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1提高學生對物理化學理論課程知識的理解和掌握
物理化學實驗過程中可以很好地將理論課程上所學習到的定律、公式應用到解決實際問題上．以蔗糖水解反應的速率常數為例，第一組同學按照傳統教學過程，首先學習一級反應動力學方程ln［A］0［A］=kt，討論一級反應動力學的特點以及半衰期等．學會利用動力學方程求算時間、物質濃度、速率常數、半衰期等數據，然后按照給定的實驗步驟進行蔗糖水解反應速率常數的測定實驗．第二組同學參照實驗設計教學過程，首先提出目標，需要測定蔗糖水解反應的反應速率常數k，然后學習一級反應動力學方程的推導過程，介紹一級反應動力學的特點．學生討論如何設計實驗測蔗糖水解反應的反應速率常數k:蔗糖在酸的催化下的水解反應可看作準一級反應，利用一級反應動力學的公式ln［A］0［A］=kt，從公式ln［A］=－kt+ln［A］0中可以看出以ln［A］對t作圖得到一條直線，斜率為－k，因此需要測量不同t時刻［A］的濃度，然后以ln［A］對t作圖得到一條直線，通過斜率即可求得反應速率常數．此時教師可提出測量某一時刻物質的濃度一般有兩種方法:化學法與物理法，其中物理法更方便操作．
所謂物理方法就是利用某些物理性質與物質濃度的依賴關系，使用物理儀器快速準確測定出某一時刻的物理性質，再轉換成物質濃度與時間的關系．根據蔗糖水解反應中反應物和產物都是有旋光性的，可以選擇旋光度這個物理性質作為濃度和時間之間關系式的橋梁．利用旋光度與濃度的關系將反應動力學方程中濃度和時間的關系轉換成旋光度和時間的關系，因此只需要測定不同時刻體系的旋光度值就可以求算出反應速率常數k．學生選擇需要的實驗儀器和實驗材料，設計具體的實驗步驟，教師對整個流程進行評價和改進，最后在具體的實驗過程中驗證結果．實驗結束后討論問題:為什么要進行零點校正，可用什么物質進行零點校正，蔗糖的初始濃度對實驗測定有沒有影響等等．在學完二級反應動力學以后，教師還可提出延伸問題:如何利用電導率測定乙酸乙酯皂化反應(二級反應)的速率常數?第二組同學大致可以提出相應的實驗過程，而第一組同學則大都不知道該如何處理．兩組學生比較，第二組學生對公式的利用、實驗過程的處理等都較第一組學生要好．通過整個實驗設計流程，學生可牢牢記住相應的動力學方程公式，同時會對具體的實驗操作過程進行積極探索，對以后理論知識的學習也有很好的促進作用．
2激發學生自我學習和自我思考的興趣
很多時候，學生不知道物理化學中的理論和定律有什么具體用途，因此學習起來沒有興趣，只是被動地背誦公式定律．物理化學實驗設計過程的教學環節能夠激發學生的主觀能動性，提高學生自我學習和思考的能力．以燃燒熱的實驗測定為例，兩組學生首先學習理論課程中燃燒熱的定義，理解恒壓熱效應與恒容熱效應的區別．利用氧彈式量熱器分別測定待測樣品和基準物質在量熱器中完全燃燒引起的溫度升高值，再利用基準物質已知的燃燒熱來計算待測物質的燃燒熱．現在的實驗裝置大都采用自動化和計算機處理，第一組學生除了簡單掌握量熱器和壓片機的使用方法外，對物性燃燒熱方面的信息知之甚少，學生也沒有太大興趣去深入討論和研究．第二組學生采用實驗設計過程的教學方法，首先指導教師介紹燃燒熱在實際生活中的各種應用，例如燃燒焓的測定廣泛應用于各種熱化學計算中，測定有機物的燃燒焓，可計算相應的生成焓數據，從而可以了解其穩定性、反應性、生成機理、分子結構、能量規律等特點，對于掌握該化合物特定組成等有重要意義．氧彈量熱法也廣泛應用于污泥、廢物、煤發熱量的測定等等方面，對于泥煤的深度開發和綜合利用有廣泛意義．通過這些知識的講解，讓學生首先對即將學習的實驗有一個背景認識，知道將來在哪些方面可以有廣泛的用途，從而激發學生的主動學習興趣．然后再介紹氧彈技術的原理和燃燒熱測定實驗的基本過程，這時學生對實驗課程的理解和掌握就會有明顯提高．采用這種教學過程的第二組學生與第一組學生相比，首先在聽課過程中注意力就有明顯提高，思維也能隨著教學內容靈活轉換，在實驗過程中也能夠自己分析和處理一些常見問題，這些都是學習興趣被激發出來的結果．因此，實驗設計教學過程可以激發學生的學習興趣．
3提高學生的科研創新和分析解決具體問題的能力
創新是科研工作的靈魂，教學過程中應加強培養和提高學生的科研創新能力．對于物理化學的各個研究方向來說，物理化學的實驗設計過程在不同程度上會對學生的創新精神和分析解決實際問題的能力具有積極的作用．以凝固點降低法測物質相對分子質量實驗為例，兩組同學首先同時學習稀溶液的依數性:加入少量溶質引起溶劑性質的改變，例如蒸氣壓下降、凝固點降低、沸點升高以及滲透壓的改變．這些性質的改變值只與溶質的數量有關，而與溶劑的性質無關．利用一相為純物質時兩相平衡溫度與組成的關系可以推導出相應的定量關系式．其中，凝固點降低這個依數性質是一種常用的測量相對分子質量的實驗方法．第一組同學學習凝固點降低公式，知道凝固點降低的改變值與溶質的質量摩爾濃度成正比，能夠通過題意利用公式求解出相應的數值．第二組同學在學習完凝固點降低公式后，引導學生利用此公式進行溶質相對分子質量測定的實驗設計．
首先從公式推導中可以看出，公式中有我們需要最后求的MB，凝固點降低常數Kf可以查得．所需要的就是純溶劑的凝固點和加入少量溶質后溶液的凝固點Tf的值．所以整個實驗設計的關鍵就在于如何測定液體的凝固點．所謂凝固點是指一定壓力下，隨著溫度的降低，液體中逐漸出現凝固現象，固液兩相平衡時的溫度．引導學生自己選擇實驗器材設計實驗:要想測得凝固點，就需要將待測液體放到一定的冷卻介質中，例如冰水混合物，還需要精密溫度計隨時監測液體中溫度的變化．此時教師給出提示:凝固點的準確測定并不容易，包括固液平衡的判斷以及凝固熱的放出對測量的影響等等，因此采用步冷曲線法測定相應的凝固點更為常用．學生討論具體的實驗步驟，教師進行指導修正，完成實驗設計過程．兩組同學同時開展凝固點降低法測定溶質相對分子質量的實驗，通過實驗過程中的比較可以看出，第一組同學大都只能按照書上的步驟進行機械操作，在操作過程中不知道何種因素會對實驗產生影響，更不明白怎樣對實驗進行改進．而經過實驗設計過程的第二組同學大都對實驗細節比較注意，例如為什么需要冷凍管和空氣套管，冷凍管要豎直放置，不要靠在空氣套管上，還有冰浴槽的溫度、磁子的攪拌速度對實驗測定的影響等等．在實驗結束后，第二組同學在實驗數據的分析處理上也較第一組好，能夠利用步冷曲線法合適地得到相對準確的凝固點數值．第一組同學在思考題的解答上也與第二組同學有明顯差距，大都不明白一些針對實驗過程的問題如何進行分析解答:例如溶質的量是否加入的越多越好，冰浴槽的溫度過高或過低對實驗數據有什么影響，高溫高濕季節做此實驗是否會影響準確度等等．
4結語
物理化學實驗設計過程對物理化學的學習是能夠起到積極作用的，主要體現在以下一些方面:1)學生對理論知識更能深刻記憶，且能夠熟練應用相應公式;2)學生對物理化學的研究方法和實驗的具體操作過程更加理解和熟練;3)能夠分析設計實驗過程，對實驗過程中出現的問題能夠發現和合理解決．這些方面都會激發學生的學習興趣，培養學生實踐創新能力，為以后的科研工作奠定良好的基礎．物理化學實驗的設計過程對學生的學習能力具有很好的培養促進作用，既可以促進理論課程知識的深刻掌握，又可以培養學生的實踐創新能力，同時實現理論課與實驗課的完整對接．當然，如何能使更多的知識點聯系到具體的實驗設計過程中，如何能更好地引導學生創新思維，如何選擇合適的內容進行理論與實驗設計結合等等內容，都是值得進一步探討的問題．
作者：趙偉 單位：南陽師范學院化學與制藥工程學院
