物理化学教学计算机技术运用思索

物理化学实验教学中，很多实验仪器设备多，操作过程繁琐，对学生实验技能要求较高;在实验数据处理过程中经常涉及到大量的计算与绘图工作，使得学生把大量的精力花费在重复计算与绘图中，从而影响学生的实验积极性，并最终影响物化实验的教学效果。为此，我们录制了一些实验演示视频录像，让学生在实验预习时观看每个实验的具体操作流程，利用Flash软件制作了一些实验的动画仿真软件［1］，让学生在实验预习时进行模拟操作，从而帮助学生熟悉实验仪器和实验流程，提高课前预习效果;利用Origin软件强大的绘图和分析功能，教会学生利用Origin软件处理实验数据;并利用VB软件设计了一些数据处理计算软件，便于保存原始实验数据和处理实验数据。通过这些教学手段的改进，提高了学生利用计算机技术处理和分析专业问题的能力，激发了学生的实验兴趣，收到了良好的教学效果。

1动画仿真软件和实验演示视频在物化实验教学中的应用

自2007年以来，按照我校物理化学精品课程建设的规划我们利用Flash软件，以赵艳娜教授主编的《化学实验技术》［2］为蓝本，先后设计了“液体饱和蒸汽压的测定”、“蔗糖水解速率常数的测定”、“电导法测定乙酸乙酯皂化反应的速率常数”、“液体表面张力的测定”等六个操作比较复杂的实验。在软件制作前，我们利用多年的教学经验，认真分析每个实验中容易出现的操作误区以及难以观察到的实验现象，设计软件框架，分析各部分内容的表现形式，通过画面特写如放大并静止两秒钟等形式以使学生可看到在实际实验中难以观察到的实验现象和仪器内部构造，通过文字提示与按钮交互形式让学生体验整个实验过程的操作，通过红色箭头指示提醒学生在实验操作中需要注意的问题。在软件的使用过程中，鼓励学生提出使用反馈意见，对一些较好的意见予以采纳以不断完善仿真软件。在物化实验教学工作中，学生可通过动画仿真软件进行课前预习演练，可以较好地熟悉实验中一些主要仪器的内部构造及使用方法，熟悉实验操作流程以及实验中应注意的问题等，加深对实验的理解，从而减少了实验过程中仪器的损坏率，增大了实验成功的几率;学生也可在实验后再次演练，对已作实验操作过程中的薄弱环节进行强化训练。图1即为教研组指导制作的“蔗糖水解速率常数的测定”的仿真软件的画面截图。为了更好地辅导学生物化实验的课前预习，我们录制了每个实验的演示教学视频。视频中详细讲解了每个实验的基本原理，仪器的正确使用方法，操作步骤及可能出现的实验现象。这样，学生在课前预习时可先通过阅读实验教材、观看实验录像，然后进行仿真模拟训练，从而达到了较好的预习效果。鉴于教学计划和我校实验设备现状，对一些在我校无法开展的实验，我们也从网络上搜集了一些精品课程的实验视频录像素材如陕西师范大学等校的素材，提供给学生自主选择学习，这样满足了一些学有余力的学生的求知欲望，扩大了他们的知识面，增强了学生学习的主动性。

2Origin软件在物化实验数据处理中的应用

物理化学实验中，大部分实验不仅数据繁多，计算量大，而且一些实验要求作图、拟合、求斜率或截距等。采用手工绘图不仅费时费力，而且在曲线拟合和求斜率时造成较大的主观误差［3－5］。

为此我们专门利用一个上午，结合实例，讲解了Origin软件的使用方法、作图技巧，并深入讲解了Origin软件的数据计算和分析、曲线拟合和图形处理功能。如在原始实验的批量计算、“液体饱和蒸汽压的测定”实验中饱和蒸汽压的对数与温度的倒数的线性拟合［6］，“液体表面张力的测定”实验中乙醇溶液表面张力与乙醇浓度关于希什科夫斯基模型的非线性拟合［7］;Origin软件具有计算快速准确、绘图美观规范等优点，学生通过学习并应用Origin软件，减小了实验数据处理的误差，缩短了数据处理的时间，使得有更多的精力投入到对物化实验本身的思考与探索中。下面通过一个实例即“乙醇－正丙醇双液系气液平衡相图的绘制”来介绍Origin软件在物化实验数据处理中的应用。

2．1乙醇－正丙醇混合液标准曲线的绘制

在实验室温度21．8℃，超级恒温槽温度25℃，大气压为100．13kPa下，测得乙醇和正丙醇的混合液在不同的乙醇浓度的折射率，实验数据如表1所示。

2．2气液平衡相图的绘制

通过实验，测定不同组分的正丙醇－乙醇混合液的沸点及沸点下气液平衡时两相样品的折射率，根据气相冷凝液的折射率ng和液相冷凝液的折射率n1，在Origin环境下点击工具栏上的ScreenReader图标，按下Space键使红色的“+”标志变大，由折射率数值先大概确定“+”标志与工作曲线的交点，然后可通过点击工具栏中的按钮，选定图中交点附近的区域并放大，由此可以精确地读出折射率所对应的气相冷凝液中乙醇的含量wg和液相冷凝液中乙醇的含量w1，表2为实验数据以及由折射率数据在工作曲线上所读出的乙醇含量数据。点击，新建一个工作表，执行命令，在弹出的对话窗口中输入2，在工作表中添加C列和D列，分别在A列和C列输入气相冷凝液中乙醇的含量和液相冷凝液中乙醇的含量，在B列和D列输入沸点数据，设置C列为X轴，则Origin软件默认A列和C列为X1轴和X2轴，B列和D列为Y1轴和Y2轴。选择A列和B列，右击并执行命令，对数据进行升序排列;采用同样的方法对C列和D列实验数据进行操作，然后点击按钮即可绘出气液平衡相图的点线图;双击图中曲线，在PlotDetails窗口中选择Line，选择Connect类型为B－Spline以使所绘的曲线光滑美观，并分别选择坐标轴标题和图例，在ObjectProperties窗口中进行相应的修改，绘得的图形如图3所示。

3VB软件在物化实验数据处理中的应用

物化实验的数据处理过程繁琐，采用Origin软件处理实验数据需要较高的Origin应用水平，且Origin软件不具备数据存储功能，对物化实验数据处理的针对性不强，为了更好地方便实验教学，我们利用业余时间以VB语言为开发工具，编写了一些小型的计算软件，每个软件的大致框架如图4。实验数据的录入可通过直接在软件界面上的文本框或栅格控件的单元中输入，也可在程序生成的文本文件中按照文本文件的录入格式录入，然后点击数据载入…按钮输入;点击数据处理按钮即可对实验数据进行计算和绘图，所绘图形在图片框中，计算结果主要在“计算结果”框架框中显示。软件的开发过程中主要涉及到了一元线性回归、B样条函数插值、光滑不等距插值等算法［8－10］，在绘图过程环节的设计中充分考虑了坐标轴取值范围、刻度区间、坐标轴标题的布置等问题，以使所绘图形美观协调，绘图函数主要采用line函数。图5为我们开发的“电导法测定乙酸乙酯皂化反应的速率常数”的软件截图。由VB制作的小型物化数据处理计算软件针对性强，学生操作简便，简单易学，学生在实验后只需把实验数据输入进去，即可得到实验数据处理结果，然后点击打印按钮，即可对数据处理结果进行打印。下一步我们的工作是把各小型计算软件整合成一个命名为“物理化学实验数据系统的研制”的软件，并添加数据库功能，使该软件不仅具备实验数据处理功能、还具有实验记录和实验成绩管理功能。

4结语

将计算机技术引进物化实验教学开展三年多来，不仅提高了物化实验课的教学效率，也使得学生的学习主动性得以增强，教学质量得到了明显的提高。学生课前观看实验演示视频和操作仿真软件，在此过程中，生动直观的实验演示和逼真有趣的互动操作激发了学生的学习兴趣，调动了学生的学习积极性，从而显著提高了课前实验预习效果，为物化实验的顺利进行奠定了良好的基础;通过对Origin软件在物化实验数据处理中的学习和应用，学生不仅提高了实验分析结果的准确度，而且增强了利用计算机软件处理专业问题的能力，为以后的毕业设计以及科研活动打下了良好的基础;VB制作的物化实验数据处理软件的引入，更进一步简化了物化实验数据处理的难度，也大大提高了教师管理原始实验记录和实验成绩的工作效率。