物理化学实验课堂讲解探讨_任成军.pdf
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1、基础实验课堂讲解的深度和广度及形式将直接影响教学效果。以物理化学实验为例,作者用“比拟”的教学方式讲解基本概念和原理便于学生理解,加强学生对实验方法通用性的认识以便在科研中灵活应用,拓展讲解与实验相关的知识使学生获得的知识更系统,通过拓宽实验条件的探究讨论让学生了解一些实验研究方法,着力引导学生对实验进行深入思考。作者与同行一起探讨实验课堂讲解这个永恒的主题。关键词:物理化学实验;课堂讲解;基本概念;实验原理;实验方法通用性;知识延展性;探究性讨论;实验思考中图分类号:G642 文献标志码:A文章编号:1001-9677(2023)02-0322-04 第一作者:任成军,女,副教授,主要从事物
2、理化学实验教学和多相催化研究。通讯作者:游劲松,男,教授博导,主要从事有机合成化学教学和科研。Explanation and Discussion on Physical Chemistry ExperimentsREN Cheng-jun,WANG Jian-li,MENG Xiang-guang,ZHENG Cheng-bin,YANG Cheng,YOU Jing-song(College of Chemistry,Sichuan University,Sichuan Chengdu 610064,China)Abstract:The depth,breadth and form of
3、the basic experimental classroom explanation will directly affect theteaching effect.Taking Physical Chemistry Experiment as an example,the“comparative”teaching method was used toexplain some basic concepts and principles to facilitate students understanding,students understanding of the versatility
4、of experimental methods was strengthened so that the methods can be flexibly applied in scientific research,and theknowledge related to experiments was expanded,so as to acquire more systematic knowledge for students,and theexploratory discussion of experimental conditions was expanded,in order to h
5、elp students understand some experimentalresearch methods,and focus on guiding students to think deeply about the experiment.This eternal theme of experimentalclassroom explanation was tried to explore by the authors with their peers.Key words:Physical Chemistry Experiment;classroom explanation;basi
6、c concept;experimental principle;universality of experimental methods;knowledge malleability;inquiry-baseddiscussion;experimental thinking许多高校化学专业的物理化学实验课在大二下期开设,而理论课则在大二下期和大三上期开设。受实验仪器套数限制,物理化学实验采取滚动式循环开展。部分实验是在学生未学习理论的情况下完成。由于实验课时限制,实验开始前任课教师对基本概念和实验原理的讲解通常轻描淡写,不够透切,大多专注于实验操作讲解。上述两方面因素造成学生对基本概念和实验
7、原理一知半解1。甚至部分学生反映实验原理没弄懂盲目做实验,实验课停留在完成操作这个层面上。因此,在有限的课时内如何进行课堂讲解显得尤其重要。在新的教学手段2推动高校教学发展同时,课堂讲解仍有待挖掘和探讨。中国农业大学杜凤沛教授在 2021 年高等学校物理化学教学研讨会中提出了“理科文讲”的教学理念。作者在物理化学实验教学中对涉及的基本概念和实验原理进行了梳理,课堂讲解力求深入浅出、形象生动。物理化学实验应用了较多的实验方法,这些经典方法具有通用性。如果任课教师不强调,学生往往容易忽视。作者在教学过程中引导学生重视实验方法,举例说明这些实验方法在其他化学实验中的应用,帮助学生理解、掌握和应用,逐
8、步培养学生的科研能力。传统的基础实验为验证性实验。为培养学生的研究能力,将验证性实验加以改进,演变为研究性实验3。也可以引导学生做一些探究性讨论,比如拓宽实验条件后实验结果将会怎样改变等,以启发学生的科研思维。学生每完成一个实验虽然有所收获,但是有的学生不善于归纳总结和深入思考,对实验的认识停留在表面1。作者在教学过程中引导学生反思和总结,对每个实验梳理出较为详细的学习要点,培养学生的科研思考力和钻研精神。作者在课堂讲解中采用引导的方式循循善诱启发学生思考,结合教学内容尝试了比拟的教学方式帮助学生理解基本概念。下面举出在实验课堂讲解的一些实例,与同行一起探讨基础化学实验的讲解方法。1 基本概念
9、和原理1.1 深入浅出、循序渐进1.1.1 简明易懂第 51 卷第 2 期任成军,等:物理化学实验课堂讲解探讨323 每个物理化学实验都涉及相应的基本概念和实验原理。如果学生不理解,实验就变成机械操作。让学生理解基本概念和原理是实验教学不可或缺的一个重要环节。以“燃烧焓测定”4实验为例讲解要点如下。(1)阐述样品完全燃烧需要过量氧的必要性及充氧量的确定;(2)分析实测的等容热效应需转化为等压热效应的原因;(3)对样品燃烧后放热过程和吸热过程进行逐项分析,根据能量守恒建立传热方程;(4)阐明雷诺温度校正的必要性及如何校正;(5)分析燃烧实验结束冲洗“氧弹盖”的原因。1.1.2 创新讲解形式大一学
10、生的工科化学实验开设了“燃烧焓测定”。学生是进校不到两个月的新生,除了详细讲解基本概念和原理外,还运用图形、案例和辅以虚拟仿真等手段。通过详细的讲解大多数学生有一种豁然开朗的感觉,实验做得明明白白、兴致盎然。大二学生的物理化学实验也开设了“燃烧焓测定”。实验前任课教师将制作的 ppt 通过 QQ 群传给学生,课件包含实验装置实物图片、实验操作过程视频等资料,还通过 QQ 提出一些问题让学生思考,这样学生做实验前预习充分。上课时鼓励学生自愿讲解,由一位学生主讲,几位学生协助补充,最后老师点评。这种方式增强了师生互动和生生互动,调动了学生自主学习积极性和主动性。1.2 授课艺术1.2.1 讲解形象
11、生动(以“比表面测定”4实验为例)比表面是指单位质量多孔性物质的表面积。举例多孔性物质生活中常见的有海绵、面包、棉质品、柚子皮等,化学实验中常见的有棉线、滤纸、活性炭、分子筛、氧化铝、雷尼镍等。还举例说明多孔性物质在化学实验及其它领域中的应用:棉线用作酒精灯灯芯(酒精通过棉线的毛细孔进入灯芯顶端燃烧,酒精逐渐消耗而棉线完好无损),活性炭用作除臭剂和脱色剂,分子筛用作干燥剂,滤纸用于悬浮液的固液分离,氧化铝用作催化剂载体,雷尼镍为有机化合物的氢化催化剂,以及多孔隔热材料和多孔吸音材料等。通过举例学生对多孔性物质有了一个较为具象的认知。比表面的测定原理与室内铺地砖类似。地砖逐块铺在室内地面上,房间
12、的面积是每块地砖的面积乘以地砖个数。实验中多孔物质比表面测定是通过控制进入体系的甲醇量使甲醇分子逐个物理吸附在活性炭表面,当甲醇分子单层吸附达到饱和时,根据吸附甲醇的量计算活性炭的表面积(每个甲醇分子的截面积已知)。这样比表面测定原理就出来了。为了让学生对多孔性物质有进一步的了解,课堂讲解补充了多孔性物质孔体积的测定。通过增加甲醇的进料量,使甲醇分子多层物理吸附到活性炭孔中,直到所有孔都被吸附并填满甲醇分子。根据多层物理吸附达到饱和时甲醇分子的总体积算出活性炭的孔体积。类似于水桶盛水,计量水桶盛满时用了多少体积的水,水桶体积便知道了。1.2.2 教学方式在讲解多孔性物质性质及应用时采用比拟的教
13、学方式,学生易于理解。通过列举一些相关的应用实例,学生感受到实验课学到的知识蕴藏在其它化学实验和日常生活中,科学无处不在。2 实验方法通用性物理化学实验中每一个实验都会涉及一种实验方法。如果任课教师不强调实验方法,多数学生只会留下模糊的记忆。由于物理化学的实验方法通用性较强,在科研中得到了广泛的应用。因此,任课教师课堂拓展讲解实验方法的应用是必要的。下面列举一些实例说明。2.1 光度法光度法可用于“络合物组成和稳定常数的测定”4,也可用于“丙酮碘化求反应级数和速率常数”4。虽然实验课只完成一个实验,但是课堂同时讲解两个实验,加深学生对光度法的认识。还补充了光度法在葡萄酒中花青素含量检测5和研究
14、酚酞-NaOH 体系可逆反应动力学中的应用6。2.2 流动法流动法通常用氮气做载气将物质的饱和蒸汽载入一个特定体系。物化实验中活性炭的比表面测定和“多相催化-甲醇分解”4都应用了流动法。课堂讲解时将两个实验进行对比,与学生一起分析共同之处在于采用流动法通过氮气将甲醇蒸汽载入核心装置;不同之处在于比表面测定是甲醇分子单层物理吸附在活性炭表面至吸附饱和,甲醇分解是甲醇分子化学吸附在ZnO 活性中心后进行分解。流动法在多相催化研究中得到了广泛的应用,如地表臭氧降解7、汽车尾气净化8等。2.3 粘度法“粘度法测高聚物的平均分子量”实验,测定的高聚物为聚丙烯酰胺4。补充了符合粘度法适用范围的高聚物平均分
15、子量都可以用该法测量,如聚乙烯醇9、聚苯硫醚10等。通过强调实验方法的通用性,让学生从学习实验方法过渡到灵活应用该方法。3 拓展讲解3.1 知识延展性教材通常对实验涉及的基本概念阐述有限,为了让学生较全面地理解实验需要适当补充相关基础知识,拓宽知识面。“流动吸附法测多孔性物质的比表面积”,教材仅涉及多孔性物质的比表面积4。课堂讲解时提问:应用于化学实验和生活中的多孔性物质有哪些?多孔性物质中的孔起什么作用?如何描述及测定多孔性物质的织构性质?11。此外,向学生推荐观看 CCTV10 科教频道,透视新科技栏目(新创新 新突破系列节目)中复旦大学赵东元院士讲解“带孔的新材料”,让学生了解国内多孔性
16、材料领域的新成果及应用。拓展讲解使学生对多孔性物质从基本概念、原理到前沿科研紧密地联系起来了。“差热分析”教材仅轻描淡写提及差热分析可以用来鉴定物质4。课堂讲解时补充了其他一些表征方法,比如粉末 X 射线衍射、拉曼光谱、红外光谱、形貌观察等11。将需要鉴定的物质分别用上述方法表征后结果均符合某物质特征时,鉴定结果可靠性更高。学生对物质鉴定有一个较全面的了解。“偶极矩的测定”教材只提到偶极矩可以用来判断物质的极性4。课堂讲解时补充了物质的极性也可用其他物理量来判断,如相对介电常数、溶解度(相似相溶性)、色谱的保留时间等。通过补充描述物质极性的物理量拓宽学生的视野。“原电池电动势和溶液 pH 值的
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