duì)化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的分析及研究方法有更深刻的理解。在同樣的理念下，我們還引入了“TiO2與Ag3PO4光催化降解RhB染料的活性研究”光催化實(shí)驗(yàn)與“H2在Cu表面勢(shì)能面的構(gòu)建”量子化學(xué)計(jì)算實(shí)驗(yàn)。

4結(jié)語(yǔ)

在過(guò)去幾年，為適應(yīng)新世紀(jì)形勢(shì)的要求，我們?cè)诨瘜W(xué)系物理化學(xué)教學(xué)團(tuán)隊(duì)和國(guó)家條件建設(shè)項(xiàng)目的支持下與教育部本科教學(xué)工作審核評(píng)估等的推動(dòng)下，以建立有利于培養(yǎng)創(chuàng)新人才的化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程體系和教學(xué)模式為目標(biāo)，一方面不斷引入新原理、新技術(shù)、新方法和新應(yīng)用，更新實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，將最新科研成果中共性的和基礎(chǔ)的內(nèi)容通過(guò)精選和改造轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，避免實(shí)驗(yàn)內(nèi)容過(guò)專過(guò)窄；另一方面將經(jīng)典實(shí)驗(yàn)的研究型改造納入創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè)項(xiàng)目，不斷發(fā)掘和提升經(jīng)典實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果，努力把物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)課改造成為培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力和科學(xué)素質(zhì)的重要場(chǎng)所，取得了一系列較為成功的經(jīng)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)

[1]張樹(shù)永,張劍榮,陳六平.大學(xué)化學(xué),2016,31(9),1.

[2]徐息良,吳性良,姚子鵬,陸靖.大學(xué)化學(xué),2001,16(6),21.

[3]張樹(shù)永,侯文華,刁國(guó)旺.大學(xué)化學(xué),2017,32(2),9.

[4]張樹(shù)永.中國(guó)大學(xué)教學(xué),2015,No.3,31.

[5]張樹(shù)永,張劍榮,陳六平.大學(xué)化學(xué),2009,24(4),24.

[6]張樹(shù)永,侯文華,刁國(guó)旺.大學(xué)化學(xué),2017,32(9),1.

[7]淳遠(yuǎn),高衛(wèi),楊金月.大學(xué)化學(xué),2017,32(7),33.

[8]崔學(xué)桂,張樹(shù)永,李建平,王乃興,高峰.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2003,2(2),120.

[9]劉永梅,張晉芬,戴維林,孫立森,辜敏,范康年.中國(guó)大學(xué)教學(xué),2014,No.10,88.

作者:劉永梅 張晉芬 孫立森 戴維林 李曄飛 單位:復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系