物理化学实验数据处理教学微课应用

摘要:物理化学实验数据的处理和分析能够帮助学生加深对物理化学理论知识的理解、学会实验数据的表示方法，继而提高学生从事科学实践探究的能力。采用微课这一新的教学模式进行实验数据处理的教学，能够让学生通过可视化的方式学习实验数据的处理和分析。文章通过“金属相图”这一实验为例，详细讲述了微课在实验数据处理教学中的应用。

关键词:实验数据;处理与分析;微课

物理化学实验是教育部规定高校理科化学专业必须独立开设的一门实验课程［1］，是相关专业的学生在学习完无机化学、分析化学、有机化学及仪器分析等实验课程之后，在高年级开设的一门化学基础实验课。物理化学实验要求学生综合运用物理和化学的理论原理，通过各种仪器测量体系各种物理量的变化，再利用数学方法对所得的数据进行处理和综合运算，达到加深对化学基本理论知识理解的目的，是一门理论性、实践性和综合性都很强的课程，在化学、应用化学、材料、环境等专业的人才培养中占有重要的地位［2］。

1实验数据处理教学的现状

在相关化学专业的学习中，其它的实验课程并不需要处理大量的实验数据，只有物理化学实验涉及到大量的实验数据，因此对所得实验数据的处理也是物理化学实验中非常重要的一个环节。实验数据的处理不仅可以考察学生对实验原理的理解，还可以让学生学习用图表来表达实验数据，并进行回归分析、误差分析等数据的后续处理。这些数据处理的实践可以为本科的毕业设计以及今后的研究工作打下坚实的基础。但是在现阶段，物理化学实验课的实际教学过程一般包括以下三个步骤:第一，教师在课堂上讲解实验目的、基本原理、实验步骤、仪器使用方法和实验操作中需注意的事项;第二，学生根据教师讲解的实验步骤进行实验操作并记录实验数据;第三，学生课后对实验数据进行处理并完成实验报告，教师批改实验报告得到学生实验效果的信息反馈［3］。由于实验课时少，在课堂上教师没时间详细讲解实验数据处理方面的知识，从而导致学生在写实验报告时不会处理实验数据、不会作图、不能进行数据分析等问题。如“金属相图”这一经典的物理化学实验，要求学生记录4种不同配比组成的Sn－Pb样品管在加热熔融之后温度随时间的变化，由于4个样品管是一起加热，一起冷却，因此记录的时间点是一样的。在处理数据的时候，学生没能合理的将4个样品记录的时间点分开，从而导致4个样品的步冷曲线重叠在一起的，如图1所示。结果导致学生无法找出每一条步冷曲线上的“拐点”和“平台”相对应的温度，无法按实验要求画出相图。另外，通过这些年的授课和带本科生毕业论文发现学生在用图表来表达实验结果的时候，总是做得很不规范，主要存在以下问题:横、纵坐标比例失调;没有横、纵坐标的标题;没有标明相关的单位;没有标上图例或图例不清晰等。由此可见，在物理化学实验课程中，实验数据处理方面的知识，传统的授课效果非常不理想。

2微课在实验数据处理教学中的优势

微课是一种以学习某个知识点为目的，通过短小精悍的小视频向学生深入讲解该知识的教学资源［4］。由于教师在物理化学实验正常教学的课堂上，很难有时间将实验数据的记录和处理的全过程详细地讲解一遍，但如果采用微课这种教学形式就能很好地做到这一点。微课在物理化学实验数据处理教学中有以下几点优势。(1)微课内容短小精悍。一节微课的时间一般是控制在10min之内，有研究表明这个学习时长最容易被学生接受且学习效果最好［5］。一个微课只讲解一个实验数据的记录和处理，知识点授递简洁明了，容易让学生接受。(2)学习时间灵活且可反复观看。教师将每个物理化学实验的数据记录和处理整个过程制成微课，可让学生利用课余时间反复观看、练习，熟悉实验数据记录和处理的每个过程，提高学生实验数据处理和分析的能力。(3)微课与Excel软件、Origin软件的结合。微课可以很方便和Excel软件或Origin软件的使用紧密地结合在一起。在一节微课中可以详细地向学生展示如何使用Excel软件或Origin软件来收集、整理实验数据，如何将这些实验数据用规范的图表清晰地展现出来，这些都是传统的物理化学实验课堂教学无法比拟的。

3微课在物理化学实验数据处理教学中的应用

在物理化学实验中要求学生掌握的数据收集与处理能力主要包括以下4个方面的能力:数据的收集、数据的整理、数据的表达和数据的分析［6］，其中最重要是要求学生学会分析数据的能力。详细分析数据的能力其实就是要求学生能够使用计算机，综合运用数字、图形、表格等各种数据表达形式，运用一定的数学方法处理实验数据，并从中提取出有效的信息，对实验数据是否合理、正确作出判断，为实验结果提供有力的支撑。利用1个手机架和1只手机，教师可以将每个物理化学实验整个数据处理过程拍摄下来，边处理边讲解，制成小视频后，可上传至超星等学习平台，也可发送至学生的QQ班群或微信班群，让学生自行观看学习。微课案例:《金属相图》的实验数据处理(1)实验数据的收集。首先打开电脑上Excel软件或者Origin软件，把Excel表中的第一列作为样品管1号(含Sn20%)时间t的变量，第二列作为相应的样品管温度T的变量，输录相应的实验数据。其它3支样品管的实验数据按照上面的格式依次输入。结果如图2所示。(2)实验数据的整理。在Excel表格中，为了将4个样品的步冷曲线分散开来，需要对样品的记录时间点进行合理化的处理。在这里就要求学生要清楚地了解实验的原理，步冷曲线是记录样品在加热熔融之后温度随时间的变化，只要记录温度间隔的时间是保持不变的，温度在表示的时候从哪个时间点开始对绘制步冷曲线是没有影响的。学生只有掌握了这个知识点，才能对实验数据进行整理。例如每个记录的时间点均加上500s，整理后结果如图3所示。(3)实验数据的表达。根据整理之后的数据，在Excel的“图表向导”中选择“XY散点图”中的“无数据点折线散点图”，点击“下一步”，选择“系列”，点击“添加”。在出现的界面中“名称”选择“样品1(含Sn20%)”，“X值”选择第1列数据，“Y值”选择第2列数据，点击“下一步”。在出现的界面中“图表标题”输入“4个样品的步冷曲线图”，“数值X轴”输入“t/s”，“数值Y轴”输入“T/℃”，点击“下一步”，再点击“完成”。接着对所得到的图进行适当的修改，比如去掉灰色的背景色和网格线、改变X轴Y轴数值的刻度范围和字体、修改图例在图中的位置等。修改的4个样品的步冷曲线如图4所示。(3)实验数据的分析。从4个样品的步冷曲线图并结合实验数据，分别找出每一条步冷曲线上出现“拐点”和“平台”所对应的温度。从4个样品的步冷曲线上可以看出，每个样品出现“平台”的温度很接近，但并不完全相同。这时就要求学生要掌握在样品管3中，Sn的含量是61.5%，这是Sn和Pb的组成恰为最低共熔混合物的情况，所以“平台”对应的温度应该要以样品3为准。在已知纯Sn的熔点为232℃，纯Pb的熔点为328℃的情况下，在Excel中画出锡和铅两中金属的相图，修改整理后如图5所示。在处理完数据后，要求学生在实验报告中要对所得的相图进行分析，标明相图中各个相区的含义，并与文献的相图进行对比，分析讨论实验成败的影响因素以及实验可能改进的地方。

4结语

实验数据的处理作为理科化学相关专业中一项重要的技能，其实用性和实操性均非常强，传统的教学模式已经不能满足学生的需要。微课这种新颖的教学模式，不仅让教师有时间将整个实验数据处理的过程讲解清楚并示范，也让学生有足够的时间反复学习、实践，从而真正提高学生处理和分析实验数据的能力，为今后的毕业设计和科学研究打下坚实的基础。

参考文献

［1］教育部理科化学教材编审委员会.物理化学实验教学大纲［M］．北京:人民教育出版社，1980.

［2］郭婷，孟涛，方伊，等.“理论、实践与科研三位一体”物理化学实验教学改革［J］．实验室研究与探索，2015，34(5):138－140，162.

［3］胡俊平，刘妍，毕慧敏，等.基于微课的“物理化学实验”翻转课堂教学案例设计［J］．化学教育，2016，37(14):45－48.

［4］王岁花，王娜，冯晓林.“助学型”微课在作业讲评中的应用———以数据结构课程为例［J］．教育现代化，2019(31):160－162.

［5］黄晓冰，胡铁生.“助学型”微课教学设计策略［J］数字教育，2019，2(4):64－70.

［6］崔丽娟，朱梦楚，郝银超，等.微课提高大学生数据收集与处理能力的案例解析———以一道高等数学习题的微课为例［J］．河北学业大学学报(农林教育版)，2017，19(2):41－44.

作者：陈宜菲 邱罡 林燕如 单位：韩山师范学院化学与环境工程学院