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国外著名高校物理化学实验开设情况调研分析

2024-05-21 64 上传者：管理员

摘要：对美国哈佛大学、斯坦福大学、杜克大学、加利福尼亚大学伯克利分校和日本东京大学等国外知名高校物理化学实验课程开设的实验项目进行了调研。通过对教学模式和课程内容的分析、比较和总结，了解到在课程中引入学科前沿、计算化学以及现代通讯方法等新内容和新技术，有利于学生正确认识当代化学学科的发展，可有效提高课程质量和学生学习兴趣。

关键词：
国外著名高校
实验教学调研
实验课程
物理化学实验
科研思维
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物理化学实验是化学专业学生在大学本科阶段的必修实验课程，其目的在于让学生掌握物理化学实验的基本方法和技术，加深对物理化学理论课所学知识的理解，训练学生的实验数据分析处理能力以及培养科研思维[1,2,3]。目前，国内的物理化学实验在知识结构和技能系统上已经形成了完善的体系，实验内容涵盖热力学、动力学、电化学、多组分体系、表面化学、胶体化学、结构化学等。通过实验学生可以进一步阐明和检验已建立的理论原理，学习如何设计实验，将复杂问题简单化、模型化，用可测量的物理量求算不可直接测量的物理量，从而培养解决实际问题的能力，并依据所提供的经验来培养创新能力[4,5,6,7,8]。

在本科教学方面，由于各高校文化、教学理念和建设特色等的不同，往往会带来在课程开展模式和内容上的一些区别，如有的高校注重基础知识的学习，对基础理论的广度和深度有较高要求，有的高校偏重应用能力的培养，在教学中与实际应用联系紧密，有的高校则是结合办学特色，依托科研教学优势进行课程设计[9,10,11]。为了紧跟全球化的学科发展，笔者对具有代表性的国外知名高校的物理化学实验课程的开设情况进行了调研。

1、国外知名高校物理化学实验课程开设情况

经过对国外多所高校物理化学实验课程的初步调研，选取了其中具有代表性的哈佛大学、斯坦福大学、杜克大学、加利福尼亚大学伯克利分校和日本东京大学，对其物理化学实验课程的开设情况进行了进一步的深入分析。

1.1哈佛大学物理化学实验课程介绍

哈佛大学物理化学实验课程是结合物理化学理论课开设的，目的是促进对理论知识的理解，并进行扩展与补充。其实验内容如表1所示。

表1哈佛大学物理化学实验课程内容

实验内容涉及热力学、化学平衡、电化学、结构化学和能源化学等方面知识，项目注重与实际的联系，提高了学生的学习兴趣。如实验1“热量测定”中利用厨余废油制备生物柴油，在课程中引入绿色能源和废物利用的理念，通过与环境保护相结合，升华了实验内容，赋予了实验实际应用意义。热量测定部分学生用铁架台、易拉罐、酒精灯和温度计自行搭建量热计，完成仪器校准之后进行测量，有效地解放了学生的创造力和想象力，加深了学生对量热计原理的认识。学生自行搭建仪器并进行测量的实验模式，对引导学生思考、训练学生动手能力起到了很好的教学效果。实验3和实验5也是能源相关的项目，分别介绍化学电池、可再生能源相关的知识和基本概念，通过电池将校园生活与绿色能源和化学联系到一起，向学生传播绿色化学、可持续发展的理念。实验2和实验4是结合吸收光谱进行热力学和分子结构的探究，通过实验学生将对光谱仪器有初步认识和掌握，并结合实验对热力学和分子结构理论模型进行验证，使学生体会到理论模型是具有一定适用性的，理论计算结果并不会与实验结果完全匹配。

从上述分析可以看出，哈佛大学在实验内容上通过与生活紧密结合，提升了学生的学习兴趣，向学生传输了绿色化学等概念，给了学生一个关于化学的正向引导，这点对化学教育工作者来说是非常重要的。在实验设计上给了学生很大的选择和思考空间，提高了学生的学习主动性，有利于更大地挖掘学生的潜力和培养学生对化学的热爱。

1.2斯坦福大学物理化学实验相关课程介绍

斯坦福大学未开设“物理化学实验”课程，但有“光谱实验”和“电化学测量方法”2个相关的实验课程。其中电化学测量实验首先介绍现代电化学测量方法，教学生组装以及如何使用电化学电池，在课程的后半段则要求学生设计1个综合实验项目——通过实验表征电化学的特性，实现对电化学基础知识进行融会贯通的应用。光谱实验主要让学生学习重要的光谱仪器和光谱学方法，并将其应用于研究分子特性及其随时间变化的过程，其实验内容与国内仪器分析实验所开设的内容类似但又有所区别，光谱实验的具体内容如表2所示。

表2斯坦福大学光谱实验课程内容

本次调研发现光谱实验在国外很多高校都开设在物理化学实验中，其实验内容为结合仪器开展分子特性研究，对理论知识进行验证。例如拉曼光谱实验选用四氯化碳来进行测试，除了因为四氯化碳的拉曼活性强，其目的更在于选用高对称分子来验证说明对称性与拉曼退偏的关系。红外光谱实验中，通过分析HCl和DCl的红外谱图，来看不同同位素分子键长键角、伸缩振动的区别，计算化学键强弱，验证不同同位素在自然界中的丰度。核磁共振实验主要研究了不同类型质子的化学位移和不同溶剂对反应活化能的影响。

借助仪器在原子、分子层面对化学机理进行解释，这是当今开展化学研究的重要手段，但受限于仪器高昂的价格和对理论基础要求非常高，目前国内本科物理化学实验教学中开设的相关内容非常少，这与学科的发展以及学生的需求是不匹配的，斯坦福大学光谱实验开设的内容正好可以为我们下一步如何开展相关工作提供良好的借鉴。

1.3杜克大学物理化学实验课程介绍

杜克大学比较注重软件在物理化学实验课程中的应用，7个实验项目中有2个实验项目是关于软件的学习，如表3所示。分别是实验1“数据处理软件Matlab”的学习，学生后续实验的数据处理及作图就是通过该软件来实现的。另一个是计算化学软件的学习，计算化学已经逐渐成为化学工作者需要掌握的一种基本技能，在物理化学实验中让学生初步学习基础计算软件的使用是非常有必要的，本部分学生将学习如何进行分子轨道、光谱以及结构的计算，并对已完成实验内容中涉及红外光谱和吸收光谱的部分进行计算，将理论计算值和实验值进行比较，通过结果分析和探讨，让学生更直观地理解理论计算结果的适用性。

此外，杜克大学也非常重视实验习惯的养成，专门用一次课的内容对学生进行误差分析的训练。相比于普通化学实验、有机化学实验和分析化学实验，物理化学实验的实验数据多，数据处理复杂，教师在查阅学生实验报告的过程中，作图和误差分析也是老师最为关注的内容。在物理化学实验教材中一般有专门的章节进行数据处理和分析的介绍，但是在实际实验课程中，由于课时有限，大多数情况下我们都是结合实验来向学生展开如何进行数据处理和分析的，很少会专门进行训练。杜克大学还有一个比较有特色的是在成绩评定方面，每个实验项目在总成绩中的分值比例并不同，会根据内容难易及重要性等因素进行区分，所以总实验成绩并不是所有实验项目成绩的简单取平均，这一点也是可以根据我们实际情况来参考的。

表3杜克大学物理化学实验课程内容

1.4加利福尼亚大学伯克利分校物理化学实验课程介绍

加利福尼亚大学伯克利分校是美国公立高校中最具代表性的学校之一，其物理化学实验课程开设的项目要远多于其他私立高校，共包含有14个实验项目，分为光谱学、动力学和热力学、结构与性质等3个部分，如表4所示。

从表4可以看出，相比其他学校，课程整体内容设置与学科前沿接触更加紧密，涉及纳米晶体、荧光成像、纳米线制备等领域，使内容的深度得到延伸。在广度上，实验项目基本涵盖了化学研究中常用的分析仪器，而且涉及到分子光谱在不同领域的应用，使学生对光谱仪器的理解深度和广度得到提升，如实验1和实验2、实验3和实验7的互补。

将本科教学的内容与科研前沿应用相结合，使学生不仅学习了仪器的工作原理和基本使用方法，也对仪器的应用有了了解，更重要的是将科研前沿融入实验教学中，能够有效地提高学生的学习积极性，并培养学生的科研能力。

表4加利福尼亚大学伯克利分校物理化学实验课程内容

1.5东京大学物理化学实验相关课程介绍

物理化学实验是东京大学化学专业大三学生的必修实验课程，共设有30个实验时长1到4次课不等的实验项目，学生需要按课程要求选择不同类型的实验，完成指定实验学时后即完成本实验课程。

实验内容如表5所示，分为3个方向：(1)常见的经典物理化学实验内容，如反应动力学、相图、表面吸附等；(2)光谱相关内容，如原子吸收光谱、红外光谱、荧光光谱、拉曼光谱等；(3)物理学基础的内容，如晶体管电路、数字电路、程序软件学习等。除了常规的实验内容以外，课程最大的特点是引入了物理学基础知识和技能，在国内尚未见过这样的开课模式。物理化学是用物理学的方法来研究化学问题，电路设计、程序控制和数据采集与分析是物理学中最常用的实验技术，目前实验中这部分内容，学生都是通过商用仪器来完成，只会使用但并不理解原理，这也使得学生很难认识到物理化学实验的精髓所在——通过巧妙设计来进行参数测定。化学实验中进行基本物理实验技能的学习，有利于学生优化实验设计、自主开展实验，实验技能的丰富也会在解决实际问题时为学生提供更多的思路，并在学生之后的学习、科研中带来很多帮助。

表5东京大学物理化学实验课程内容

2、国内外高校物理化学实验开设情况比较

通过对上述高校物理化学实验开设情况的深度调研，可以发现中美日在物理化学实验的教学模式和理念上有着较大差别。在课程设计上，我国和日本的实验项目以单元型实验为主，重点教实验技能，从实验目的、实验要求、实验操作到如何进行数据分析都有明确的规范，学生需按照实验操作流程完成实验，对学生实验操作过程的正确性和实验结果数据的准确性的要求较高，实验内容相对独立。美国高校以项目式实验为主，为学生提供详细的原理讲解及相关知识的扩展，学生在实验过程中具有较高的自由度，可围绕实验项目自主开展相关的探究性实验，给予了学生较大的创新空间，实验内容与理论课程的联系更为紧密。

在课程内容上，关于经典物理化学实验部分，我国和日本要明显比美国高校更加全面和系统。与国外区别较大的是在光谱类仪器和计算化学的内容上，关于光谱方面的内容，国内很少在物理化学实验中有所涉及，而美国和日本都开设了相关的内容，以紫外-可见吸收光谱和红外光谱最为常见，主要是讲授相关方法学的理论原理和仪器的设计原理，及如何通过分子光谱对分子结构进行分析。北京大学化学与分子工程学院从2018年开始，在物理化学实验教学中也进行了相关的尝试，开设了紫外光谱仪搭建和拉曼光谱仪搭建相关的实验项目[12,13,14],学生用最基础的光学元件完成光谱仪的搭建，并用自己搭建的光谱仪研究分子振动、计算谐振子力学常数。随着计算科学的快速发展，计算化学在化学专业领域发挥的作用越来越大，从本次调研结果可看出，许多高校都已开设计算化学相关的实验课程，而且其内容在实验教学中所占的比例也越来越大。北京大学化学与分子工程学院物理化学实验曾开设有和杜克大学类似的计算化学实验内容，学生需要将计算与实验相结合，验证理论计算的准确性。自2022年秋季学期开始，学院开设了面向低年级的理论计算课程，所以物理化学实验中不再开设单独的计算实验内容，而是将计算化学作为工具在实验中直接使用。

3、结语

国内外各高校的物理化学实验课程虽然在课程设置、教学理念等方面有所不同，但是对于在物理化学实验教学中引入学科前沿、增加计算化学的内容、加强学生数据处理和程序设计能力等方面的观点是一致的，随着学科的发展，这些新的实验技术的加入是必然的结果。计算化学和学科前沿的引入可以丰富实验内容，提高学生学习兴趣。数据采集和程序设计作为最基础的实验技术可以为物理化学实验提供坚实的基础，也是未来信息化发展的方向，将其应用到化学研究中，将极大地丰富我们的实验手段。这些新内容和新技术的加入，有利于调动学生的主观能动性，培养学生自学能力、独立工作能力和实验动手能力，为后期的终身学习打下基础。

通过本次调研，对国际上物理化学实验课程的开展情况有了基本的了解，虽然各高校在文化和传承等方面截然不同，但借鉴学习国际同行的教学经验仍然是一个非常行之有效的方法。本次调研为我们课程的开设提供了许多思路，接下来需要进一步思考如何将好的想法融入到我们的课程中。

参考文献:

[1]傅献彩,沈文霞,姚天扬,等.物理化学(上､下册).5版.北京:高等教育出版社,2005

[2]朱志昂,阮文娟,郭东升.化学教育(中英文),2021,42(18):88-91

[3]张树永,侯文华,刁国旺.大学化学,2017,32(2):9-18

[4]韩德刚,高执棣,高盘良.物理化学.北京:高等教育出版社,2001

[5]北京大学化学学院物理化学实验教学组.物理化学实验.4版.北京:北京大学出版社,2002

[6]罗澄源,向明礼.物理化学实验.4版.北京:高等教育出版社,2004

[7]许新华,王晓岗,王国平.物理化学实验.北京:化学工业出版社,2017

[8]宋淑娥.基础化学实验Ⅲ——物理化学实验.3版.北京:化学工业出版社,2019

[9]张树永,王玉枝,苑世领.大学化学,2014,29(2):14-19

[10]马晓明,瞿洪明,杨林.河南科技学院学报,2011(8):56-59