物理化学理论课与实验课的融合教学模式探索_贾娜尔·吐尔逊.pdf
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1、 22 Univ.Chem.2023,38(1),2228 收稿:2022-02-08;录用:2022-03-21;网络发表:2022-04-01*通讯作者,Email: 基金资助:新疆维吾尔自治区高校科研计划自然科学项目(XJEDU2021Y017)教学研究与改革 doi:10.3866/PKU.DXHX202202010 物理化学理论课与实验课的融合教学模式探索物理化学理论课与实验课的融合教学模式探索 贾娜尔吐尔逊*,王晶晶,杜光明 新疆农业大学化学化工学院,乌鲁木齐 830052 摘要:摘要:开展物理化学理论课与实验课相融合的教学。理论课教学过程中找准切入点融入实验原理,加深学生对知识的
2、理解,调动学生的学习兴趣和求知欲,课堂气氛活跃,学生融入课堂并互动。实验课上引导学生学习实验设计思路与方法,提出严格的数据记录与处理要求,学生实验报告的逻辑性增强,可独立对实验结果进行讨论,能够正确分析实验误差可能的原因,对实验方案、方法和仪器可提出改进的意见和建议。通过理论课与实验课融合的教学模式可培养学生的逻辑思维能力和实践能力。该教学模式的实施需要学校和系部强有力的政策保障。关键词:关键词:物理化学;理论课;实验课;融合教学模式 中图分类号:中图分类号:G64;O6 Synergistic Teaching Methodology for Theoretical and Experime
3、ntal Courses in Physical Chemistry Jianaer Tuerxun*,Jingjing Wang,Guangming Du School of Chemistry and Chemical Engineering,Xinjiang Agriculture University,Urumqi 830052,China.Abstract:A new teaching methodology was explored to synergistically combine theoretical and experimental courses in physical
4、 chemistry.Experimental principles were introduced in the theoretical course by selecting a suitable point of introduction.Students understanding of the subject was enhanced,and so was their interest in learning and acquiring more knowledge.The class atmosphere was active;the students were better in
5、tegrated into the classroom environment and interacted better with each other.Teachers should guide students on learning the thought process and methods of designing experiments,and stipulate specific requirements on data recording and processing during experimental courses.The experimental reports
6、of the students were more logical than before.They were able to correctly analyze experimental errors,and could propose suggestions on the experimental approach,experimental method,and instrumentation.Thus,this methodology can foster logical thinking capabilities and nurture the practical abilities
7、of students.The implementation of this teaching methodology requires strong enforcement by the school and the department.Key Words:Physical chemistry;Theoretical course;Experimental course;Synergistic teaching mode 物理化学是化学的理论基础,概括地说是用物理的原理和方法来研究化学中最基本的规律和理论,它所研究的是普遍适用于各个化学分支的理论问题。因此具有理论性强、抽象概念多、公式多、
8、数学推导过程复杂等特点。初学者会对此出现一定的畏惧,如果教学方法不当,会影响学生的学习热情和学习信心。为了调动学生的学习兴趣和学习积极性,改善教学效果,很多教师探索了不同的教学方法,例如,问题驱动教学法1、案例教学与翻转学习结合的教学法2、任务驱动教学法3、No.1 doi:10.3866/PKU.DXHX2202010 23Sandwich教学法4、问题探究式教学法5、课程论文教学法6等。北京航空航天大学在高分子化学7和物理化学8课程中,江西师范大学在分析化学9和仪器分析10课程中,分别探索了理论课与实验课融合的教学模式。笔者在近几年的教学过程中,同时承担物理化学和物理化学实验课程的教学工作
9、,探索物理化学理论课与实验课融合的教学模式。教学实践证明,该教学模式与传统的教学模式对比,更有助于活跃课堂气氛,让学生深度融入课堂,有助于培养他们的科学思维能力和实践能力。以下详细介绍该教学模式的设计原则、实施过程以及教学效果。1 物理化学和物理化学实验教学过程中存在的问题物理化学和物理化学实验教学过程中存在的问题 受很多客观因素的影响,很难做到物理化学和物理化学实验课程内容的同步,理论课教师和实验课教师不是同一个,理论课教师重点讲解实验仪器、操作和数据处理,只简单提及相关理论知识点。以上原因导致理论课和实验课脱节,实验课对理论课的学习没有起到促进的作用。学生在实验课上,只是机械地完成实验步骤
10、,缺少对相关理论知识和实验设计的深入思考,也很难培养好学生的科学思维能力和实践能力。2 理论课与实验课融合教学模式理论课与实验课融合教学模式 2.1 实验原理融入到理论课教学过程实验原理融入到理论课教学过程 将实验内容融入到理论教学过程中,原则是不去大篇幅地讲实验课内容,而是找准切入点,提出“问题”,让学生在答题的过程中掌握实验原理。下面以“燃烧焓的测定”实验为例,讲述该方法的实施过程。与“燃烧焓的测定”实验有关的理论知识点贯穿于“热力学第一定律”一章的“恒容热、恒压热及焓”“摩尔热容”“化学反应焓”和“标准摩尔反应焓的计算”等节11,详见表1。表表1 “燃烧焓的测定实验”与理论教学相融合“燃
11、烧焓的测定实验”与理论教学相融合 章节 切入实验原理的知识点 问题 教学目标 恒容热、恒压热及焓 UQ=V(式1)HQ=p(式2)【问题1】如何测定蔗糖的燃烧焓?掌握公式的含义和应用,领会公式是人们科学地解决问题的工具,培养学生科学思维能力 摩尔热容 TnCUQ=mV,V(式3)氧弹式量热计测恒容热的公式:TKQmQ=-燃丝V,V(式4)系统、环境、途径【问题2】获得恒容热需要测定哪些物理量?【问题3】仪器的热当量(比热容)K与CV,m的联系与区别【问题4】蔗糖在氧弹式量热计中燃烧时,哪些是系统,哪些是环境?此系统属于哪类系统?【问题5】如何测定(环境的)热当量?【问题6】系统和环境通过哪些途
12、径进行热交换?这些热交换对温度差的测量有哪些影响?【问题7】如何消除系统与环境的热交换对温度差测量的影响?掌握公式(3),以及氧弹式量热计设计的原理、构造,雷诺矫正图法的原理、CV,m的物理意义。培养学生自学能力 化学反应焓 燃烧焓的定义:1 mol物质在等温、等压下与氧进行完全氧化反应的焓。定义式:mp,mcQH=(式5)(式6)【问题8】实验中如何保证样品完全燃烧?【问题9】式6中,蔗糖燃烧反应的?B(g)=v,温度T如何测得?理解“定义式”和“公式”的区别,领会建立“定义式”和“公式”的最终目的均是为了解决实际问题。这有助于培养学生的科学思维能力 标 准 摩 尔 反应焓的计算-=)B(m
13、cBmrHHv(式7)【问题10】燃烧焓测定的意义是什么?【问题11】查阅更多燃烧焓测定的方法 培养学生解决问题的能力和自学能力 RTQQB(g)mV,mp,=-v24 大 学 化 学 Vol.38公式1和2是“恒容热、恒压热及焓”一节的重点,它们将状态函数的变化值U和H分别与可测量的热效应QV和Qp联系起来,为热力学的研究带来极大的方便。这里第一次引入实验,通过【问题1】让学生领会公式1和2的作用和意义。恒容热的计算公式3是“摩尔热容”一节的重点,介绍氧弹式量热计测定恒容热的装置,给出实验原理中计算燃烧焓的公式4。通过比较式3和式4,学生可以更好地理解CV,m的物理意义和公式3的含义及用途。
14、通过对【问题57】的思考,学生不仅可以复习贯穿整个热力学的“系统”“环境”“途径”的概念,并通过量热计的工作原理,加深对这些概念的理解。布置【问题7】,让学生提前学习该实验的数据处理方法“雷诺矫正图法”的原理(图1)。图图1 雷诺图解法温差矫正图雷诺图解法温差矫正图 因受时间限制,“雷诺矫正图法”在实验课上只简单讲授,很多学生无法完全掌握,导致在实验过程中较容易犯如下错误。1)点燃样品前,未将环境的温度(I点的纵坐标)调节到燃烧前的温度(H点的纵坐标)和燃烧后的温度(D点的纵坐标)之间,导致无法用此方法对温度差进行矫正。2)FH段和DG段的数据太少而无法外延;3)FH段和DG段外延的方法不正确
15、。因此,“雷诺矫正图法”的原理必须在实验课前掌握。公式5和6为“化学反应焓”一节的重点。讲授燃烧焓的定义,通过【问题89】,让学生掌握“燃烧焓”的概念,以及定义中“恒压”和“完全氧化”的含义,掌握燃烧反应方程式的写法。式7为以标准摩尔燃烧焓计算标准摩尔反应焓的公式,是“标准摩尔反应焓的计算”一节的重点。通过“燃烧焓的测定”实验可以测定物质的燃烧焓,将测定值代入式7即可求出指定反应的摩尔反应焓,以便解决更多实际问题。通过该教学模式,学生将更好地理解基础热数据测定的上述重要意义。为拓展学生视野,布置【问题9】,学生通过课下查阅资料回答此问题。上述实验原理融入到理论课教学过程的授课模式可切实促进学生
16、对理论课知识点的理解和实验原理的掌握。2.2 引导学生学习实验设计思路与方法引导学生学习实验设计思路与方法 物理化学实验项目内容相对复杂,对实验数据处理的要求较高,其教学目标以培养学生的实验设计能力和动手能力为主。若在做实验前实验原理掌握不好,则学生在实验过程中,无法从实验设计的高度学习实验。只有在课前对实验原理、数据处理方法及原理“胸有成竹”,实验过程中学生才能真正“关注”实验设计。实验原理中所运用的公式一般都不是理论课上学习的公式原型。如表2所示,“蔗糖水解反应速率常数的测定”和“分光光度法测定弱电解质电离常数”实验中所用公式分别为式9和式11,分别由理论课中的式8和式10演变而来。这些实
17、验根据物理学原理(物质旋光度与浓度的定量关系,物质吸光度与含量的定量关系)和数学推导,将式8和式10分别改写为式9和式11,使实验变得简单易行。用此教学模式可让学生体会到,理论课上学习的公式根据具体实验可灵活运用。No.1 doi:10.3866/PKU.DXHX2202010 25表表2 部分实验的实验设计方法部分实验的实验设计方法 实验题目 实验原理 需要测定的物理量/实际测定物理量 测定方法 蔗糖水解反应速率常数的测定 ktCC-=A0Alnln(式8)0lg()lg()2.303tkt=-(式9)任意时刻蔗糖的含量(CA)/任意时刻体系的旋光度(t)和反应完全时体系的旋光度()将 所
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