建设网络化、开放式的物理化学实验省级精品课程
张元勤、黄允中
摘要：实验课精品课程的建设是目前省级和国家级精品课程建设的一个薄弱环节，实验教学是培养学生实践能力和创新能力的重要途径，因此加强实验精品课程的建设显得尤为重要。本文介绍了近几年来我们在建设物理化学实验省级精品课程的一些经验和做法。
关键词：物理化学实验；精品课程；教学资源。
乐山师范学院物理化学实验精品课程建设的总目标是：根据教育部对本科人才培养的基本要求，适应现代信息技术的飞速发展，实现传授知识、培养能力、提高素质协调发展，着力提高学生的学习能力、实践能力和创新能力，促进学生素质的全面提高；研制科学、先进、宽口径、厚基础、兼顾学科前沿的教学内容和网络教学资源及实验教学过程管理系统；建立适应课程特点的教学手段；实施培养学生终身学习能力的教学方法；使物理化学实验课程走进国内先进课程的行列。
一、研究符合创新人才要求的教学内容和网络教学资源
精品课程建设的核心问题是课程教学内容的建设，物理化学实验是一门实验学科，必须注重建设培养学生实践能力、创新意识和综合应用能力的新内容。将现代信息技术全面引入物理化学实验教学，对传统物理化学实验课程进行整合，在教学内容和教学形式上，考虑经典的基本技能与现代信息技术的适当组合，力图使学生在接受基本实验操作和基本技能训练的基础上，掌握现代信息技术在物理化学实验中的应用，更好地达到物理化学实验教学的目的。
1.在实验教学中引入现代信息技术的内容
随着计算机技术的飞速发展，用计算机处理实验数据已是必然的趋势。针对化学专业（也包含其他理科专业）有关信息技术课程的滞后、不足和脱节，在有关数据处理的教学中，引入了目前广泛使用的工程计算和数据分析软件MATLAB的内容。虽然很多现有教材都附有处理数据的BASIC程序，但大多数学生理解困难，实际使用效果也不理想。相对而言，MATLAB易学、易用、简捷、直观，应该是更好的选择。我们根据实验数据处理的基本要求，有选择地介绍有关实验数据处理的操作命令。学生只要掌握不多的命令，再经过上机练习和实验后的数据处理实践，达到逐步掌握的目标。
计算机采集数据已成为重要的实验技术，我们在教学中也增加了“计算机采集实验数据”的内容，并通过实验进一步的学习和体验这些内容。
2.重新组合实验教学内容，建设适应素质教育、能力培养要求的实验教学内容
在将现代信息技术应用于物理化学实验教学之中，除了在数据处理教学中引入新的内容外，还对学生实验内容进行了重新组合。主要考虑经典的基本技能和现代信息技术的适当组合，实现教学目标，力求让学生有较强的适应能力。
对于基础性实验，我们仍借鉴多数教材的内容，也淘汰了一些落后的检测手段，对部分实验内容进行了整合。为达到培养学生基本数据处理能力和运用先进信息技术能力的目标，从数据收集和处理方面选择实验时，分以下三种类型：
（1）完全的手工记录和处理的实验：主要考虑数据获取和处理比较简单的实验。
（2）手工记录或用计算机采集数据，用MATLAB处理数据：针对处理时运算量较大、需要图形方式处理数据的实验。
（3）完全采用计算机全过程管理：主要对数据要求连续记录，需要较复杂处理，或需要从图形获取数据等的实验。
综合性实验和设计性实验是新形势下对实验教学的客观要求，我们把教师的科研成果、国内外报道的课程新实验等，按照教学的要求改造成适应多层次、宽口径专业方向的“基础性实验”、“综合性实验”、“设计性实验”，改变了基础课的实验只有基础性实验的状况。给学生以内容或方法上的综合练习，力图培养学生的综合分析能力和创新精神。在选择实验内容时注意体现创新实验的思想，满足素质教育、能力培养的教学要求。
在试用了三年的物理化学实验补充教材（以下简称《补充教材》）的基础上，正式出版了反映新教学思路的教材——《计算机辅助物理化学实验》。该教材已在化学教育、应用化学等专业广泛使用。
在这些实验中贯穿着常量、小量、半微量和微量四种规模的操作，既满足了工科教学的要求，又体现了有机化学实验的新发展。
3.物理化学实验虚拟教学平台的建设
为改变传统物理化学实验的教学模式，培养学生自主学习的能力，我们开发了物理化学计算机辅助实验教学平台，平台中包括了我们自主设计的“物理化学虚拟实验”、“实验指导”、“练习题”和“电子教案”等大量相关资料供学生进行虚拟实验和自主学习，“物理化学实验指导”多媒体网站与《管理系统》相结合，形成了物理化学实验虚拟与现实相结合的实验教学模式，为培养学生自主学习的能力创造了条件。通过虚拟教学平台，学生可以查阅物理化学实验的电子图书，观看教师讲课录像、电子课件、熟悉“物理化学实验计算机过程管理系统”、进行模拟实验、撰写实验报告，通过互联网提交学生实验报告。教师批改的实验报告通过互联网传递给学生，初步实现了物理化学实验远程教学。
二、开发了《物理化学实验教学计算机过程管理系统》，加强了实验的过程管理
树立先进的教学管理理念，更加注重实验教学的过程管理，开发了实验过程管理软件《物理化学实验教学计算机过程管理系统》（以下简称《管理系统》），学生在系统中完成实验操作、参与数据的处理等工作，形成实验报告，实现对实验教学的全过程管理。由于数据的封闭性和客观性，非常有利于培养学生严肃认真的科学态度，进一步规范了实验操作。学生在管理系统中完成实验操作、参与数据的处理及误差分析等工作，形成实验报告，评价实验报告，实现了对实验教学的全过程自动化管理。由于数据的封闭性和客观性，有效杜绝了学生修改数据和抄袭实验报告的现象，有利于培养学生求真务实的科学精神和严肃认真的学习态度。
三、改善办学条件，确保物理化学实验教学的质量
原来实验教学中使用的是东北师范大学等学校编写的《物理化学实验》，结合使用自编的引入现代信息技术内容的《补充教材》。目前使用的教材是自编的教材《计算机辅助物理化学实验》（化学工业出版社）。
根据实验数据采集和处理的需要，购置、改造仪器，实现了多种实验数据采集。目前已经实现了包括温度、温差、压差、电导、光度、电势和pH等物理量测定有关的实验与计算机联机。配合自行开发的“无纸记录仪”和《管理系统》进行实验数据的采集记录，并有效地对学生实验过程和结果进行管理。
实验管理系统在设计中考虑了以下的问题：突出先进的实验技术的应用；强调实验数据的封闭性和客观性；不放弃基本技能的训练以有利于培养能力和养成严格的科学态度为目的。
物理化学实验室用于实验数据采集和数据处理的计算机已有20台，形成物化实验的局域网，组建了“物理化学实验指导”多媒体辅助教学平台。内容包括电子版的《物理化学实验指导》、《物理化学实验练习题》和部分教师电子教案，多媒体的《物理化学实验教学计算机过程管理系统使用介绍》、电子书《物理化学实验教学计算机过程管理系统使用说明》、《虚拟物理化学实验》等可供学生预习和练习《管理系统》的使用。
四、更新教学方法和手段
通过引入现代信息技术，建立基于多媒体和网络技术条件下的新的教学方法和手段，大大提高了实验教学的质量和效果。
1.对实验内容进行了整合。为达到培养学生基本数据处理能力和运用先进信息技术能力的目标，从数据收集和处理方面选择实验时，分为不同的类型进行安排。
2.新增的信息技术的内容采用集中与分散相结合，讲座与自学相结合的方法。MATLAB系统地学习需要不少的时间。我们根据实验数据处理的基本要求，有选择地介绍有关实验数据处理的操作命令。学生只要掌握不多的命令，再经过上机练习和实验后的数据处理实践，达到逐步掌握的目标。多媒体网络教学平台提供了大量相关的学习资料供学生自主学习。
3.70%以上的实验采用计算机采集数据（包括用“无纸记录仪”和《管理系统》两类），保证了实验技术的先进性和数据的客观性。
4.采用先进的教学管理手段。我们开发了《物理化学实验教学计算机全过程管理系统》。选取部分实验，采用实验设备与计算机联机，完成数据采集和部分处理工作；学生完成实验操作、一些数据的预处理及误差分析等工作，形成实验报告；系统还包括了实验报告的评价，实现对实验教学的全过程管理。它立足于让学生学习现代信息技术的应用，又不放弃对学生基本技能的训练。实验中使用计算机采集和处理数据保证了实验过程数据的封闭性和客观性，因而保证了实验结果的客观性，这样，也就提高了对学生实验操作的要求，有效地防止了学生修改数据、抄袭报告的不良现象，有利于培养学生严肃认真的科学态度。考虑到学生实验不同于科研实验，科研重在于结果而学生实验重在于过程。因此本系统设计的目的不是让计算机完成实验，而是注重学生参与每一步实验及数据处理过程，达到实验对学生学习的要求和相应的训练的目的。
使用《计算机过程管理系统》用于学生的实验只是整个实验教学的一种手段，一种方法，并不能完全地代替传统形式的实验教学。一般说来在每学期所开设的实验中大约占1/3～1/4。
5.考虑了对不同能力学生的不同要求，合理地安排部分综合性实验和设计性实验，给学生以内容或方法上的综合练习，力图培养学生的综合分析能力和创新精神。
6.开放实验室（包括物化实验局域网），保证学生处理实验数据、自学和设计性实验的需要。
五、建设物理化学实验教材
通过对物理化学实验进行改革，引入现代信息技术和科学、先进的实验教学内容，依托网络传播技术承载、凝练成满足精品课程需要的教材，从而实现教学资源的立体化，并最大限度地发挥其教学效能。
1.制定新的教学大纲和教学计划
该项课题在改革与实践中完善并形成了物理化学实验新的教学大纲，体现了将现代信息技术应用于物理化学实验教学中的新理念、新方法和新思维。制定的教学计划，在保证基本技能训练的前提下，使用计算机采集数据或处理数据的实验占每届开设的学生实验的60%以上。
2.编写《计算机辅助物理化学实验》教材
在广泛调研国内外优秀教材的基础上，为适应现代信息技术的飞速发展，我们加大了对物理化学实验教学的改革，并结合自身的科研成果，编写了《物理化学实验补充教材》，经过三年的实践，形成了新的课程体系；建立了用MATLAB处理实验数据的系统方法；开发了一套对实验过程全过程管理的软件；对教学内容和实验设置作了新的调整，增加了综合性和设计性实验的内容。经过三年教学实践修改成反映新教学思路的教材《计算机辅助物理化学实验》，2003年由化学工业出版社正式出版发行。该教材被国家级实验教学示范中心——北京大学化学基础实验教学中心列为主要的参考书目之一；被陕西师范大学国家级精品课程“物理化学”精品课程网站列为推荐教材。
3.研制优秀的“物理化学实验网络课程”
我们在广泛收集网上教学资源的基础上，结合多年的教学实践，研制的网络课程具有如下教学特色：课程定位准确，学习目标明确；课程结构有利于学生自主学习；运用多种教学策略激发学生学习动力，引进交互式教学模式，强化教学效果；教学设计有利于培养学生终身学习的能力和勇于实践的能力。
六、依靠现代网络技术，实施开放式教学
1.使用多媒体课件构建不同的开放式教学课程体系和新教学模式
建设了《物理化学实验精品课件》，并一直坚持使用。组织教学四年，改变了传统的教学模式，总结出教师授课和学生学习的教学经验。这种授课模式，能将大量的信息引入课堂，以丰富的背景材料支持教学内容。使用CAI课件讲课适合物理化学实验课程的特点，教学效果好。
2.开发的网络化虚拟实验有效提高了学生实验预习的效果
在传统的物理化学实验中，学生是通过书本进行实验的预习，实验教学的特殊性决定了这种书本式预习方式效果并不理想，现代信息技术的发展为开发利用模拟实验提供了条件。通过开发网络化的模拟实验，使学生不仅可以学习到书本式预习能学到的内容，而且通过网络可以进行模拟实验，同时还可以通过网络与教师之间进行学习和交流，进行交互式学习，从而有效提高了实验预习的效果，促进了实验教学质量的提高。
