物理化學實驗室建設模式的探索與實踐論文

　　物理化學實驗是基礎化學實驗的重要組成部分，在培養(yǎng)學生的綜合實驗能力、獨立工作能力以及實事求是、嚴肅認真的科學精神等方面有重要作用，是實施創(chuàng)新教育和培養(yǎng)創(chuàng)新人才的重要環(huán)節(jié)2011年教育部頒布了《化學類專業(yè)指導性專業(yè)規(guī)范》，實驗教學部分對基本實驗教學方式、實驗儀器、實驗室條件及實驗環(huán)境等都提出了具體的要求，指出實驗教學改革包括實驗教學體系、內(nèi)容和方法的改革，實驗條件的建設，實驗室管理體制的改革，以及實驗室的開放和實驗教學中心的建設等。因此，實驗室建設與管理是實驗教學水平和改革的重要指標。為適應教育部對實驗教學的要求和創(chuàng)新人才培養(yǎng)的需要，重慶大學在物理化學實驗室的建設方面進行了研究、探索與實踐，提出了模塊化、綠色化和同步化的理念，并在實踐中取得了良好效果。本文就物理化學實驗室建設模式的改進情況，淺談幾點經(jīng)驗。

　　1.實驗儀器的模塊化

　　物理化學實驗與其他基礎化學實驗顯著不同的是所使用的儀器設備較多。儀器設備是物理化學實驗室的重要組成部分，是反映實驗室水平和實驗室實力的重要標志，是實驗教學的物質(zhì)基礎和學科發(fā)展的必備條件。因此建設高效運行和方便組裝的儀器設備，是確保物理化學實驗教學順利進行的有力保障。結合國內(nèi)重點髙校的先進管理和我院物理化學實驗教學積累的豐富經(jīng)驗，首先提出了物理化學實驗室的儀器設備模塊化建設方案，并進行了相應的實踐。在儀器采購中，減少套裝儀器的購買，而是通過購買一些必要的測試模塊如電動勢測試模塊、微壓差測試模塊和數(shù)字溫度測試模塊等，然后自行設計、搭建和組裝不同的實驗裝置，不同儀器模塊可靈活組裝成適用于不同實驗項目的裝置。在實驗項目和儀器布局上，針對模塊化進行調(diào)整。例如其中一間實驗室中設置了電動勢測試模塊、壓差模塊以及超級恒溫模塊，通過簡單調(diào)整組合，可開設“電動勢法測溶液的pH”“甲酸氧化動力學研究”“飽和蒸氣壓測定”和“最大氣泡法測定表面張力”等實驗。主要模塊以及對應實驗如表1所示。

　　儀器模塊化的突出特色主要體現(xiàn)在以下方面:首先，在教學過程中，模塊化可以強化學生對儀器的原理以及功能的掌握，提升教學中學生的參與程度。學生對儀器的理解也不僅僅是完成實驗所需要的工具，還需要更多關注實驗及儀器運行的原理，從而提高實驗教學效果。相對普通的實驗教學，儀器模塊化對儀器原理理解更深人，對儀器的掌握更系統(tǒng)，在培養(yǎng)學生的動手能力的同時，對學生的基本實驗技能和實驗素質(zhì)提高更為明顯。另外，強化原理的教學對培養(yǎng)學生的基本科研素質(zhì)和創(chuàng)新意識都有顯著作用，讓學生在面對新問題、新體系時能夠迅速抓住核心問題設計方案進行研究。例如，電動勢測定pH實驗的原理是把需要測量的化合物濃度設計成電極反應，通過電動勢測定來計算物質(zhì)濃度。電勢測定需要用到電動勢測定模塊，而對于溫度的控制與否，學生可以選擇采用恒溫模塊方案或者是采用溫度系數(shù)校正電極電位的方法來處理。通過2種方法的誤差分析和比較，對實驗的原理有更深人的理解。在熟練掌握電動勢模塊的應用以及電勢法測定濃度基礎上，學生對同類型的其他實驗可以很容掌握，比如在甲酸氧化動力學、BZ震蕩中，學生能更清晰地剖析拆分原理，把實驗分成3個部分：化學反應、電極和電勢測定，直接利用電勢測定模塊的連續(xù)測定功能去做相應的濃度測量而不用再學一遍電動勢的測試方法。其次，在部分模塊損壞或者更新時可以只需要修理和升級所需模塊，節(jié)約采購及維護資金。再次，儀器的模塊化對實驗室管理提出了更高的要求，有利于提高實驗室教師的維護和教學水平，在儀器出現(xiàn)故障的時候，可以用很短的時間和很低的成本將儀器修理好投人到實驗

　　教學中，為實驗室新儀器的開發(fā)提供了良好的技術儲備。最后，實驗裝置由物理學的光電磁控制模塊、化學反應器模塊和數(shù)據(jù)處理模塊等靈活組合，一機多用，有利于開發(fā)新實驗項目，提高儀器利用率。

　　2.實驗室的綠色化

　　實驗室污染是物理化學實驗的重要問題。在現(xiàn)有的物理化學實驗教學中，較大一部分實驗需要接觸到汞、苯、鉛等有毒試劑，開展物理化學實驗的綠色化探索與實踐不僅對實驗教學具有重要的現(xiàn)實意義，而且對物理化學學科發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義[卜9]。因此，對物理化學實驗的綠色化建設勢在必行。在物理化學實驗室建設過程中，通過技術手段以及管理模式2個層面的創(chuàng)新對測試技術、研究體系和“三廢”處置方法進行改進，減少有毒有害源，實現(xiàn)物理化學實驗室的綠色化。

　　2.1測試技術的綠色化

　　表2列出物理化學實驗綠色化測試技術。物理化學實驗室傳統(tǒng)的測溫、測壓儀器常使用大量含汞的儀器，比如在“燃燒熱的測定”實驗中使用的貝克曼溫度計汞含量大，操作繁瑣，容易損壞，存在重大安全隱患；在“飽和蒸氣壓的測定”實驗中使用的U型管水銀壓力計中的汞容易揮發(fā)，也存在安全隱患。改進的方法是將水銀溫度計改成數(shù)字式傳感溫度計，將水銀壓力計改成數(shù)字式低真空測壓儀（壓差測試模塊）。而在大部分物理化學實驗中需要精確恒溫（超恒溫模塊），采用的測量和控制溫度的技術手段均為數(shù)字式傳感溫度測量技術。

　　2.2實驗體系的綠色化

　　很多傳統(tǒng)的物理化學實驗研究體系也是實驗室的有毒有害源。在“燃燒熱的測定”實驗中以前使用的待測物是萘，由于萘巳經(jīng)被重新劃歸為人類潛在致癌物，有致癌風險，現(xiàn)將該實驗改成了蔗糖的燃燒熱測定。在“二元合金相圖”實驗中金屬樣在高溫熔融條件下易揮發(fā)，對學生健康存在隱患，現(xiàn)采用真空密封技術封裝樣品管，防止有害金屬揮發(fā)，消除隱患。在“雙液系相圖測定”實驗中，以前使用的是苯-乙醇體系，由于苯的揮發(fā)性強、毒性大，嚴重影響實驗室環(huán)境條件，現(xiàn)改為環(huán)己烷-乙醇體系，并配備良好的排氣設備，改善了實驗環(huán)境，實現(xiàn)了實驗室的無害化。

　　2.3“三廢”的無害化處理

　　物理化學實驗的另一個突出特點是實驗中藥品和試劑種類、用量較少，但實驗室產(chǎn)生的“三廢”不容忽視。所有實驗室統(tǒng)一配套通風排氣設備，能收集處理后排放廢氣。實驗室內(nèi)配有耐酸堿、帶密封蓋的廢液回收桶，分類收集實驗產(chǎn)生的廢液后交與實驗管理部門統(tǒng)一處理。對于固體廢棄物，也設置了暫儲存區(qū)分類放置，收集后也交與實驗管理部門統(tǒng)一處置。物理化學實驗室還一直堅持廢料和溶劑回收工作，實現(xiàn)回收液、固體試劑重復利用，即能避免試劑的直接排放，又能節(jié)省開支。例如在雙液系的氣-液平衡相圖測定實驗中產(chǎn)生大量的環(huán)己焼-乙醇廢液，我們以水為萃取劑，萃取分離乙醇和環(huán)己烷，得到乙醇水溶液和粗環(huán)己烷，乙醇水溶液經(jīng)過分餾、CaO脫水后得到無水乙醇，粗環(huán)己烷經(jīng)精餾提純，得到純品環(huán)己烷；再比如在差熱分析實驗中使用過的硫酸銅，經(jīng)溶解、重結晶后可得到純五水硫酸銅，而使用過的氧化鋁放置于干燥器中供下次實驗使用，可省去烘焙過程。另外，粗乙醇會用于有機公共實驗中工業(yè)乙醇的精制的實驗項目中，硫酸銅會用于大學化學實驗的硫酸銅重結晶和顯微鏡觀測的實驗項目中。

　　3.教學革新與硬件建設同步化進行

　　實驗儀器設備是物理化學實驗室的物質(zhì)基礎，但管理及教學革新同樣重要。為了更好地發(fā)揮新設備儀器的作用，提高教學效果，同步進行了實驗教學體系、管理方式和教學內(nèi)容的革新、創(chuàng)新和更新。

　　3.1物理化學實驗教學體系的革新

　　將原來依附于理論課教學的實驗課程變革為獨立設課的教學新體系，即把原來分散的物理化學課加實驗集成為獨立的基礎化學實驗課程，強化了物理化學知識、實驗技能和設計創(chuàng)新的連續(xù)性、關聯(lián)性和開創(chuàng)性。根據(jù)實驗技能培養(yǎng)的規(guī)律，對實驗內(nèi)容進行整合，建立了基礎實驗一綜合實驗一研究性實驗三層次連貫、系統(tǒng)一體化的實驗教學新體系。3.2實驗教學管理方式的創(chuàng)新

　　實驗教學人員從實驗室管理、實驗儀器管理、準備實驗、指導實驗“一攬子”負責，責任“一桿子”到底。這樣切身參與到實驗教學的各個環(huán)節(jié)中，有利于提高專職實驗教學人員的實驗教學能力和水平，同時也避免了實驗教學的各個環(huán)節(jié)過程協(xié)調(diào)中的“扯皮”現(xiàn)象，確保新進儀器的高效運行。

　　3.3實驗教學內(nèi)容的研究

　　通過對新進部分儀器的功能進行拓展，設計的實驗內(nèi)容盡可能體現(xiàn)先進性、實用性、趣味性，減少了驗證性實驗，增加設計性、綜合性和研究性實驗，基本形成了基礎一綜合一研究的實驗教學新體系。例如，在氧彈量熱實驗中，設計了學生食堂早餐油條熱量的測定內(nèi)容，這具有趣味性，從而激發(fā)學生的學習熱情。同時為了實現(xiàn)實驗內(nèi)容的先進性，物理化學實驗教研室人員在完成實驗室工作的同時，積極參與科學研究，了解學科的前沿和進展，不斷提高學術水平，掌握現(xiàn)代實驗理論與方法，并結合我校專業(yè)的需要，將科研成果融人實驗內(nèi)容，充分體現(xiàn)我校物理化學實驗教學的特色。例如，將金屬管道腐蝕的研究與物理化學實驗結合，用于學生的課外提高型實驗，訓練學生的科研素養(yǎng)。

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