物理化学实验思维导图教学法考核标准设定探析

2019-03-27卢文卜王梦婷王雪宁

安徽化工 2019年6期

魏明，卢文卜，王梦婷，魏虹，王雪宁

（1.南京医科大学康达学院理学部，江苏连云港222000；2.山西师范大学化学与材料科学学院，山西临汾041004）

“物理化学”作为化学专业的基础课之一，它是从化学现象与物理现象的联系入手，借助数学、物理学等基础科学的理论及其提供的实验手段，来探求化学变化中最具普遍性的基本规律的一门学科[1]。鉴于“物理化学”的学科特性，物理化学实验也呈现出比较鲜明的特点，如在实验的过程中，需要用到一些常用的测试仪器，如旋光仪、阿贝折光仪、分光光度计、粘度计等，并且需要利用Origin 等数据处理软件对成组数据进行处理，这些都对学生的基本实验素养提出了较高的要求。

1 思维导图介绍

思维导图又被称之为概念地图，是一种非常实用的思维工具，由英国人托尼·伯赞创建。在学科教学中，通过引入思维导图教学法，可以通过将思维中心按照一定的逻辑关系合理外延，将原本隐含的逻辑关系形象化，便于学生快速把握章节脉络，从而对全部内容有较好的整体把握[2]。

2 思维导图在物理化学实验教学中的应用

物理化学实验大致可以划分为三个部分：实验操作、数理建模与数据处理。其中，学生对于数理建模与数据处理感觉难度较大。为了使学生能对物理化学实验有清晰的认识，笔者在授课过程中引入思维导图，并确立了对应的实验课考核标准。

2.1 物理化学实验简况

图1 为物理化学实验的框架图，从中可以看出，在物理化学实验中，实验人员需要测定大量的物理学信号，如时间、旋光度、折光率、吸光度、透光率等，继而通过对体系数理模型的建立与数据处理，了解所研究化学反应的具体情况。具体来说，物理化学实验能否顺利进行，取决于学生对仪器的熟悉程度，对物化基本知识的了解程度与数据处理的能力。学生在实验的过程中，普遍反应物化实验整体难度较大。

图1 物理化学实验框架图

2.2 物理化学实验思维导图教学法考核标准的确立

笔者在实际教学中，将思维导图引入到物理化学理论，特别是实验的教学中，通过对学生进行全程的综合考评，发现学生对所学内容有了整体性的把握，加深了对相应理论知识的理解。现以“旋光法测定蔗糖水解反应的速率常数”实验为例，按照学生预习、教师讲授、学生实验过程和实验报告完成情况等环节，详细阐述思维导图与物理化学实验的有机结合。

所参考教材选自化学工业出版社《大学化学实验》，主编为胡琴、许贯虹[3]，授课对象为南京医科大学康达学院药学专业二年级学生。

2.2.1 预习考评标准的确立（30% ）

要求学生在上课之前对实验内容进行预习，初步进行思维导图的绘制，教师提前一天搜集。课前设定预习提问，如一级反应具有哪些特征？哪些物质具有旋光性？旋光仪如何判断物质左右旋？随机抽查部分学生，根据学生回答情况，给予学生预习分数。在提问的过程中，教师要做好回答记录，确保班级所有学生至少轮转一次。预习部分具体评分标准见表1。

表1 实验预习部分评分标准

2.2.2 指导性思维导图结构

在旋光法测定蔗糖水解反应的速率常数实验中，学生所需要用到的知识为化学反应动力学部分，所要用到的仪器为旋光仪，数据处理利用Origin8 进行。实验要求学生掌握利用旋光法测定蔗糖转化的反应速率常数，了解反应物浓度与旋光度之间的关系并能熟练操作旋光仪。在完成预习环节后，教师利用多媒体设备，投影指导性思维导图，见图2。

由图2 可以看出，指导性思维导图包含了实验所考查的全部内容，包含实验理论、仪器、数据处理等内容。该实验所测的物理量为旋光度，通过旋光仪这双“眼睛”，利用肉眼不可见的“视神经”即In (αt-α∞) =kt+In (α0-α∞) ，我们可以知道整个反应的动力学情况，从而计算其反应的速率常数及活化能，而这个“视神经”是本实验的难点之一。

本实验的难点之二，在于学生获取旋光度的数据后，利用Origin8 软件进行数据处理。学生之前习惯于用坐标纸与Excel 进行数据处理，初步接触Origin8，需要一定的适应过程。

图2 蔗糖水解实验指导性思维导图

教师结合指导性思维导图进行讲授，主要分为五个部分：①带领学生进行理论课知识的回顾，切忌照本宣科实验原理部分，重点回顾一级反应、二级反应和准级数反应的相关知识；②旋光仪的介绍、各部件的讲解、使用方法介绍，由于我院采用的旋光仪为二分视野，需给学生强调与普通三分视野旋光仪的不同及读数方法；③结合旋光度与浓度的关系（物化实验中的核心），帮助学生找到隐藏的“视神经”，将“眼睛”旋光仪看到的内容，转化成反应体系中浓度的变化。对于基础较好的学生，建议自己动手进行推导，这对于学生思维能力的培养非常有推动作用；④Origin8 软件的使用，包括数据录入、作图、分析、美化和输出等内容。

2.2.3 学生操作环节评分（30% ）

学生操作部分是整堂实验课的主体部分，是对学生动手能力的综合培养。在本实验中，学生需要用到Y 型管、恒温水浴锅、旋光仪、秒表等设备，教师在授课的过程中，需仔细观察学生操作，重点关注学生旋光仪的操作。在数据记录方面，首先要求学生必须做好原始实验记录，特别注意有效数字的保留问题；其次，由于是动态监测，要求学生在实验过程中能准确记录对应时刻的旋光度，特别是在温度较高的情况下，这对学生的仪器使用能力提出了较高的要求，具体评分标准见表2。

表2 实验中操作部分评分标准

2.2.4 实验结束部分评分标准的确立（40% ）

学生实验结束，需上交实验报告和修订完成的思维导图，教师依据数据处理情况和实验报告完成情况给分。其中数据处理占比15% （表3），实验报告占比15% （表4），修正后思维导图占比10% 。

表3 数据处理部分评分标准

表4 实验报告部分评分标准

如图3 所示，一张标准的Origin 图要包含图名，拟合直线信息，特别需要注意标明横纵坐标的含义。其斜率从图中读出为-0.034 9，从而得出25℃时反应的速率常数k1=0.034 9min-1。

图3 25℃蔗糖水解拟合曲线

一张完整的实验报告，需要注明实验的基本信息和实验目的、实验原理、实验仪器试剂、实验步骤、数据处理、实验反思等内容，不得缺项。笔者设计的实验报告题头见图4，通过增添气压、湿度等基础实验室数据，进一步完善实验报告内容。

图4 物理化学实验报告范例

在实验完成后，学生需结合实验过程中的感性认识将思维导图进一步完善，此部分分数为10% ，具体评分标准参考表1 进行。要让每一位学生做到一个实验一张图，一张图能带领学生回忆实验内容，做好和理论课的衔接。

在此评判的基础上，若学生出现迟到、早退、未穿实验服、未戴护目镜等违规现象，在总分的基础上酌情扣减，填至评分表备注栏。

3 学生反馈情况

对南京医科大学康达学院药学专业16 级五年一贯制专转本8 班、9 班与17 级药学专业1～4 班采取此思维导图教学后，学生对实验课的兴趣增加，对于理论知识的理解加深，特别是在推导所测物理量与反应物浓度之间的关系，有了很大的提高，更好地实现了实训课程的教学目的。学生在完成本次实验课后，根据指导性思维导图，可以类比制作其余动力学实验思维导图，如分光光度法测定丙酮碘化速率常数等实验（图5）。在严格执行评判标准的过程中，学生的自律性得以加强，最为显著的特点是，学生可以通过查阅每一个小项的得分情况，快速了解自己实验的薄弱环节，查漏补缺，从而提高自己的综合实验能力。