中美物理化学实验教材内容的比较研究(2)

　　课程定位的差异导致实验设计理念的差异，这尤其表现在二者对实验原理的阐述方式上。Shoemaker在教材前言中指出，他们编写的物理化学实验并不仅仅着重于物理化学的“实验技术”或“分析应用”、刻画或检验理论原理，更要发展学生的研究取向，因此在实验原理的阐述上非常详尽，以使学生清晰理解所用的实验方法、数据计算过程和最终结果有效性，实验教材内容的广度和深度都会超过基础物理化学理论课程教材。这种理念背后的蕴意就是物理化学的学习既可以通过理论课程的讲授，也可以通过实验课程的实践，两种途径是并重的，甚至实验教学比理论教学层次更高，因为理论教学只是学习已有的知识，而实验教学则是要掌握产生新知识的途径和方法。这与国内的教学理念有较大差别，我们往往认为理论课程是学习的主要途径，实验是对理论课程的补充，既然完成实验所需的物理化学原理已经在理论课本中叙述过了，则实验教材对实验原理的描述就相对简洁了。
　　二、实例对比分析
　　下面我们将对中美物理化学实验教材中的一些经典实验项目进行对比分析，说明教学理念的差异引起的实验设计内容的差别。由于中美国情不同，这里所选的实例不涉及使用高水平精密仪器的实验项目。
　　1.燃烧热测定实验
　　中美两国教材均采用氧弹量热计进行实验测定，实验方法和实验步骤基本相同。国内教材要求学生根据实验数据，直接计算出固体有机物实验条件下的燃烧热△cU和焓变△cH。在Halpem的教材中，学生被要求计算出固体有机物的生成热，而且是标准生成热，这就涉及由实验条件换算到标准态下热力学函数的修正过程。标准态及标准态下的热力学函数是物理化学中令学生感到神秘和困惑的内容，即使理论教材也很少涉及如何由实验测定得到标准态热力学函数的方法。国内教材仅就事论事地要求学生完成“实验测定一直接结果”的过程；而美国教材则要完成“实验测定一直接结果一条件修正一标准数据”这样一个过程，得到的实验结论接近公认的化学热力学文献，这完全就是在实验教学中模拟科研工作，以培养学生的研究能力为目标了。
　　此外，就实验技术而言，这个实验中涉及温度测量的雷诺校正问题，Shoemaker的教材中专门花了很大的篇幅推导了相关理论。国内教材对此问题主要做了定性解释。
　　2.二组分气液平衡相图测定实验
　　中美两国教材均采用折光率测量法进行溶液组成的测定，实验方法和实验步骤基本相同。国内教材要求学生根据实验数据，最终绘出实验条件下二组分体系的温度一组成图（T-x图），与燃烧热测定实验一样，这仍然是一个“实验测定一直接结果”的过程。Halpem在教材中首先从化学势的表达开始推导，先获得理想溶液的公式表达，再利用vail Laar公式获得活度系数表达式，最后利用计算得到的参数，要求学生模拟计算实验体系的理论相图，最终获得实测T-x图、理论p-x图和非常压T-x图三种结果。二者对比，国内教材对该实验的设计显然是就事论事，测量什么就画什么；而美国教材则由实验数据画出相图后，分析计算相关参数，再用这些参数反过来进行理论计算，学生在完成实验时经历了“实验测定-直接结果-参数计算-理论模拟-相互对比”的过程，实验设计的水平和对学生科研能力训练的程度都相当高。
　　3.溶液表面吸附测定实验
　　这个实验的设计中美教材有很大区别。美国教材一般是用多种实验方法（如毛细管上升法、吊环法、滴重法等）测定多种类型溶液（如有机物、盐类、表面活性剂等）的表面张力，然后根据吉布斯吸附公式进行一些计算。而国内教材普遍通过测定有机醇溶液的表面张力，利用吉布斯吸附公式和朗格缪吸附方程结合，通过线性拟合获得表面满单层吸附量数据，进而推算溶质分子的横截面积。看起来国内教材的实验水平要高一些，实际上却是不尽合理，因为实验常用的乙醇或正丁醇水溶液体系并不符合朗格缪吸附方程（参见热力学大师Guggenheim的经典论文），也就是说国内教材基本上都是采用了错误的实验体系指导学生实验，抛弃了热力学意义上更加严格的吉布斯吸附公式。反观美国教材则比较严谨，在不确定实验体系性质的情况下，不贸然采用朗格缪吸附方程，而是扎扎实实地用好根据热力学原理推导得出的吉布斯吸附公式。
　　4.电导法测定乙酸乙酯皂化反应速率常数
　　这是国内教材普遍采用的一个化学动力学实验，用电导法进行测定，实验条件固定为反应物乙酸乙酯和氢氧化钠的初始浓度相等，以简化理论方程和计算过程。这个实验在近年出版的美国教材中己经取消了，但是在早期的Daniels实验教材中仍然是有的，即便如此，Daniels教材中关于这个实验内容的丰富复杂程度也远远超过目前国内教材。因为虽然这是一个典型的二级反应，但是二级反应可以分为A+A型和A+B型，取决于反应物初始浓度的相对大小，二者适用完全不同的理论方程，其中A+B型（即两个反应物初始浓度不相等）的速率方程非常复杂，Daniels教材中对这两种类型都进行了仔细讨论，并要求学生设计不同的情况进行实验和数据处理。事实上，维持两个反应物初始浓度相等几乎是不可能完成的任务，因为乙酸乙酯具有挥发性，而氢氧化钠溶液也会不断吸收空气中的CO2而改变浓度，只要实验试剂放置一段时间后就会偏离这个要求，因此国内教材的简单化的实验设计往往导致实验结果偏离所用的理论方程，造成学生的困惑。
　　5.临界胶束浓度测定实验
　　国内大部分教材中已经取消了这个表面化学实验，仅少部分教材保留，因为就实验设计来说该实验完全可有可无：实验采用电导法测定电导率与表面活性剂浓度关系，由浓度一电导率曲线的转折点判读临界胶束浓度（CMC），教材中几乎没有任何关于胶束性质的实验理论探讨和定量分析过程。然而这个实验在美国教材中却普遍采用，实验测定方法类似，但是测算出cMc的目的是进一步探讨胶束离子团的结构，因此通过热力学推导过程，并结合斯托克斯一爱因斯坦方程，得出临界胶束浓度与胶束聚集度和电离程度的关系，最终得到表面活性剂胶束的微观结构信息，实验设计的理论水平和数据分析技巧非常高，实验理论的深度远远超过一般物理化学理论教科书。

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