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物理化學(xué)實驗室建設(shè)模式的探索與實踐論文
物理化學(xué)實驗是基礎(chǔ)化學(xué)實驗的重要組成部分，在培養(yǎng)學(xué)生的綜合實驗?zāi)芰�、獨立工作能力以及實事求是、�?yán)肅認(rèn)真的科學(xué)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(xué)類專業(yè)指導(dǎo)性專業(yè)規(guī)范》，實驗教學(xué)部分對基本實驗教學(xué)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(xué)改革包括實驗教學(xué)體系、內(nèi)容和方法的改革，實驗條件的建設(shè)，實驗室管理體制的改革，以及實驗室的開放和實驗教學(xué)中心的建設(shè)等。因此，實驗室建設(shè)與管理是實驗教學(xué)水平和改革的重要指標(biāo)。為適應(yīng)教育部對實驗教學(xué)的要求和創(chuàng)新人才培養(yǎng)的需要，重慶大學(xué)在物理化學(xué)實驗室的建設(shè)方面進(jìn)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(xué)實驗室建設(shè)模式的改進(jìn)情況，淺談幾點經(jīng)驗。
1.實驗儀器的模塊化
物理化學(xué)實驗與其他基礎(chǔ)化學(xué)實驗顯著不同的是所使用的儀器設(shè)備較多。儀器設(shè)備是物理化學(xué)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(biāo)志，是實驗教學(xué)的物質(zhì)基礎(chǔ)和學(xué)科發(fā)展的必備條件。因此建設(shè)高效運行和方便組裝的儀器設(shè)備，是確保物理化學(xué)實驗教學(xué)順利進(jìn)行的有力保障。結(jié)合國內(nèi)重點髙校的先進(jìn)管理和我院物理化學(xué)實驗教學(xué)積累的豐富經(jīng)驗，首先提出了物理化學(xué)實驗室的儀器設(shè)備模塊化建設(shè)方案，并進(jìn)行了相應(yīng)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(shè)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(jìn)行調(diào)整。例如其中一間實驗室中設(shè)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(shè)“電動勢法測溶液的pH”“甲酸氧化動力學(xué)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(yīng)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(xué)過程中，模塊化可以強化學(xué)生對儀器的原理以及功能的掌握，提升教學(xué)中學(xué)生的參與程度。學(xué)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(guān)注實驗及儀器運行的原理，從而提高實驗教學(xué)效果。相對普通的實驗教學(xué)，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(xué)生的動手能力的同時，對學(xué)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(xué)對培養(yǎng)學(xué)生的基本科研素質(zhì)和創(chuàng)新意識都有顯著作用，讓學(xué)生在面對新問題、新體系時能夠迅速抓住核心問題設(shè)計方案進(jìn)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(shè)計成電極反應(yīng)，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(xué)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(yīng)用以及電勢法測定濃度基礎(chǔ)上，學(xué)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(xué)、BZ震蕩中，學(xué)生能更清晰地剖析拆分原理，把實驗分成3個部分：化學(xué)反應(yīng)、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(yīng)的濃度測量而不用再學(xué)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(hù)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(hù)和教學(xué)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(xué)中，為實驗室新儀器的開發(fā)提供了良好的技術(shù)儲備。最后，實驗裝置由物理學(xué)的光電磁控制模塊、化學(xué)反應(yīng)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(xué)實驗的重要問題。在現(xiàn)有的物理化學(xué)實驗教學(xué)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(xué)實驗的綠色化探索與實踐不僅對實驗教學(xué)具有重要的現(xiàn)實意義，而且對物理化學(xué)學(xué)科發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義[卜9]。因此，對物理化學(xué)實驗的綠色化建設(shè)勢在必行。在物理化學(xué)實驗室建設(shè)過程中，通過技術(shù)手段以及管理模式2個層面的創(chuàng)新對測試技術(shù)、研究體系和“三廢”處置方法進(jìn)行改進(jìn)，減少有毒有害源，實現(xiàn)物理化學(xué)實驗室的綠色化。
2.1測試技術(shù)的綠色化
表2列出物理化學(xué)實驗綠色化測試技術(shù)。物理化學(xué)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(jìn)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(xué)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(shù)手段均為數(shù)字式傳感溫度測量技術(shù)。
2.2實驗體系的綠色化
很多傳統(tǒng)的物理化學(xué)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(fēng)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(xué)生健康存在隱患，現(xiàn)采用真空密封技術(shù)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(yán)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(shè)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(xué)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(fēng)排氣設(shè)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(shè)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(xué)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(fù)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(jié)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(xué)化學(xué)實驗的硫酸銅重結(jié)晶和顯微鏡觀測的實驗項目中。
3.教學(xué)革新與硬件建設(shè)同步化進(jìn)行
實驗儀器設(shè)備是物理化學(xué)實驗室的物質(zhì)基礎(chǔ)，但管理及教學(xué)革新同樣重要。為了更好地發(fā)揮新設(shè)備儀器的作用，提高教學(xué)效果，同步進(jìn)行了實驗教學(xué)體系、管理方式和教學(xué)內(nèi)容的革新、創(chuàng)新和更新。
3.1物理化學(xué)實驗教學(xué)體系的革新
將原來依附于理論課教學(xué)的實驗課程變革為獨立設(shè)課的教學(xué)新體系，即把原來分散的物理化學(xué)課加實驗集成為獨立的基礎(chǔ)化學(xué)實驗課程，強化了物理化學(xué)知識、實驗技能和設(shè)計創(chuàng)新的連續(xù)性、關(guān)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(jìn)行整合，建立了基礎(chǔ)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(xué)新體系。3.2實驗教學(xué)管理方式的創(chuàng)新
實驗教學(xué)人員從實驗室管理、實驗儀器管理、準(zhǔn)備實驗、指導(dǎo)實驗“一攬子”負(fù)責(zé)，責(zé)任“一桿子”到底。這樣切身參與到實驗教學(xué)的各個環(huán)節(jié)中，有利于提高專職實驗教學(xué)人員的實驗教學(xué)能力和水平，同時也避免了實驗教學(xué)的各個環(huán)節(jié)過程協(xié)調(diào)中的“扯皮”現(xiàn)象，確保新進(jìn)儀器的高效運行。
3.3實驗教學(xué)內(nèi)容的研究
通過對新進(jìn)部分儀器的功能進(jìn)行拓展，設(shè)計的實驗內(nèi)容盡可能體現(xiàn)先進(jìn)性、實用性、趣味性，減少了驗證性實驗，增加設(shè)計性、綜合性和研究性實驗，基本形成了基礎(chǔ)一綜合一研究的實驗教學(xué)新體系。例如，在氧彈量熱實驗中，設(shè)計了學(xué)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(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。同時為了實現(xiàn)實驗內(nèi)容的先進(jìn)性，物理化學(xué)實驗教研室人員在完成實驗室工作的同時，積極參與科學(xué)研究，了解學(xué)科的前沿和進(jìn)展，不斷提高學(xué)術(shù)水平，掌握現(xiàn)代實驗理論與方法，并結(jié)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(xué)實驗教學(xué)的特色。例如，將金屬管道腐蝕的研究與物理化學(xué)實驗結(jié)合，用于學(xué)生的課外提高型實驗，訓(xùn)練學(xué)生的科研素養(yǎng)。
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