藥學(xué)專業(yè)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革研究

王樂平

摘 要:物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)是藥學(xué)專業(yè)的化學(xué)類基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課,實(shí)驗(yàn)教學(xué)組針對(duì)現(xiàn)行藥學(xué)專業(yè)的物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)課教學(xué)存在的亟待解決的問題,進(jìn)行了教學(xué)改革,包括對(duì)表面張力中附加壓力概念和實(shí)驗(yàn)方法最大氣泡法稱謂的修正,并提出了實(shí)驗(yàn)設(shè)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(jīng)過兩年的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探索,教學(xué)水平得到了很大提高。

關(guān)鍵詞:物理化學(xué)表面張力附加壓力Excel繪圖

中圖分類號(hào):G6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1674-098X(2012)05(c)-0148-01

物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)是藥學(xué)專業(yè)的化學(xué)類基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課,其教學(xué)目的不僅在于學(xué)生要掌握實(shí)驗(yàn)的操作技能,而且要學(xué)會(huì)利用計(jì)算機(jī)軟件處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),還要能利用物理化學(xué)理論和實(shí)驗(yàn)技術(shù)解決藥學(xué)方面的實(shí)際問題,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和探索精神。

現(xiàn)行藥學(xué)專業(yè)的物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)課教學(xué)存在以下三點(diǎn)亟待解決的問題,經(jīng)過兩年的物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探索,教學(xué)上取得了以下成果:

(1)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,發(fā)現(xiàn)的亟待修正的理論問題不能及時(shí)更正,未能把準(zhǔn)確知識(shí)時(shí)時(shí)傳授給學(xué)生。

針對(duì)上述問題,實(shí)驗(yàn)教學(xué)組把存在的問題總結(jié)如下:

實(shí)驗(yàn)課是理論課程的深化與提高,目前國內(nèi)部分高等院校所用物理化學(xué)[1][2][教材,關(guān)于表面張力中附加1壓力的概念,定義為彎曲液面內(nèi)外壓力差,符號(hào)ΔP。對(duì)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(xué)習(xí)這部分內(nèi)容時(shí),很容易使學(xué)生理解困難,原附加壓力概念使壓力與壓強(qiáng)兩個(gè)概念相混淆,Δp單位N.m-2,明明表明是壓強(qiáng),為求理論知2識(shí)的準(zhǔn)確性、嚴(yán)謹(jǐn)性。上述附加壓力概念應(yīng)修改為附加壓強(qiáng),由于表面張力存在,彎曲液面存在附加壓強(qiáng),由此將附加壓強(qiáng)定義為彎曲液面內(nèi)外壓強(qiáng)差,符號(hào)Δp表示。這同時(shí)也與教科書《物理學(xué)》[3]、《醫(yī)用物理學(xué)》[4]中液體表面性質(zhì)的附加壓強(qiáng)概念相統(tǒng)一。

表面張力是多相系統(tǒng)的重要界面性質(zhì),溶液表面張力測(cè)定以最大氣泡法最為常見,目前國內(nèi)各版本物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教材及開設(shè)的實(shí)驗(yàn),大多數(shù)以最大氣泡法[5][6][7][8]命名。通過對(duì)最大氣泡法的實(shí)驗(yàn)研究,筆者認(rèn)為最大氣泡法應(yīng)修改為最大泡壓法[1]。氣泡剛形成時(shí),由于表面幾乎是平的,所以曲率半徑r極大,當(dāng)氣泡形成半球形時(shí),曲率半徑等于毛細(xì)管半徑r0,此時(shí)值r最小,隨著氣泡的進(jìn)一步增大,r又趨增大,直至逸出液面。r等于r0時(shí),附加壓強(qiáng)最大:△P＝2σ÷r0。

國內(nèi)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)測(cè)液體表面張力的實(shí)驗(yàn),測(cè)的都是最小氣泡產(chǎn)生的最大附加壓強(qiáng),據(jù)此,我們可以得出最大氣泡法應(yīng)改為最大泡壓法[1]。

(2)目前,藥學(xué)專業(yè)的物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程體系仍沿用“化學(xué)模式”,都是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn),目前沒有開設(shè)聯(lián)系藥學(xué),尤其是與藥學(xué)相關(guān)的具有綜合性、設(shè)計(jì)性的研究型實(shí)驗(yàn)。

針對(duì)藥學(xué)專業(yè)開設(shè)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn),第二軍醫(yī)大學(xué)藥學(xué)專業(yè)開設(shè)的物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程體系值得學(xué)習(xí)借鑒,該校已經(jīng)開設(shè)了部分綜合設(shè)計(jì)型物理化學(xué)實(shí)驗(yàn),加強(qiáng)了與藥學(xué)專業(yè)的聯(lián)系.

(3)現(xiàn)行物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理,除了燃燒熱實(shí)驗(yàn)和鉛錫相圖繪制實(shí)驗(yàn)是直接電腦輸出時(shí)時(shí)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與繪圖,其余實(shí)驗(yàn),硫酸鏈霉素水解速率常數(shù)測(cè)定、液體飽和蒸氣壓測(cè)定、液體表面張力測(cè)定(最大泡壓法),這些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)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(jié)果的客觀性,往往出現(xiàn)同一組學(xué)生,采用同一組數(shù)據(jù)手工繪圖,得出各不相同的結(jié)果,我校物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)與時(shí)俱進(jìn),克服困難,積極落實(shí)數(shù)據(jù)處理信息化工作,提高學(xué)生科學(xué)處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)能力。

從2008級(jí)藥學(xué)專業(yè)學(xué)生開始,物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)硫酸鏈霉素水解速率常數(shù)測(cè)定、液體飽和蒸汽壓測(cè)定、液體表面張力測(cè)定開始采用Excel繪圖,把Excel繪圖的基本操作傳授給學(xué)生。

以最大泡壓法測(cè)得不同濃度乙醇溶液的表面張力為例(選取學(xué)生實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)),先繪制σ～c曲線,選擇最佳趨勢(shì)線類型,使得到的曲線與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)趨勢(shì)相吻合,并顯示其曲線方程,求得dσ/dc的微分方程,求出各個(gè)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(chuàng)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(duì)應(yīng)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(biāo)左鍵拖拽選中A列、B列數(shù)據(jù)區(qū)域,鼠標(biāo)左鍵單擊工具欄中的“圖表向?qū)А?在“圖表類型”列表中選擇“XY散點(diǎn)圖”,點(diǎn)擊“下一步”后,再分別點(diǎn)擊兩次“下一步”,點(diǎn)擊“完成,繪制出散點(diǎn)圖。

②鼠標(biāo)放在任一散點(diǎn)上,點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵,選擇“添加趨勢(shì)線”命令,出現(xiàn)“添加趨勢(shì)線”對(duì)話框。在對(duì)話框中選取“類型”標(biāo)簽,選擇回歸分析類型為“多項(xiàng)式”;“階數(shù)”設(shè)置為2,在“選項(xiàng)”標(biāo)簽中選擇“顯示公式”與“顯示R平方值”選項(xiàng).從擬合的趨勢(shì)線與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)的重合程度及相關(guān)系數(shù)R2值,可確定采用多項(xiàng)式二階曲線擬合能得到最好的結(jié)果。擬合曲線方程為:y=1×10-9 x2 -10-5x+0.0675,求該方程一階導(dǎo)數(shù),得其切線方程為:dσ/dc=1×10-9×2×c-10-5,把相應(yīng)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(chuàng)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(duì)應(yīng)的表面吸附量Γ值。繪制出散點(diǎn)圖后,按照實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)趨勢(shì),選擇“多項(xiàng)式”擬合,“階數(shù)”設(shè)置為2 。

總上所述,經(jīng)過兩年的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革,教學(xué)水平得到了很大提高,今后要加強(qiáng)與國內(nèi)教師交流,更加體現(xiàn)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)做為專業(yè)課程的橋梁紐帶作用。

參考文獻(xiàn)

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

[2] 清華大學(xué)化學(xué)系物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)編寫組.物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)[M].北京:清華大學(xué)出版社,1991:287.

[3] 劉云珍,陳順玉.用Microsoft Excel軟件處理物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).福建師范大學(xué)福清分校學(xué)報(bào)[J],2011(2):20～26.