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摘要：為適應時展，切實發揮實驗教學對提高大學生培養質量的重要作用，本課程嘗試將科學研究領域的技術和方法引入物理化學實驗教學中，為學生動手能力、科學素養和可持續發展能力的培養提供支撐平臺。

關鍵詞：物理化學實驗；教學內容；新實驗設計

化學是一門實驗性學科，實驗教學在化學類專業人才培養過程中有著不可替代的作用，是培養學生動手能力、科學素養和可持續發展能力的重要依托[1]。一直以來，復旦大學化學系有著重視化學實驗教學的優良傳統。20世紀90年代，復旦大學化學系對大學本科的化學實驗課程體系進行了深入改革，逐步形成以創新能力培養為核心、以技術要素為主線的實驗教學體系及相應的管理機制[2]。隨著時代和學科的快速發展，部分化學實驗教學內容不能適應現代化學研究的技術需求。近年來，我們針對物理化學實驗教學中的“實驗儀器設備相對落后”“實驗教學內容滯后于科學研究發展的步伐”“理論教學與實驗教學脫節”等問題，通過與國內外實驗教學內容的比較，對本系物理化學實驗教學內容進行了梳理和更新探索，以期滿足高等教育法中“培養具有創新精神和實踐能力的高級專門人才”和新一輪“高等學校化學實驗室建設和實驗教學改革”對學生培養的要求[3–7]，并逐步實現“國際領先、國內一流”的課程建設目標。本課程內容設置充分依托本系學科優勢，突出“銜接前沿、兼顧基礎”，在滿足經典傳承的基礎上，加大綜合性、研究探索性實驗的比例，注重培養學生信息獲取和加工能力、實驗整體安排和有序操作能力、數據處理和綜合分析能力以及團隊協作等能力[8]。希望通過本課程教學的實施，讓學生了解和掌握一定的前沿科學研究技術和方法，加深對實驗原理的理解以及對實際科研工作的指導，促進學生探索能力、科研創新能力的發展，提高學生的綜合能力，做好本科學習和研究生培養的銜接。上述理念早在2014年的教學論文里已有闡述[9]，那時大部分實驗內容還處于設想階段，經過幾年的努力和實踐，我們逐步將設想變為現實。下面結合具體實驗案例，談談我們在實驗教學改革中遇到的問題和解決的思路，希望能給國內同行提供一定的借鑒。

1經典與現代的融合

差熱分析實驗是經典物理化學實驗內容，大多高校都開設了同類的實驗內容。復旦大學化學系最初是通過自制實驗裝置，對五水硫酸銅加熱分解進行跟蹤，記錄電位-時間曲線，再通過溫度-電位工作曲線，將原始數據轉化為溫差-時間曲線，讓學生觀察并理解五水硫酸銅加熱分解過程中的吸放熱變化。隨著時展及儀器元件老化，導致實驗數據的可控性和再現性都不理想，為此我們引入熱重-差熱分析(TG-DTA)一體化熱分析儀，儀器采集數據速度大大提升，原先6學時的教學內容，現在3學時就可完成。為提高教學效率，克服實驗內容相對單薄的問題，我們將升溫速率對五水硫酸銅熱分解的影響引入教學，考查不同升溫速率對樣品熱分解峰峰頂溫度及失重數據的影響，經數據處理，學生可以獲得每步熱分解過程中的活化能，并直觀地理解反應活化能對反應難易程度的影響，進一步拓展了教學內容的深度和廣度。

2教學理念、教學方法的改革

復旦大學化學系每年有學生參加不同國家、地區的學習交流。在學習過程中，學生經常選修物理化學實驗課程。比如對比臺灣清華大學物理化學實驗內容，我們發現兩校在教材和實驗教學實施上有較大差別。對于儀器操作水平要求較高的實驗，臺灣清華大學要求學生先要做好課前預習、提出自己的實驗方案并與授課教師討論確認后再進行實驗，在實驗教學中更注重發揮學生的自主性和主觀能動性。受到該經驗的啟發，我們將“鈰鎳復合氧化物的制備及其基本性質的表征”實驗分為樣品制備、粉末衍射圖譜掃描、氮氣吸脫附測試、數據處理講解4個實驗模塊。按照常規的實驗習慣，先進行樣品制備再進行相應性質測試，在一個教學單元內若完成4個模塊內容，時間遠遠不夠。為了避免這一缺憾，我們將實驗順序進行了調整，每次在實驗課堂上，學生先對上一組學生制備好的樣品進行預處理，等待樣品預處理的過程中，完成樣品X射線衍射(XRD)圖譜的掃描；圖譜掃描結束后，再將預處理好的樣品轉移到氮氣吸脫附儀上進行氮氣吸脫附性能測試；氮氣吸脫附測試的過程中，學生開始樣品制備以備下一組學生使用；當樣品制備初步完成(后續的樣品干燥、焙燒由實驗室工作人員協助完成)后，再對測試數據處理進行詳細講解，這樣學生更容易理解數據處理的原則和目的。采用這種提供現成樣品給學生進行實驗的安排，大大節省了學生操作的時間，提高了實驗效率，而且實驗模塊間的銜接以及實驗進程完全依靠學生的自主安排和規劃，這對實驗內容預習、思考提出了更高要求，只有非常熟悉內容、清楚每個模塊實驗的目標才能高效地完成全部實驗內容。對學生科學管理和統籌安排實驗能力的培養很有幫助。由于課時限制，每個學生只能完成一個樣品的制備及性質表征。而通過單個樣品的性質數據分析，學生很難理解樣品制備條件對性質的影響，所以我們要求每位學生采用不同的實驗條件并進行數據共享，通過數據分析，理解制備條件對樣品比表面積、晶化程度等性質的影響。這樣的安排，一方面可以促進學生間的團結協作，關心同組成員實驗操作的規范性和數據處理的合理性；另一方面還可以引導學生對實驗數據進行更深入的分析和討論，培養學生對數據的分析、思考和挖掘能力，使學生能更好地理解樣品性質表征的意義。在這個過程中，教師一直堅持引導學生學習如何對氮氣吸附脫附數據進行正確處理，才能獲得樣品的孔徑分布、孔的形狀等微觀結構性質；引導學生掌握如何分析XRD圖譜，除獲取樣品結晶程度外，還可通過精細分析估算出樣品的粒徑以及晶胞參數等等。此外，在實驗課程開設過程中，低年級學生在實驗前經常會向高年級的學生請教，探討實驗的重點、難點以及注意事項，會探討實驗數據處理方法和技巧。探討過后，學生會主動查閱文獻，從科研文獻中學習對數據分析討論的方式方法，而學生的實驗報告也會啟發授課教師更好地把握今后實驗內容的講解，無形中做到教學相長。課堂教學效果尤其是實驗教學效果的提升，不僅局限在課堂上，課前準備或預習以及課后的思考或討論對課堂效果的提升同樣重要。在這種理念的引導下，我們進行了為期4年的實驗改革探索，發現學生實驗報告的數據分析與討論內容越來越豐富，理解越來越深刻。

3新原理、新實驗內容的開發

受實驗條件限制等各種因素的影響，新原理、新實驗內容的開發更具挑戰，既要兼顧原有課程內容的整體布局，又要兼顧實驗內容與本科教學特點的相容性。基于以上兩點，我們引入了“納米金催化苯甲醇的選擇性氧化”實驗。該實驗具有以下幾個特點：1)相比于復雜的有機合成，苯甲醇選擇性氧化作為簡單的有機反應，容易被學生接受；2)反應本身是一個典型的連續反應，產物選擇性的控制與理論課堂教學相互印證、銜接；3)采用氣相色譜定量分析方法跟蹤該反應進程，也是采用新的分析手段改革原有物理化學實驗教學內容的一個成功嘗試。而且該實驗的引入將有助于學生對催化原理的理解、催化特點的把握以及催化效果評判的理解。在實驗開展過程中，會遇到一些操作細節問題。比如：1)液固分離裝置的改進。可以采用濾膜與一次性1mL進樣針組成的微過濾系統，既能做到固液相有效分離，又能盡可能降低每次取樣量對動力學反應的影響；2)反應條件的控制。對于苯甲醇選擇性氧化反應的探索有大量文獻研究報道，氧氣做氧化劑是最佳選擇。但氣、液、固三相反應體系的控制對實驗設備和操作的要求相對較高，而用叔丁基過氧化氫替代氧氣，可以使實驗操作大大簡化；3)動力學數據分析。學生對反應動力學數據分析并不陌生，但對反應級數的判斷在實踐環節上還有些欠缺。問題解決過程是實驗方案不斷完善和提升的過程。而在本實驗的數據處理時，學生容易關注數據的數字分析，發現反應級數越高，數據擬合的線性越好，實驗報告中經?？吹綄Ρ郊状嫉姆磻墧凳?或者5的結論，這顯然與實際化學反應體系不符，而實驗報告結果的反饋會促進學生對化學反應動力學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”光催化實驗與“H2在Cu表面勢能面的構建”量子化學計算實驗。

4結語

在過去幾年，為適應新世紀形勢的要求，我們在化學系物理化學教學團隊和國家條件建設項目的支持下與教育部本科教學工作審核評估等的推動下，以建立有利于培養創新人才的化學實驗課程體系和教學模式為目標，一方面不斷引入新原理、新技術、新方法和新應用，更新實驗內容，將最新科研成果中共性的和基礎的內容通過精選和改造轉化為實驗項目，避免實驗內容過專過窄；另一方面將經典實驗的研究型改造納入創新型實驗教學建設項目，不斷發掘和提升經典實驗的教學效果，努力把物理化學實驗課改造成為培養學生動手能力和科學素質的重要場所，取得了一系列較為成功的經驗。

參考文獻

[1]張樹永,張劍榮,陳六平.大學化學,2016,31(9),1.

[2]徐息良,吳性良,姚子鵬,陸靖.大學化學,2001,16(6),21.

[3]張樹永,侯文華,刁國旺.大學化學,2017,32(2),9.

[4]張樹永.中國大學教學,2015,No.3,31.

[5]張樹永,張劍榮,陳六平.大學化學,2009,24(4),24.

[6]張樹永,侯文華,刁國旺.大學化學,2017,32(9),1.

[7]淳遠,高衛,楊金月.大學化學,2017,32(7),33.

[8]崔學桂,張樹永,李建平,王乃興,高峰.實驗技術與管理,2003,2(2),120.

[9]劉永梅,張晉芬,戴維林,孫立森,辜敏,范康年.中國大學教學,2014,No.10,88.

作者:劉永梅 張晉芬 孫立森 戴維林 李曄飛 單位:復旦大學化學系