物理化學(xué)基礎(chǔ)教學(xué)實(shí)驗(yàn)室的管理與建設(shè)

張國艷, 朱萬春

(吉林大學(xué) 化學(xué)學(xué)院, 吉林 長春 130012)

物理化學(xué)基礎(chǔ)教學(xué)實(shí)驗(yàn)室的管理與建設(shè)

張國艷, 朱萬春

(吉林大學(xué) 化學(xué)學(xué)院, 吉林 長春 130012)

高校物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的管理和建設(shè)應(yīng)該基于物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)本身的特點(diǎn),從教學(xué)大綱和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目卡的制定、儀器的購置和使用、儀器的自制與改造,以及實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)建設(shè)等幾個(gè)方面進(jìn)行。結(jié)合吉林大學(xué)化學(xué)學(xué)院物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)室多年的管理和建設(shè)經(jīng)驗(yàn),對(duì)高等學(xué)校物理化學(xué)基礎(chǔ)教學(xué)實(shí)驗(yàn)室的管理和建設(shè)提出了幾點(diǎn)建議。

物理化學(xué)； 基礎(chǔ)教學(xué)； 管理和建設(shè)

物理化學(xué)是高等學(xué)校化學(xué)化工類專業(yè)和一部分非化學(xué)化工專業(yè)學(xué)生的一門基礎(chǔ)課,其實(shí)驗(yàn)方法主要利用物理學(xué)的方法,如光、電、磁等相關(guān)知識(shí)制作的儀器來反映化學(xué)變化相關(guān)的規(guī)律,因此物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)是物理化學(xué)理論課程教學(xué)的重要組成部分,同時(shí)又具有不同于無機(jī)、分析和有機(jī)3門化學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程的特點(diǎn)。針對(duì)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn),如何進(jìn)行有效的物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的管理和建設(shè)是擺在高等學(xué)校化學(xué)教育工作者面前的一個(gè)重要課題[1-4]。

1 物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)獨(dú)立授課的意義

物理化學(xué)是一門理論性比較強(qiáng)的課程,但其基本理論及諸多研究成果都是建立在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上的,因此物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)作為一門獨(dú)立授課的課程具有重要的意義[5-6]。首先,學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)課的學(xué)習(xí)可以還原理論的具體過程,建立感性認(rèn)識(shí)、檢驗(yàn)理論的正確與否、夯實(shí)基礎(chǔ)知識(shí),這屬于實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目類型中的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。其次,學(xué)生通過綜合性實(shí)驗(yàn)的鍛煉,可以獲得較為全面的實(shí)驗(yàn)技能、加深對(duì)理論的理解,能夠用所學(xué)到的理論知識(shí)分析數(shù)據(jù)和討論實(shí)驗(yàn)結(jié)果,做到融會(huì)貫通。這2點(diǎn)是物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)的基本要求,更高的要求是學(xué)生還應(yīng)該結(jié)合自己感興趣的問題自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),或者以指導(dǎo)教師的科研項(xiàng)目為核心開展一些初步研究,這就是實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中的創(chuàng)新型和研究型實(shí)驗(yàn)。通過創(chuàng)新型和研究型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開展,可以調(diào)動(dòng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)的主動(dòng)性、培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣和創(chuàng)新意識(shí)[7-9]。

2 物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)

由于物理化學(xué)是利用物理現(xiàn)象和化學(xué)現(xiàn)象之間的聯(lián)系,借助物理學(xué)的實(shí)驗(yàn)方法來研究化學(xué)變化和規(guī)律的,因而物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)不同于無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)、分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)和有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn),其主要特點(diǎn)表現(xiàn)為以下4個(gè)方面。

2.1 小型儀器較多

學(xué)生首先需要了解儀器的構(gòu)造和工作原理,學(xué)會(huì)判斷實(shí)驗(yàn)儀器是否正常，以及掌握實(shí)驗(yàn)設(shè)備的正確使用方法。例如電導(dǎo)率儀是物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)中一個(gè)常見設(shè)備,在電泳、二級(jí)反應(yīng)速率系數(shù)測定、弱電解質(zhì)電離度和電離平衡常數(shù)測定中都會(huì)用到。學(xué)生在物理化學(xué)課上初次接觸電導(dǎo)和電導(dǎo)率的概念,知道電導(dǎo)是電阻的倒數(shù)。因此儀器所用測量電導(dǎo)的方法,實(shí)際上是通過測量插入溶液的電極極板之間的電阻來實(shí)現(xiàn)的。結(jié)合電阻測定的知識(shí),學(xué)生很容易理解電導(dǎo)率儀的工作原理是利用惠斯頓電橋來完成的。但是對(duì)于儀器面板上溫度補(bǔ)償這個(gè)旋鈕,很多學(xué)生不太明白如何正確操作。當(dāng)需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償時(shí),此旋鈕上的白線置于溶液實(shí)際溫度的相應(yīng)位置；當(dāng)不需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償時(shí),此旋鈕上的白線應(yīng)置于25 °C的相應(yīng)位置,即此檔測的是實(shí)際溫度下溶液的電導(dǎo)率。

2.2 實(shí)驗(yàn)步驟及技能較多

物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生每一步都必須規(guī)范操作,以免影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。比如燃燒熱的測定包括稱量、壓片、充氧、電路檢測、熱量計(jì)安裝和滴定等實(shí)驗(yàn)步驟,涉及到臺(tái)秤、分析天平、壓片機(jī)、氧彈、充氧器、萬用表等儀器的使用。再比如電泳,學(xué)生需要完成膠體的制備和純化、測定膠體電導(dǎo)率、配制輔助液、裝液分層、電路連接等實(shí)驗(yàn)步驟,每一步都是實(shí)驗(yàn)成敗的關(guān)鍵。就拿配制輔助液來說,首先學(xué)生應(yīng)該明確輔助液的作用,然后根據(jù)輔助液所起的作用選擇合適的電解質(zhì),最后根據(jù)純化后的膠體電導(dǎo)率的大小進(jìn)行稀釋,直至輔助液和膠體的電導(dǎo)率一致。

2.3 計(jì)算機(jī)處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及討論實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.4 不同的實(shí)驗(yàn)原理和方法設(shè)計(jì)完成同一目標(biāo)

科學(xué)基金是促進(jìn)國家科技創(chuàng)新的重要資源，作為科學(xué)基金資助項(xiàng)目產(chǎn)出的重要組成部分和成果體現(xiàn)，科技論文的產(chǎn)出數(shù)量與質(zhì)量是衡量科學(xué)基金項(xiàng)目效益的重要指標(biāo)，同時(shí)，也是評(píng)估國家(地區(qū))科學(xué)發(fā)展趨勢、預(yù)測發(fā)展?jié)摿Φ闹饕笜?biāo)，對(duì)科學(xué)基金資助論文的產(chǎn)出與影響進(jìn)行分析具有重要意義。

物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)既能培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力、獨(dú)立思考能力、理論結(jié)合實(shí)際的運(yùn)用能力,也能為學(xué)生提供綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)和提出新的設(shè)計(jì)思想的實(shí)驗(yàn)場所,從而培養(yǎng)學(xué)生豐富的想象能力、科學(xué)抽象能力和創(chuàng)新能力。例如,氯化銀是一種較難溶化合物,其溶度積近似值為10-10。為了測得其確切值,可以設(shè)計(jì)2個(gè)方案：一是采用電動(dòng)勢法；二是采用電導(dǎo)法。前者利用標(biāo)準(zhǔn)電池電動(dòng)勢和溶度積的關(guān)系,后者利用電導(dǎo)率和摩爾電導(dǎo)率的關(guān)系。學(xué)生還可以根據(jù)所設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的原理和數(shù)據(jù)處理的方法來比較這2種方案的合理性和準(zhǔn)確度,從而培養(yǎng)了科學(xué)研究的基本能力。著名物理學(xué)家愛因斯坦說，“應(yīng)當(dāng)始終把發(fā)展獨(dú)立思考和獨(dú)立判斷能力放在首位,而不應(yīng)當(dāng)把專業(yè)知識(shí)放在首位。如果一個(gè)人掌握了學(xué)科的基礎(chǔ)理論,并且學(xué)會(huì)了獨(dú)立思考和工作,他必定會(huì)找到自己的道路,而且比起那種主要以獲得細(xì)節(jié)知識(shí)為其培訓(xùn)內(nèi)容的人來會(huì)更好地適應(yīng)進(jìn)步和變化。”這也是物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)的培養(yǎng)目標(biāo)。

3 物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)

基于物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)的上述特點(diǎn),為了充分合理利用實(shí)驗(yàn)室的資源,在教學(xué)大綱和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目卡的制定、儀器設(shè)備的購置和使用等方面可以考慮化學(xué)化工類與非化學(xué)化工類資源共享,既可以提高儀器的使用率,又可以節(jié)省實(shí)驗(yàn)場地面積。

3.1 教學(xué)大綱和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目卡的制定

在制定教學(xué)大綱和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目卡時(shí),相關(guān)人員要考慮到各專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)、理論課教學(xué)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)課時(shí)、學(xué)生實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)能力等因素。以我校為例,獨(dú)立開設(shè)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)課的專業(yè)有化學(xué)各專業(yè)、唐敖慶班、生命科學(xué)學(xué)院各專業(yè)、環(huán)境科學(xué)、藥學(xué)。這些專業(yè)學(xué)生的入學(xué)成績比較好,在一、二年級(jí)都經(jīng)過無機(jī)化學(xué)、分析化學(xué)、有機(jī)化學(xué)和儀器分析化學(xué)及實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí),實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)能力比較強(qiáng)。對(duì)于物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)中典型的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn),如液體飽和蒸汽壓測定、燃燒熱測定、蔗糖水解一級(jí)反應(yīng)速率系數(shù)的測定、乙酸乙酯皂化二級(jí)反應(yīng)速率系數(shù)的測定、電動(dòng)勢法測熱力學(xué)函數(shù)、最大氣泡法測表面張力、電泳,都可以列入各專業(yè)的物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱中,適用于實(shí)驗(yàn)課時(shí)比較少的專業(yè),如環(huán)境科學(xué)和藥學(xué)。

對(duì)于化學(xué)化工類各專業(yè)及生命科學(xué)學(xué)院各專業(yè),實(shí)驗(yàn)課時(shí)較多,還可以添加一些與各專業(yè)理論課相對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目；比如偶極矩的測定是化學(xué)化工類各專業(yè)的一個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,學(xué)生可以在實(shí)驗(yàn)課上加深理解和掌握結(jié)構(gòu)化學(xué)的相關(guān)知識(shí)。而對(duì)于生命科學(xué)學(xué)院專業(yè)的學(xué)生來說,生命體系本身是一個(gè)開放系統(tǒng),經(jīng)典的熱力學(xué)理論無法解釋其中的一些現(xiàn)象,如生物細(xì)胞中DNA(脫氧核糖核酸)或RNA(核糖核酸)具有復(fù)雜神奇的雙螺旋結(jié)構(gòu),而這種結(jié)構(gòu)是由食物中那些混亂無序的原子所組成。再比如生物體內(nèi)的新陳代謝過程中有些中間產(chǎn)物以及酶等,它們的濃度會(huì)隨時(shí)間而進(jìn)行周期性的振蕩。因此實(shí)驗(yàn)課中可以加入B-Z振蕩反應(yīng)實(shí)驗(yàn),讓學(xué)生結(jié)合理論知識(shí)理解體系與外界環(huán)境交換物質(zhì)和能量的同時(shí),通過采用適當(dāng)?shù)挠行蚪Y(jié)構(gòu)狀態(tài)耗散環(huán)境傳來的物質(zhì)和能量這一現(xiàn)象。

3.2 儀器設(shè)備的購置和使用

在現(xiàn)有儀器設(shè)備的基礎(chǔ)上,圍繞實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目卡進(jìn)行儀器設(shè)備的合理購置和使用,才能使資源利用最大化。儀器設(shè)備的購置還需要結(jié)合科技發(fā)展的新趨勢,滿足學(xué)生對(duì)新的實(shí)驗(yàn)技術(shù)的渴求,進(jìn)行儀器的更新?lián)Q代。為了避免購置不當(dāng)導(dǎo)致浪費(fèi)有限的教學(xué)經(jīng)費(fèi),寧缺毋濫,應(yīng)該優(yōu)先選擇信譽(yù)度高的廠家。在儀器的使用上,需要考慮實(shí)驗(yàn)臺(tái)電路的最大承受功率,同時(shí)采用污染較少或無污染的試劑發(fā)揮儀器的功能,既保護(hù)了環(huán)境,又延長儀器使用壽命[11]。

3.3 儀器的自制或改造

4 物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的管理

實(shí)驗(yàn)室主任、實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員和指導(dǎo)教師是實(shí)驗(yàn)室的有機(jī)組成部分,應(yīng)各有分工、各司其職、同心協(xié)力,才能使實(shí)驗(yàn)室精神面貌干凈整潔、實(shí)驗(yàn)秩序有條不紊,學(xué)生從中學(xué)到更多的知識(shí),各方面能力得到應(yīng)有的提高。

4.1 實(shí)驗(yàn)室主任職責(zé)

實(shí)驗(yàn)室主任負(fù)責(zé)修訂實(shí)驗(yàn)大綱和項(xiàng)目卡、制定年度工作計(jì)劃、申請(qǐng)購置儀器設(shè)備、有規(guī)劃地新增或更新實(shí)驗(yàn)設(shè)備、提前申報(bào)下學(xué)期需要補(bǔ)充的實(shí)驗(yàn)材料、做好實(shí)驗(yàn)室各類突發(fā)性事故的預(yù)防措施、妥善解決緊急突發(fā)事件、鼓勵(lì)實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員和指導(dǎo)教師積極參加實(shí)驗(yàn)室建設(shè)、參與儀器設(shè)備管理和改進(jìn)。在教學(xué)環(huán)節(jié)上,實(shí)驗(yàn)室主任要注重對(duì)新任課教師和實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員的培訓(xùn)和考核、課前對(duì)學(xué)生進(jìn)行安全教育、課程結(jié)束后對(duì)學(xué)生進(jìn)行能力考核,并上報(bào)教師工作量等。

4.2 實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員職責(zé)

實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員不僅負(fù)責(zé)提前準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)所需試劑和調(diào)試儀器,還要協(xié)助指導(dǎo)教師對(duì)學(xué)生進(jìn)行儀器設(shè)備使用的培訓(xùn),而且在實(shí)驗(yàn)室的日常事務(wù)管理上起到非常重要的作用。具體職責(zé)如下：

(1) 負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備管理。對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備名稱、規(guī)格、價(jià)格、出廠日期、存放地點(diǎn)、變動(dòng)情況、完好情況、使用情況等輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行管理,做到賬、物、卡一致。對(duì)于出現(xiàn)故障的設(shè)備要及時(shí)排除,對(duì)于損壞的設(shè)備要及時(shí)更換和報(bào)修、填寫記錄,并通知有關(guān)維修人員進(jìn)行維修。

(2) 負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)室的低值、易耗品,易制毒、易燃和易爆品的管理。對(duì)于正在使用和新購進(jìn)的低值易耗品進(jìn)行造冊(cè)登記,詳細(xì)記錄規(guī)格型號(hào)、性能參數(shù)、生產(chǎn)廠家、購進(jìn)日期、數(shù)量、使用和消耗情況,做到出、入、消耗賬目清楚,進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化管理。

(3) 負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)室的衛(wèi)生和安全。保持實(shí)驗(yàn)室的清潔、衛(wèi)生,實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部的通風(fēng),廢液存放和處理,嚴(yán)格遵守安全、防火、防盜制度,做好安全和實(shí)驗(yàn)室使用情況的記錄工作。

4.3 指導(dǎo)教師職責(zé)

指導(dǎo)教師的業(yè)務(wù)水平和責(zé)任心是影響學(xué)生學(xué)習(xí)效果的關(guān)鍵因素,指導(dǎo)教師在物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中需要注意以下幾點(diǎn)：

(1) 課前要做好實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備工作,如調(diào)試儀器,查看備品,同時(shí)認(rèn)真閱讀實(shí)驗(yàn)講義,明確各個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)對(duì)學(xué)生的要求；上課時(shí)先要對(duì)上一次實(shí)驗(yàn)操作情況和實(shí)驗(yàn)報(bào)告中出現(xiàn)的問題進(jìn)行總結(jié),對(duì)本次實(shí)驗(yàn)主要講解儀器操作及實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng),避免出現(xiàn)常見錯(cuò)誤；絕不允許學(xué)生來了就自己動(dòng)手開始實(shí)驗(yàn),做到學(xué)生無預(yù)習(xí)報(bào)告不能做實(shí)驗(yàn)。

(2) 上課時(shí),認(rèn)真觀察每個(gè)學(xué)生的操作情況,禁止學(xué)生違規(guī)操作；密切注視實(shí)驗(yàn)關(guān)鍵步驟及中間數(shù)據(jù),遇到異常情況及時(shí)處理；避免重做而浪費(fèi)試劑。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，在學(xué)生原始數(shù)據(jù)和儀器使用記錄上簽字,督促學(xué)生做好清潔衛(wèi)生和值日工作,檢查安全(水、電、窗戶、門),認(rèn)真填好日志、儀器使用記錄和實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行記錄。

(3) 課下認(rèn)真批改實(shí)驗(yàn)報(bào)告,結(jié)合學(xué)生的預(yù)習(xí)、操作和衛(wèi)生情況給出綜合成績；實(shí)驗(yàn)成績?cè)u(píng)定注意成績的區(qū)分度,確保公平、公正、公開,并及時(shí)返還學(xué)生,以便期末復(fù)習(xí)。

5 結(jié)語

為了保障實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行,合理利用實(shí)驗(yàn)教學(xué)經(jīng)費(fèi),充分調(diào)動(dòng)實(shí)驗(yàn)室所有人員的積極性,提高學(xué)生動(dòng)手能力和綜合運(yùn)用理論知識(shí)來解決實(shí)際問題的能力,每一位關(guān)注物理化學(xué)及實(shí)驗(yàn)教學(xué)的教師及管理者都應(yīng)該從思想上高度重視物理化學(xué)實(shí)驗(yàn),從行動(dòng)上參與到實(shí)驗(yàn)室的管理和建設(shè)上來。

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Management and construction of basic teaching laboratory for physical chemistry

Zhang Guoyan, Zhu Wanchun

(College of Chemistry,Jilin University,Changchun 130012,China)

The management and construction of the physical chemistry laboratories in colleges and universities should be based on the characteristics of the physical chemistry experiments and carried out from the following aspects: the establishment of syllabus and development of the experimental project cards,purchasing and utilization of the instruments,self-making and renovating of the instruments,construction of the laboratory team,etc. Based on many years of experience in the management and construction of Physical Chemistry Laboratory in College of Chemistry at Jilin University,some suggestions are put forward for the management and construction of the basic teaching laboratories for physical chemistry in colleges and universities.

physical chemistry; basic teaching；management and construction

10.16791/j.cnki.sjg.2017.04.060

2016-10-24 修改日期：2016-12-01

吉林大學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)項(xiàng)目(409020720130)

張國艷(1970―),女,內(nèi)蒙古赤峰,理學(xué)博士,副教授,主要從事物理化學(xué)及實(shí)驗(yàn)教學(xué).

E-mail：guoyan@jlu.edu.cn

G482;O6-31

A

1002-4956(2017)4-0235-03