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物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)模式的探索與實(shí)踐論文
物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)是基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的重要組成部分，在培養(yǎng)學(xué)生的綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Αⅹ?dú)立工作能力以及實(shí)事求是、嚴(yán)肅認(rèn)真的科學(xué)精神等方面有重要作用，是實(shí)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(shí)驗(yàn)教學(xué)部分對(duì)基本實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式、實(shí)驗(yàn)儀器、實(shí)驗(yàn)室條件及實(shí)驗(yàn)環(huán)境等都提出了具體的要求，指出實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革包括實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系、內(nèi)容和方法的改革，實(shí)驗(yàn)條件的建設(shè)，實(shí)驗(yàn)室管理體制的改革，以及實(shí)驗(yàn)室的開放和實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的建設(shè)等。因此，實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與管理是實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平和改革的重要指標(biāo)。為適應(yīng)教育部對(duì)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室的建設(shè)方面進(jìn)行了研究、探索與實(shí)踐，提出了模塊化、綠色化和同步化的理念，并在實(shí)踐中取得了良好效果。本文就物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)模式的改進(jìn)情況，淺談幾點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)。
1.實(shí)驗(yàn)儀器的模塊化
物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)與其他基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室的重要組成部分，是反映實(shí)驗(yàn)室水平和實(shí)驗(yàn)室實(shí)力的重要標(biāo)志，是實(shí)驗(yàn)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(yùn)行和方便組裝的儀器設(shè)備，是確保物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)順利進(jìn)行的有力保障。結(jié)合國內(nèi)重點(diǎn)髙校的先進(jìn)管理和我院物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)積累的豐富經(jīng)驗(yàn)，首先提出了物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)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(shí)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(dòng)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(jì)、搭建和組裝不同的實(shí)驗(yàn)裝置，不同儀器模塊可靈活組裝成適用于不同實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的裝置。在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和儀器布局上，針對(duì)模塊化進(jìn)行調(diào)整。例如其中一間實(shí)驗(yàn)室中設(shè)置了電動(dòng)勢測試模塊、壓差模塊以及超級(jí)恒溫模塊，通過簡單調(diào)整組合，可開設(shè)“電動(dòng)勢法測溶液的pH”“甲酸氧化動(dòng)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(shí)驗(yàn)。主要模塊以及對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)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(qiáng)化學(xué)生對(duì)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(duì)儀器的理解也不僅僅是完成實(shí)驗(yàn)所需要的工具，還需要更多關(guān)注實(shí)驗(yàn)及儀器運(yùn)行的原理，從而提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。相對(duì)普通的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，儀器模塊化對(duì)儀器原理理解更深人，對(duì)儀器的掌握更系統(tǒng)，在培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力的同時(shí)，對(duì)學(xué)生的基本實(shí)驗(yàn)技能和實(shí)驗(yàn)素質(zhì)提高更為明顯。另外，強(qiáng)化原理的教學(xué)對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的基本科研素質(zhì)和創(chuàng)新意識(shí)都有顯著作用，讓學(xué)生在面對(duì)新問題、新體系時(shí)能夠迅速抓住核心問題設(shè)計(jì)方案進(jìn)行研究。例如，電動(dòng)勢測定pH實(shí)驗(yàn)的原理是把需要測量的化合物濃度設(shè)計(jì)成電極反應(yīng)，通過電動(dòng)勢測定來計(jì)算物質(zhì)濃度。電勢測定需要用到電動(dòng)勢測定模塊，而對(duì)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(duì)實(shí)驗(yàn)的原理有更深人的理解。在熟練掌握電動(dòng)勢模塊的應(yīng)用以及電勢法測定濃度基礎(chǔ)上，學(xué)生對(duì)同類型的其他實(shí)驗(yàn)可以很容掌握，比如在甲酸氧化動(dòng)力學(xué)、BZ震蕩中，學(xué)生能更清晰地剖析拆分原理，把實(shí)驗(yàn)分成3個(gè)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(dòng)勢的測試方法。其次，在部分模塊損壞或者更新時(shí)可以只需要修理和升級(jí)所需模塊，節(jié)約采購及維護(hù)資金。再次，儀器的模塊化對(duì)實(shí)驗(yàn)室管理提出了更高的要求，有利于提高實(shí)驗(yàn)室教師的維護(hù)和教學(xué)水平，在儀器出現(xiàn)故障的時(shí)候，可以用很短的時(shí)間和很低的成本將儀器修理好投人到實(shí)驗(yàn)
教學(xué)中，為實(shí)驗(yàn)室新儀器的開發(fā)提供了良好的技術(shù)儲(chǔ)備。最后，實(shí)驗(yàn)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(jī)多用，有利于開發(fā)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，提高儀器利用率。
2.實(shí)驗(yàn)室的綠色化
實(shí)驗(yàn)室污染是物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)的重要問題。在現(xiàn)有的物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，較大一部分實(shí)驗(yàn)需要接觸到汞、苯、鉛等有毒試劑，開展物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)的綠色化探索與實(shí)踐不僅對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，而且對(duì)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(duì)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)的綠色化建設(shè)勢在必行。在物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)過程中，通過技術(shù)手段以及管理模式2個(gè)層面的創(chuàng)新對(duì)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(shí)現(xiàn)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)綠色化測試技術(shù)。物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)中使用的貝克曼溫度計(jì)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(shí)驗(yàn)中使用的U型管水銀壓力計(jì)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(jì)改成數(shù)字式傳感溫度計(jì)，將水銀壓力計(jì)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)體系的綠色化
很多傳統(tǒng)的物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)研究體系也是實(shí)驗(yàn)室的有毒有害源。在“燃燒熱的測定”實(shí)驗(yàn)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(xiǎn)，現(xiàn)將該實(shí)驗(yàn)改成了蔗糖的燃燒熱測定。在“二元合金相圖”實(shí)驗(yàn)中金屬樣在高溫熔融條件下易揮發(fā)，對(duì)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(shí)驗(yàn)中，以前使用的是苯-乙醇體系，由于苯的揮發(fā)性強(qiáng)、毒性大，嚴(yán)重影響實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室的無害化。
2.3“三廢”的無害化處理
物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)的另一個(gè)突出特點(diǎn)是實(shí)驗(yàn)中藥品和試劑種類、用量較少，但實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)生的“三廢”不容忽視。所有實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室內(nèi)配有耐酸堿、帶密封蓋的廢液回收桶，分類收集實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的廢液后交與實(shí)驗(yàn)管理部門統(tǒng)一處理。對(duì)于固體廢棄物，也設(shè)置了暫儲(chǔ)存區(qū)分類放置，收集后也交與實(shí)驗(yàn)管理部門統(tǒng)一處置。物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)室還一直堅(jiān)持廢料和溶劑回收工作，實(shí)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)使用，可省去烘焙過程。另外，粗乙醇會(huì)用于有機(jī)公共實(shí)驗(yàn)中工業(yè)乙醇的精制的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中，硫酸銅會(huì)用于大學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的硫酸銅重結(jié)晶和顯微鏡觀測的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中。
3.教學(xué)革新與硬件建設(shè)同步化進(jìn)行
實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備是物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的革新
將原來依附于理論課教學(xué)的實(shí)驗(yàn)課程變革為獨(dú)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(shí)驗(yàn)集成為獨(dú)立的基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程，強(qiáng)化了物理化學(xué)知識(shí)、實(shí)驗(yàn)技能和設(shè)計(jì)創(chuàng)新的連續(xù)性、關(guān)聯(lián)性和開創(chuàng)性。根據(jù)實(shí)驗(yàn)技能培養(yǎng)的規(guī)律，對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行整合，建立了基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)一綜合實(shí)驗(yàn)一研究性實(shí)驗(yàn)三層次連貫、系統(tǒng)一體化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)新體系。3.2實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理方式的創(chuàng)新
實(shí)驗(yàn)教學(xué)人員從實(shí)驗(yàn)室管理、實(shí)驗(yàn)儀器管理、準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)、指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)“一攬子”負(fù)責(zé)，責(zé)任“一桿子”到底。這樣切身參與到實(shí)驗(yàn)教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)中，有利于提高專職實(shí)驗(yàn)教學(xué)人員的實(shí)驗(yàn)教學(xué)能力和水平，同時(shí)也避免了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的各個(gè)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(yùn)行。
3.3實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的研究
通過對(duì)新進(jìn)部分儀器的功能進(jìn)行拓展，設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容盡可能體現(xiàn)先進(jìn)性、實(shí)用性、趣味性，減少了驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，增加設(shè)計(jì)性、綜合性和研究性實(shí)驗(yàn)，基本形成了基礎(chǔ)一綜合一研究的實(shí)驗(yàn)教學(xué)新體系。例如，在氧彈量熱實(shí)驗(yàn)中，設(shè)計(jì)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(shí)為了實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的先進(jìn)性，物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教研室人員在完成實(shí)驗(yàn)室工作的同時(shí)，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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)內(nèi)容，充分體現(xiàn)我校物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)結(jié)合，用于學(xué)生的課外提高型實(shí)驗(yàn)，訓(xùn)練學(xué)生的科研素養(yǎng)。
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