物理化学实验室建设模式的探索与实践论文

物理化学实验室建设模式的探索与实践论文物理化学实验是基础化学实验的重要组成部分，在培养学生的综合实验能力、独立工作能力以及实事求是、严肃认真的科学精神等方面有重要作用，是实施创新教育和培养创新人才的重要环节2011年教育部颁布了《化学类专业指导性专业规范》，实验教学部分对基本实验教学方式、实验仪器、实验室条件及实验环境等都提出了具体的要求，指出实验教学改革包括实验教学体系、内容和方法的改革，实验条件的建设，实验室管理体制的改革，以及实验室的开放和实验教学中心的建设等。因此，实验室建设与管理是实验教学水平和改革的重要指标。为适应教育部对实验教学的要求和创新人才培养的需要，重庆大学在物理化学实验室的建设方面进行了研究、探索与实践，提出了模块化、绿色化和同步化的理念，并在实践中取得了良好效果。本文就物理化学实验室建设模式的改进情况，浅谈几点经验。1.实验仪器的模块化物理化学实验与其他基础化学实验显著不同的是所使用的仪器设备较多。仪器设备是物理化学实验室的重要组成部分，是反映实验室水平和实验室实力的重要标志，是实验教学的物质基础和学科发展的必备条件。因此建设高效运行和方便组装的仪器设备，是确保物理化学实验教学顺利进行的有力保障。结合国内重点髙校的先进管理和我院物理化学实验教学积累的丰富经验，首先提出了物理化学实验室的仪器设备模块化建设方案，并进行了相应的实践。在仪器采购中，减少套装仪器的购买，而是通过购买一些必要的测试模块如电动势测试模块、微压差测试模块和数字温度测试模块等，然后自行设计、搭建和组装不同的实验装置，不同仪器模块可灵活组装成适用于不同实验项目的装置。在实验项目和仪器布局上，针对模块化进行调整。例如其中一间实验室中设置了电动势测试模块、压差模块以及超级恒温模块，通过简单调整组合，可开设“电动势法测溶液的pH”“甲酸氧化动力学研究”“饱和蒸气压测定”和“最大气泡法测定表面张力”等实验。主要模块以及对应实验如表1所示。仪器模块化的突出特色主要体现在以下方面:首先，在教学过程中，模块化可以强化学生对仪器的原理以及功能的掌握，提升教学中学生的参与程度。学生对仪器的理解也不仅仅是完成实验所需要的工具，还需要更多关注实验及仪器运行的原理，从而提高实验教学效果。相对普通的实验教学，仪器模块化对仪器原理理解更深人，对仪器的掌握更系统，在培养学生的动手能力的同时，对学生的基本实验技能和实验素质提高更为明显。另外，强化原理的教学对培养学生的基本科研素质和创新意识都有显著作用，让学生在面对新问题、新体系时能够迅速抓住核心问题设计方案进行研究。例如，电动势测定pH实验的原理是把需要测量的化合物浓度设计成电极反应，通过电动势测定来计算物质浓度。电势测定需要用到电动势测定模块，而对于温度的控制与否，学生可以选择采用恒温模块方案或者是采用温度系数校正电极电位的方法来处理。通过2种方法的误差分析和比较，对实验的原理有更深人的理解。在熟练掌握电动势模块的应用以及电势法测定浓度基础上，学生对同类型的其他实验可以很容掌握，比如在甲酸氧化动力学、BZ震荡中，学生能更清晰地剖析拆分原理，把实验分成3个部分：化学反应、电极和电势测定，直接利用电势测定模块的连续测定功能去做相应的浓度测量而不用再学一遍电动势的测试方法。其次，在部分模块损坏或者更新时可以只需要修理和升级所需模块，节约采购及维护资金。再次，仪器的模块化对实验室管理提出了更高的要求，有利于提高实验室教师的维护和教学水平，在仪器出现故障的时候，可以用很短的时间和很低的成本将仪器修理好投人到实验教学中，为实验室新仪器的开发提供了良好的技术储备。最后，实验装置由物理学的光电磁控制模块、化学反应器模块和数据处理模块等灵活组合，一机多用，有利于开发新实验项目，提高仪器利用率。2.实验室的绿色化实验室污染是物理化学实验的重要问题。在现有的物理化学实验教学中，较大一部分实验需要接触到汞、苯、铅等有毒试剂，开展物理化学实验的绿色化探索与实践不仅对实验教学具有重要的现实意义，而且对物理化学学科发展具有重要的战略意义[卜9]。因此，对物理化学实验的绿色化建设势在必行。在物理化学实验室建设过程中，通过技术手段以及管理模式2个层面的创新对测试技术、研究体系和“三废”处置方法进行改进，减少有毒有害源，实现物理化学实验室的绿色化。2.1测试技术的`绿色化表2列出物理化学实验绿色化测试技术。物理化学实验室传统的测温、测压仪器常使用大量含汞的仪器，比如在“燃烧热的测定”实验中使用的贝克曼温度计汞含量大，操作繁琐，容易损坏，存在重大安全隐患；在“饱和蒸气压的测定”实验中使用的U型管水银压力计中的汞容易挥发，也存在安全隐患。改进的方法是将水银温度计改成数字式传感温度计，将水银压力计改成数字式低真空测压仪（压差测试模块）。而在大部分物理化学实验中需要精确恒温（超恒温模块），采用的测量和控制温度的技术手段均为数字式传感温度测量技术。2.2实验体系的绿色化很多传统的物理化学实验研究体系也是实验室的有毒有害源。在“燃烧热的测定”实验中以前使用的待测物是萘，由于萘巳经被重新划归为人类潜在致癌物，有致癌风险，现将该实验改成了蔗糖的燃烧热测定。在“二元合金相图”实验中金属样在高温熔融条件下易挥发，对学生健康存在隐患，现采用真空密封技术封装样品管，防止有害金属挥发，消除隐患。在“双液系相图测定”实验中，以前使用的是苯-乙醇体系，由于苯的挥发性强、毒性大，严重影响实验室环境条件，现改为环己烷-乙醇体系，并配备良好的排气设备，改善了实验环境，实现了实验室的无害化。2.3“三废”的无害化处理物理化学实验的另一个突出特点是实验中药品和试剂种类、用量较少，但实验室产生的“三废”不容忽视。所有实验室统一配套通风排气设备，能收集处理后排放废气。实验室内配有耐酸碱、带密封盖的废液回收桶，分类收集实验产生的废液后交与实验管理部门统一处理。对于固体废弃物，也设置了暂储存区分类放置，收集后也交与实验管理部门统一处置。物理化学实验室还一直坚持废料和溶剂回收工作，实现回收液、固体试剂重复利用，即能避免试剂的直接排放，又能节省开支。例如在双液系的气-液平衡相图测定实验中产生大量的环己焼-乙醇废液，我们以水为萃取剂，萃取分离乙醇和环己烷，得到乙醇水溶液和粗环己烷，乙醇水溶液经过分馏、CaO脱水后得到无水乙醇，粗环己烷经精馏提纯，得到纯品环己烷；再比如在差热分析实验中使用过的硫酸铜，经溶解、重结晶后可得到纯五水硫酸铜，而使用过的氧化铝放置于干燥器中供下次实验使用，可省去烘焙过程。另外，粗乙醇会用于有机公共实验中工业乙醇的精制的实验项目中，硫酸铜会用于大学化学实验的硫酸铜重结晶和显微镜观测的实验项目中。3.教学革新与硬件建设同步化进行实验仪器设备是物理化学实验室的物质基础，但管理及教学革新同样重要。为了更好地发挥新设备仪器的作用，提高教学效果，同步进行了实验教学体系、管理方式和教学内容的革新、创新和更新。3.1物理化学实验教学体系的革新将原来依附于理论课教学的实验课程变革为独立设课的教学新体系，即把原来分散的物理化学课加实验集成为独立的基础化学实验课程，强化了物理化学知识、实验技能和设计创新的连续性、关联性和开创性。根据实验技能培养的规律，对实验内容进行整合，建立了基础实验一综合实验一研究性实验三层次连贯、系统一体化的实验教学新体系。3.2实验教学管理方式的创新实验教学人员从实验室管理、实验仪器管理、准备实验、指导实验“一揽子”负责，责任“一杆子”到底。这样切身参与到实验教学的各个环节中，有利于提高专职实验教学人员的实验教学能力和水平，同时也避免了实验教学的各个环节过程协调中的“扯皮”现象，确保新进仪器的高效运行。3.3实验教学内容的研究通过对新进部分仪器的功能进行拓展，设计的实验内容尽可能体现先进性、实用性、趣味性，减少了验证性实验，增加设计性、综合性和研究性实验，基本形成了基础一综合一研究的实验教学新体系。例如，在氧弹量热实验中，设计了学生食堂早餐油条热量的测定内容，这具有趣味性，从而激发学生的学习热情。同时为了实现实验内容的先进性，物理化学实验教研室人员在完成实验室工作的同时，积极参与科学研究，了解学科的前沿和进展，不断提高学术水平，掌握现代实验理论与方法，并结合我校专业的需要，将科研成果融人实验内容，充分体现我校物理化学实验教学的特色。例如，将金属管道腐蚀的研究与物理化学实验结合，用于学生的课外提高型实验，训练学生的科研素养。