藥學專業物理化學實驗教學改革研究

王樂平

摘 要:物理化學實驗是藥學專業的化學類基礎實驗課,實驗教學組針對現行藥學專業的物理化學實驗課教學存在的亟待解決的問題,進行了教學改革,包括對表面張力中附加壓力概念和實驗方法最大氣泡法稱謂的修正,并提出了實驗設置的改革的必要性,以及開展Excel繪圖取代手工繪圖的必要性。經過兩年的實驗教學改革探索,教學水平得到了很大提高。

關鍵詞:物理化學表面張力附加壓力Excel繪圖

中圖分類號:G6 文獻標識碼:A 文章編號:1674-098X(2012)05(c)-0148-01

物理化學實驗是藥學專業的化學類基礎實驗課,其教學目的不僅在于學生要掌握實驗的操作技能,而且要學會利用計算機軟件處理實驗數據,還要能利用物理化學理論和實驗技術解決藥學方面的實際問題,培養學生的創新能力和探索精神。

現行藥學專業的物理化學實驗課教學存在以下三點亟待解決的問題,經過兩年的物理化學實驗教學改革探索,教學上取得了以下成果:

(1)在實驗教學中,發現的亟待修正的理論問題不能及時更正,未能把準確知識時時傳授給學生。

針對上述問題,實驗教學組把存在的問題總結如下:

實驗課是理論課程的深化與提高,目前國內部分高等院校所用物理化學[1][2][教材,關于表面張力中附加1壓力的概念,定義為彎曲液面內外壓力差,符號ΔP。對于曲率半徑為r的球形彎曲液面,附加壓力Δp＝2σ/r,單位N.m-2。在學習這部分內容時,很容易使學生理解困難,原附加壓力概念使壓力與壓強兩個概念相混淆,Δp單位N.m-2,明明表明是壓強,為求理論知2識的準確性、嚴謹性。上述附加壓力概念應修改為附加壓強,由于表面張力存在,彎曲液面存在附加壓強,由此將附加壓強定義為彎曲液面內外壓強差,符號Δp表示。這同時也與教科書《物理學》[3]、《醫用物理學》[4]中液體表面性質的附加壓強概念相統一。

表面張力是多相系統的重要界面性質,溶液表面張力測定以最大氣泡法最為常見,目前國內各版本物理化學實驗教材及開設的實驗,大多數以最大氣泡法[5][6][7][8]命名。通過對最大氣泡法的實驗研究,筆者認為最大氣泡法應修改為最大泡壓法[1]。氣泡剛形成時,由于表面幾乎是平的,所以曲率半徑r極大,當氣泡形成半球形時,曲率半徑等于毛細管半徑r0,此時值r最小,隨著氣泡的進一步增大,r又趨增大,直至逸出液面。r等于r0時,附加壓強最大:△P＝2σ÷r0。

國內物理化學實驗測液體表面張力的實驗,測的都是最小氣泡產生的最大附加壓強,據此,我們可以得出最大氣泡法應改為最大泡壓法[1]。

(2)目前,藥學專業的物理化學實驗課程體系仍沿用“化學模式”,都是驗證性實驗,目前沒有開設聯系藥學,尤其是與藥學相關的具有綜合性、設計性的研究型實驗。

針對藥學專業開設物理化學實驗,第二軍醫大學藥學專業開設的物理化學實驗課程體系值得學習借鑒,該校已經開設了部分綜合設計型物理化學實驗,加強了與藥學專業的聯系.

(3)現行物理實驗數據的處理,除了燃燒熱實驗和鉛錫相圖繪制實驗是直接電腦輸出時時實驗數據與繪圖,其余實驗,硫酸鏈霉素水解速率常數測定、液體飽和蒸氣壓測定、液體表面張力測定(最大泡壓法),這些實驗數據處理,都采用手工繪圖處理。不可避免地引入人為誤差,影響結果的客觀性,往往出現同一組學生,采用同一組數據手工繪圖,得出各不相同的結果,我校物理化學實驗教學應與時俱進,克服困難,積極落實數據處理信息化工作,提高學生科學處理實驗數據能力。

從2008級藥學專業學生開始,物理化學實驗硫酸鏈霉素水解速率常數測定、液體飽和蒸汽壓測定、液體表面張力測定開始采用Excel繪圖,把Excel繪圖的基本操作傳授給學生。

以最大泡壓法測得不同濃度乙醇溶液的表面張力為例(選取學生實驗數據),先繪制σ～c曲線,選擇最佳趨勢線類型,使得到的曲線與實驗數據趨勢相吻合,并顯示其曲線方程,求得dσ/dc的微分方程,求出各個濃度乙醇溶液的dσ/dc值,再把dσ/dc值代入吉布斯吸附公式可求出其表面吸附量值Γ。

下面將具體介紹其操作過程:

打開Excel軟件,創建工作表,在工作表的A列輸入系列濃度c值,單位mol·m-3.在B列輸入與濃度相對應的表面張力s值,單位N·m-1,如表1。

σ-c曲線的繪制:

①在Excel窗口中,單擊鼠標左鍵拖拽選中A列、B列數據區域,鼠標左鍵單擊工具欄中的“圖表向導”,在“圖表類型”列表中選擇“XY散點圖”,點擊“下一步”后,再分別點擊兩次“下一步”,點擊“完成,繪制出散點圖。

②鼠標放在任一散點上,點擊鼠標右鍵,選擇“添加趨勢線”命令,出現“添加趨勢線”對話框。在對話框中選取“類型”標簽,選擇回歸分析類型為“多項式”;“階數”設置為2,在“選項”標簽中選擇“顯示公式”與“顯示R平方值”選項.從擬合的趨勢線與實驗數據點的重合程度及相關系數R2值,可確定采用多項式二階曲線擬合能得到最好的結果。擬合曲線方程為:y=1×10-9 x2 -10-5x+0.0675,求該方程一階導數,得其切線方程為:dσ/dc=1×10-9×2×c-10-5,把相應的濃度c值代入該切線方程,可求出各種濃度乙醇溶液的dσ/dc值,再把dσ/dc值代入吉布斯吸附公式可求出其表面吸附量值Γ,單位mol·m-2,如表2。

如上述方法,創建新工作表,在工作表的A列輸入系列濃度c值,在B列輸入與濃度相對應的表面吸附量Γ值。繪制出散點圖后,按照實驗數據趨勢,選擇“多項式”擬合,“階數”設置為2 。

總上所述,經過兩年的實驗教學改革,教學水平得到了很大提高,今后要加強與國內教師交流,更加體現物理化學實驗做為專業課程的橋梁紐帶作用。

參考文獻

[1] 侯新樸.物理化學.第六版[M].北京:人民衛生出版社,2007:259～261.

[2] 清華大學化學系物理化學實驗編寫組.物理化學實驗[M].北京:清華大學出版社,1991:287.

[3] 劉云珍,陳順玉.用Microsoft Excel軟件處理物理化學實驗數據.福建師范大學福清分校學報[J],2011(2):20～26.