物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理教學(xué)微課應(yīng)用

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摘要:物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理和分析能夠幫助學(xué)生加深對物理化學(xué)理論知識的理解、學(xué)會實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的表示方法，繼而提高學(xué)生從事科學(xué)實(shí)踐探究的能力。采用微課這一新的教學(xué)模式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的教學(xué)，能夠讓學(xué)生通過可視化的方式學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理和分析。文章通過“金屬相圖”這一實(shí)驗(yàn)為例，詳細(xì)講述了微課在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理教學(xué)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞:實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù);處理與分析;微課

物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)是教育部規(guī)定高校理科化學(xué)專業(yè)必須獨(dú)立開設(shè)的一門實(shí)驗(yàn)課程［1］，是相關(guān)專業(yè)的學(xué)生在學(xué)習(xí)完無機(jī)化學(xué)、分析化學(xué)、有機(jī)化學(xué)及儀器分析等實(shí)驗(yàn)課程之后，在高年級開設(shè)的一門化學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課。物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生綜合運(yùn)用物理和化學(xué)的理論原理，通過各種儀器測量體系各種物理量的變化，再利用數(shù)學(xué)方法對所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和綜合運(yùn)算，達(dá)到加深對化學(xué)基本理論知識理解的目的，是一門理論性、實(shí)踐性和綜合性都很強(qiáng)的課程，在化學(xué)、應(yīng)用化學(xué)、材料、環(huán)境等專業(yè)的人才培養(yǎng)中占有重要的地位［2］。

1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理教學(xué)的現(xiàn)狀

在相關(guān)化學(xué)專業(yè)的學(xué)習(xí)中，其它的實(shí)驗(yàn)課程并不需要處理大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，只有物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)涉及到大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，因此對所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理也是物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理不僅可以考察學(xué)生對實(shí)驗(yàn)原理的理解，還可以讓學(xué)生學(xué)習(xí)用圖表來表達(dá)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行回歸分析、誤差分析等數(shù)據(jù)的后續(xù)處理。這些數(shù)據(jù)處理的實(shí)踐可以為本科的畢業(yè)設(shè)計(jì)以及今后的研究工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。但是在現(xiàn)階段，物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)課的實(shí)際教學(xué)過程一般包括以下三個(gè)步驟:第一，教師在課堂上講解實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、基本原理、?shí)驗(yàn)步驟、儀器使用方法和實(shí)驗(yàn)操作中需注意的事項(xiàng);第二，學(xué)生根據(jù)教師講解的實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作并記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù);第三，學(xué)生課后對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告，教師批改實(shí)驗(yàn)報(bào)告得到學(xué)生實(shí)驗(yàn)效果的信息反饋［3］。由于實(shí)驗(yàn)課時(shí)少，在課堂上教師沒時(shí)間詳細(xì)講解實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方面的知識，從而導(dǎo)致學(xué)生在寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告時(shí)不會處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、不會作圖、不能進(jìn)行數(shù)據(jù)分析等問題。如“金屬相圖”這一經(jīng)典的物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)，要求學(xué)生記錄4種不同配比組成的Sn－Pb樣品管在加熱熔融之后溫度隨時(shí)間的變化，由于4個(gè)樣品管是一起加熱，一起冷卻，因此記錄的時(shí)間點(diǎn)是一樣的。在處理數(shù)據(jù)的時(shí)候，學(xué)生沒能合理的將4個(gè)樣品記錄的時(shí)間點(diǎn)分開，從而導(dǎo)致4個(gè)樣品的步冷曲線重疊在一起的，如圖1所示。結(jié)果導(dǎo)致學(xué)生無法找出每一條步冷曲線上的“拐點(diǎn)”和“平臺”相對應(yīng)的溫度，無法按實(shí)驗(yàn)要求畫出相圖。另外，通過這些年的授課和帶本科生畢業(yè)論文發(fā)現(xiàn)學(xué)生在用圖表來表達(dá)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的時(shí)候，總是做得很不規(guī)范，主要存在以下問題:橫、縱坐標(biāo)比例失調(diào);沒有橫、縱坐標(biāo)的標(biāo)題;沒有標(biāo)明相關(guān)的單位;沒有標(biāo)上圖例或圖例不清晰等。由此可見，在物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程中，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方面的知識，傳統(tǒng)的授課效果非常不理想。

2微課在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理教學(xué)中的優(yōu)勢

微課是一種以學(xué)習(xí)某個(gè)知識點(diǎn)為目的，通過短小精悍的小視頻向?qū)W生深入講解該知識的教學(xué)資源［4］。由于教師在物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)正常教學(xué)的課堂上，很難有時(shí)間將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄和處理的全過程詳細(xì)地講解一遍，但如果采用微課這種教學(xué)形式就能很好地做到這一點(diǎn)。微課在物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理教學(xué)中有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢。(1)微課內(nèi)容短小精悍。一節(jié)微課的時(shí)間一般是控制在10min之內(nèi)，有研究表明這個(gè)學(xué)習(xí)時(shí)長最容易被學(xué)生接受且學(xué)習(xí)效果最好［5］。一個(gè)微課只講解一個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄和處理，知識點(diǎn)授遞簡潔明了，容易讓學(xué)生接受。(2)學(xué)習(xí)時(shí)間靈活且可反復(fù)觀看。教師將每個(gè)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)記錄和處理整個(gè)過程制成微課，可讓學(xué)生利用課余時(shí)間反復(fù)觀看、練習(xí)，熟悉實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄和處理的每個(gè)過程，提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和分析的能力。(3)微課與Excel軟件、Origin軟件的結(jié)合。微課可以很方便和Excel軟件或Origin軟件的使用緊密地結(jié)合在一起。在一節(jié)微課中可以詳細(xì)地向?qū)W生展示如何使用Excel軟件或Origin軟件來收集、整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，如何將這些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用規(guī)范的圖表清晰地展現(xiàn)出來，這些都是傳統(tǒng)的物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)無法比擬的。

3微課在物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理教學(xué)中的應(yīng)用

在物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)中要求學(xué)生掌握的數(shù)據(jù)收集與處理能力主要包括以下4個(gè)方面的能力:數(shù)據(jù)的收集、數(shù)據(jù)的整理、數(shù)據(jù)的表達(dá)和數(shù)據(jù)的分析［6］，其中最重要是要求學(xué)生學(xué)會分析數(shù)據(jù)的能力。詳細(xì)分析數(shù)據(jù)的能力其實(shí)就是要求學(xué)生能夠使用計(jì)算機(jī)，綜合運(yùn)用數(shù)字、圖形、表格等各種數(shù)據(jù)表達(dá)形式，運(yùn)用一定的數(shù)學(xué)方法處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并從中提取出有效的信息，對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是否合理、正確作出判斷，為實(shí)驗(yàn)結(jié)果提供有力的支撐。利用1個(gè)手機(jī)架和1只手機(jī)，教師可以將每個(gè)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)整個(gè)數(shù)據(jù)處理過程拍攝下來，邊處理邊講解，制成小視頻后，可上傳至超星等學(xué)習(xí)平臺，也可發(fā)送至學(xué)生的QQ班群或微信班群，讓學(xué)生自行觀看學(xué)習(xí)。微課案例:《金屬相圖》的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理(1)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的收集。首先打開電腦上Excel軟件或者Origin軟件，把Excel表中的第一列作為樣品管1號(含Sn20%)時(shí)間t的變量，第二列作為相應(yīng)的樣品管溫度T的變量，輸錄相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。其它3支樣品管的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)按照上面的格式依次輸入。結(jié)果如圖2所示。(2)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理。在Excel表格中，為了將4個(gè)樣品的步冷曲線分散開來，需要對樣品的記錄時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行合理化的處理。在這里就要求學(xué)生要清楚地了解實(shí)驗(yàn)的原理，步冷曲線是記錄樣品在加熱熔融之后溫度隨時(shí)間的變化，只要記錄溫度間隔的時(shí)間是保持不變的，溫度在表示的時(shí)候從哪個(gè)時(shí)間點(diǎn)開始對繪制步冷曲線是沒有影響的。學(xué)生只有掌握了這個(gè)知識點(diǎn)，才能對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理。例如每個(gè)記錄的時(shí)間點(diǎn)均加上500s，整理后結(jié)果如圖3所示。(3)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的表達(dá)。根據(jù)整理之后的數(shù)據(jù)，在Excel的“圖表向?qū)А敝羞x擇“XY散點(diǎn)圖”中的“無數(shù)據(jù)點(diǎn)折線散點(diǎn)圖”，點(diǎn)擊“下一步”，選擇“系列”，點(diǎn)擊“添加”。在出現(xiàn)的界面中“名稱”選擇“樣品1(含Sn20%)”，“X值”選擇第1列數(shù)據(jù)，“Y值”選擇第2列數(shù)據(jù)，點(diǎn)擊“下一步”。在出現(xiàn)的界面中“圖表標(biāo)題”輸入“4個(gè)樣品的步冷曲線圖”，“數(shù)值X軸”輸入“t/s”，“數(shù)值Y軸”輸入“T/℃”，點(diǎn)擊“下一步”，再點(diǎn)擊“完成”。接著對所得到的圖進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷?，比如去掉灰色的背景色和網(wǎng)格線、改變X軸Y軸數(shù)值的刻度范圍和字體、修改圖例在圖中的位置等。修改的4個(gè)樣品的步冷曲線如圖4所示。(3)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析。從4個(gè)樣品的步冷曲線圖并結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分別找出每一條步冷曲線上出現(xiàn)“拐點(diǎn)”和“平臺”所對應(yīng)的溫度。從4個(gè)樣品的步冷曲線上可以看出，每個(gè)樣品出現(xiàn)“平臺”的溫度很接近，但并不完全相同。這時(shí)就要求學(xué)生要掌握在樣品管3中，Sn的含量是61.5%，這是Sn和Pb的組成恰為最低共熔混合物的情況，所以“平臺”對應(yīng)的溫度應(yīng)該要以樣品3為準(zhǔn)。在已知純Sn的熔點(diǎn)為232℃，純Pb的熔點(diǎn)為328℃的情況下，在Excel中畫出錫和鉛兩中金屬的相圖，修改整理后如圖5所示。在處理完數(shù)據(jù)后，要求學(xué)生在實(shí)驗(yàn)報(bào)告中要對所得的相圖進(jìn)行分析，標(biāo)明相圖中各個(gè)相區(qū)的含義，并與文獻(xiàn)的相圖進(jìn)行對比，分析討論實(shí)驗(yàn)成敗的影響因素以及實(shí)驗(yàn)可能改進(jìn)的地方。

4結(jié)語

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理作為理科化學(xué)相關(guān)專業(yè)中一項(xiàng)重要的技能，其實(shí)用性和實(shí)操性均非常強(qiáng)，傳統(tǒng)的教學(xué)模式已經(jīng)不能滿足學(xué)生的需要。微課這種新穎的教學(xué)模式，不僅讓教師有時(shí)間將整個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的過程講解清楚并示范，也讓學(xué)生有足夠的時(shí)間反復(fù)學(xué)習(xí)、實(shí)踐，從而真正提高學(xué)生處理和分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的能力，為今后的畢業(yè)設(shè)計(jì)和科學(xué)研究打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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作者：陳宜菲 邱罡 林燕如 單位：韓山師范學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院