熱分析實驗教學(xué)改革與實踐

李明玲 李宏林 高曉寶

（巢湖學(xué)院，安徽 巢湖 238000）

熱分析實驗教學(xué)改革與實踐

李明玲 李宏林 高曉寶

（巢湖學(xué)院，安徽 巢湖 238000）

熱分析實驗是《材料現(xiàn)代分析方法》課程的重要內(nèi)容，熱分析技術(shù)是材料類專業(yè)學(xué)生必須了解和掌握的技術(shù)之一。針對目前熱分析實驗教學(xué)過程中存在的問題和不足，圍繞教學(xué)方法與手段、教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)設(shè)計等作了改革研究并實踐，鍛煉了學(xué)生的動手操作能力，培養(yǎng)了學(xué)生創(chuàng)新能力和科研素養(yǎng)。

熱分析實驗；綜合熱分析儀；教學(xué)方法；教學(xué)設(shè)計

熱分析是材料現(xiàn)代分析方法之一，主要利用熱力學(xué)參數(shù)或物理參數(shù)隨溫度變化的關(guān)系對物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和組成進(jìn)行分析。利用熱分析技術(shù)可以快速準(zhǔn)確地測定物質(zhì)的晶型轉(zhuǎn)變、熔融、升華、吸附、脫水、分解等變化，該技術(shù)已成為各種材料的研究開發(fā)、工藝優(yōu)化和質(zhì)量監(jiān)控的重要手段，在化學(xué)、化工、冶金、建材、食品、生物等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1-3]。目前，隨著社會與經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，越來越多的企業(yè)也開始使用先進(jìn)的熱分析儀器對原燃材料的品質(zhì)及產(chǎn)品的質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)控，以確保生產(chǎn)高效進(jìn)行，提高競爭力。因此，對于以應(yīng)用型人才培養(yǎng)為導(dǎo)向的本科實驗教學(xué)，將熱分析儀用于本科生教學(xué)與學(xué)生實驗，使材料科學(xué)與工程類專業(yè)畢業(yè)生熟練掌握熱分析技術(shù)基本原理、操作及結(jié)果分析顯得越來越重要[4]。但是，由于熱分析儀屬于貴重、精密儀器，臺套數(shù)少，教學(xué)過程中學(xué)生自己動手實踐的機(jī)會少；且儀器的集成度高，無法向?qū)W生展示其內(nèi)部構(gòu)造，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)興趣低，教學(xué)效果較差，實驗操作能力難以提高[5-6]。我們在全面分析熱分析實驗教學(xué)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，借鑒吸收先進(jìn)的教學(xué)方法，通過將傳統(tǒng)實驗教學(xué)與現(xiàn)代多媒體技術(shù)相結(jié)合、科學(xué)合理設(shè)計實驗內(nèi)容與教學(xué)過程等，全面培養(yǎng)學(xué)生動手能力、分析與解決問題的能力，實驗教學(xué)效果得到大大提高。

1 教學(xué)現(xiàn)狀

熱分析實驗的主要目的是讓學(xué)生了解熱分析原理與應(yīng)用范圍、熱分析儀的構(gòu)造，掌握熱分析操作方法，學(xué)習(xí)熱分析曲線的解讀等。目前，在大多數(shù)高校，熱分析儀屬于大型精密儀器，數(shù)量極其有限，而且實行專人專管，未經(jīng)正規(guī)培訓(xùn)不準(zhǔn)上機(jī)操作。另外，熱分析實驗所需時間較長，參加實驗的學(xué)生數(shù)又較多，因此為了完成實驗教學(xué)，普遍存在著以演示教學(xué)為主的現(xiàn)象，即對著儀器給學(xué)生簡單講解其構(gòu)造，然后用固定的參數(shù)測一組數(shù)據(jù)，全程都是教師在講，教師在操作，缺乏互動，學(xué)生實踐機(jī)會少，導(dǎo)致大部分學(xué)生只能停留在對儀器外形的粗淺認(rèn)識上，教學(xué)目的無法真正實現(xiàn)，學(xué)生綜合能力與素質(zhì)得不到培養(yǎng)，還會影響學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。本文結(jié)合熱分析實驗教學(xué)的多年經(jīng)驗，以五水合硫酸銅的熱重分析實驗教學(xué)為例，針對目前材料及相關(guān)專業(yè)的本科生熱分析實驗教學(xué)中存在的問題，做了一些改革探索，如強(qiáng)化預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)、傳統(tǒng)教學(xué)與多媒體技術(shù)相結(jié)合、創(chuàng)造性地設(shè)計實驗內(nèi)容等，這些措施的實行，不僅達(dá)到了實驗教學(xué)的目的，而且有利于學(xué)生綜合能力與素質(zhì)的培養(yǎng)，取得了較好的教學(xué)效果。

2 實驗教學(xué)改革探索與實踐

2.1 引導(dǎo)學(xué)生做好課前預(yù)習(xí)

讓學(xué)生在學(xué)習(xí)之前做好充分的準(zhǔn)備，帶著不解與問題進(jìn)課堂，上課時就能有的放矢，不僅能很好地跟上教師的節(jié)奏，還能有針對性地關(guān)注自己不了解的知識點，學(xué)習(xí)效率大大提高。五水合硫酸銅的熱重分析實驗一般安排4個學(xué)時，在這有限的時間內(nèi)讓學(xué)生完全掌握熱重分析的原理與應(yīng)用、儀器構(gòu)造、操作方法與注意事項、實驗影響因素、實驗結(jié)果分析等多項任務(wù)，預(yù)習(xí)就成為非常重要的一個環(huán)節(jié)，預(yù)習(xí)的有與無、預(yù)習(xí)質(zhì)量的好與壞會直接影響到實驗教學(xué)的效果。因此，課前必須引導(dǎo)學(xué)生預(yù)習(xí)。一般在開課前的1—2周，將實驗安排（分組名單，實驗時間，實驗名稱，實驗主要內(nèi)容，實驗?zāi)康呐c要求等）、實驗講義、預(yù)習(xí)要點、參考書目、查閱文獻(xiàn)的數(shù)量等發(fā)給學(xué)生，安排其做好預(yù)習(xí)工作。為了保證預(yù)習(xí)效果，要求學(xué)生撰寫預(yù)習(xí)報告，其質(zhì)量的高低作為實驗成績的參考之一。同時，實驗課的前五分鐘，安排提問環(huán)節(jié)，一方面可以了解學(xué)生的預(yù)習(xí)效果，另一方面，對學(xué)生可以起到震懾作用，確保人人都預(yù)習(xí)，人人預(yù)習(xí)好。

2.2 利用多媒體技術(shù)，提高教學(xué)效果

熱分析實驗的特點之一就是熱分析儀器是實驗中的主要工具，教學(xué)過程中，熱分析儀的構(gòu)造、主要零部件與工作原理是熱分析實驗中比較重要的內(nèi)容，學(xué)生只有真正了解了，才能進(jìn)行后續(xù)的實驗操作、結(jié)果分析等環(huán)節(jié)。然而，目前大型儀器的集成化與智能化，讓學(xué)生很少有接觸儀器內(nèi)部結(jié)構(gòu)以真正了解其構(gòu)造與功能，掌握其原理的機(jī)會。而且，目前的儀器實驗教學(xué)中，一般都采用示教教學(xué)，即教師先演示示教，學(xué)生觀看后學(xué)習(xí)儀器操作方法。這種教學(xué)方法存在著很多的不足，比如：教師在演示儀器操作時，由于學(xué)生人數(shù)較多，大家圍在儀器四周，會受到所站角度的限制，無法完整地觀看到每一個操作細(xì)節(jié)；一些大型貴重分析儀器數(shù)量少，一般學(xué)校只購置一臺，學(xué)生進(jìn)行實驗操作機(jī)會極少。因此，實驗教學(xué)結(jié)束后，學(xué)生對儀器構(gòu)造、工作原理等似懂非懂、一知半解，即便學(xué)會了操作，也是機(jī)械式的操作，不知其所以然。因此，難以讓學(xué)生真正掌握儀器分析實驗內(nèi)容并使其成為今后科研和工作的得力助手。

為了克服以上困難，我們采取了多媒體輔助教學(xué)。在熱分析實驗教學(xué)過程中，采用三維動畫技術(shù)將熱分析儀的內(nèi)部結(jié)構(gòu)展示給學(xué)生，真實展現(xiàn)儀器的整體或局部，使學(xué)生一看就能領(lǐng)會，不需要花太多的時間作過多的講述，可以壓縮前段實驗內(nèi)容講解時間，讓更多的時間用于后續(xù)實驗操作。同時，通過設(shè)計精美的多媒體課件，配以動畫和合適的顏色搭配，給學(xué)生以強(qiáng)烈的感官刺激，吸引其注意力，提高實驗教學(xué)效果。

2.3 科學(xué)設(shè)計實驗內(nèi)容

熱分析實驗過程中很多因素都會對實驗結(jié)果產(chǎn)生影響，但為了在有限的時間內(nèi)完成實驗教學(xué)內(nèi)容，教師一般會設(shè)定固定的實驗條件，所有的學(xué)生都在相同的條件下操作，至于各個因素對實驗結(jié)果的影響一般在實驗教學(xué)過程中不做探討[7]。這樣就使得所有學(xué)生都用相同的實驗步驟與參數(shù)設(shè)置，獲得相同的實驗結(jié)果，學(xué)生無法真正理解各因素對實驗結(jié)果的影響；而且，過多的重復(fù)實驗容易使學(xué)生失去新鮮感，不利于學(xué)生創(chuàng)新能力與素質(zhì)的培養(yǎng)。為了克服以上不足，我們在實驗內(nèi)容設(shè)計上進(jìn)行創(chuàng)新，采取了以空間換時間的方法，具體操作過程如下：首先以五水合硫酸銅（CuSO4﹒5H2O）的熱重分析為實驗主要內(nèi)容，確定該實驗的主要影響因素有試樣顆粒度、升溫速率與試樣使用量，在此基礎(chǔ)上各個因素分別選擇幾個變量，如試樣顆粒度選擇兩種：細(xì)粉狀和顆粒狀；試樣用量選擇兩個：5 mg和15 mg；升溫速率選擇兩個：5和20℃/min。這樣就得到了8組不同的實驗，如表1所示。

表1 實驗條件與操作安排

另外，考慮到五水合硫酸銅的加熱過程中，只有吸附水和結(jié)晶水的脫除，得到的熱重分析曲線非常簡單，為了鍛煉學(xué)生對實驗結(jié)果的分析能力，另增加了一組橡膠輪胎的熱重分析。因此最終實驗組數(shù)為9組。參與實驗的學(xué)生人數(shù)以100人計，分為五組，其中第一至四組操作表1中的8組實驗，第五組操作橡膠輪胎的熱重分析。由于加強(qiáng)了實驗前的預(yù)習(xí)，以及在實驗教學(xué)過程中引入多媒體教學(xué)，可以大大壓縮實驗前的講解時間，使學(xué)生有足夠的時間進(jìn)行操作。這樣設(shè)計和安排后，雖然是同一個實驗，但每一組學(xué)生做的都有差別，讓學(xué)生有了新鮮感，增強(qiáng)了興趣，更重要的是將全班同學(xué)的實驗參數(shù)與所得結(jié)果匯總在一起，就成了一個完整的研究項目，既實現(xiàn)了實驗教學(xué)預(yù)定目的，又培養(yǎng)了學(xué)生科研素養(yǎng)與創(chuàng)新能力。

2.4 重視熱分析曲線解讀，提高綜合分析能力

測試結(jié)果分析在大型儀器實驗教學(xué)過程中是非常重要的一個環(huán)節(jié)，因為大多數(shù)情況下測試結(jié)果就是一條簡單的曲線，如何解讀曲線、盡可能多地獲取信息，取決于分析者的曲線解讀能力。為了培養(yǎng)學(xué)生的這種能力，教師不僅要教會學(xué)生最基本的分析方法，更重要的是要提供機(jī)會，讓學(xué)生反復(fù)實踐。在常規(guī)的大型儀器實驗教學(xué)中，所有的學(xué)生得到的實驗結(jié)果完全一樣，毫無新意，極不利于學(xué)生分析能力的培養(yǎng)。但我們經(jīng)過如前所述的科學(xué)設(shè)計實驗內(nèi)容后，可以得到很多不同條件下的測試結(jié)果。在實驗結(jié)束后，召集全班同學(xué)在一起，利用多媒體，為大家講解分析熱重曲線的基本方法和過程，利用Origin軟件，將相關(guān)的熱重曲線做在一張圖里，經(jīng)過比較，可以很清楚地看到各個實驗參數(shù)對實驗結(jié)果的影響。最后，對學(xué)生提出問題：各參數(shù)對實驗結(jié)果的影響規(guī)律，并解釋原因。從而使學(xué)生的分析問題和解決問題能力得到鍛煉和提高，同時，也讓學(xué)生親身體會到團(tuán)隊協(xié)作的重要性。

2.5 課堂與生產(chǎn)實際相結(jié)合，提高學(xué)以致用的能力

為了便于實驗教學(xué)過程的進(jìn)行和學(xué)生的理解，一般的熱分析實驗都會選擇一些大家熟知的、過程和結(jié)果都比較簡單的物質(zhì)進(jìn)行測試，如本實驗中的五水合硫酸銅，實驗結(jié)果簡單，分析掌握都較容易。但是，在實際應(yīng)用過程中，分析對象千變?nèi)f化，不再局限于單一組分、單一結(jié)構(gòu)的物質(zhì)，得到的熱重分析曲線非常復(fù)雜，對這種曲線的解讀不僅要求分析者了解基本的熱分析方法與原理，還要有豐富的專業(yè)知識。為了讓學(xué)生對此有一個初步的認(rèn)識，我們在實驗過程中專門做了一組橡膠輪胎的熱重分析。讓學(xué)生在課后利用所學(xué)分析方法對橡膠輪胎的熱重曲線進(jìn)行解釋，并查閱相關(guān)資料，分析橡膠輪胎的可能成分和大致含量。這個環(huán)節(jié)的進(jìn)行，使學(xué)生分析、解決實際問題的能力得到培養(yǎng)提高。

2.6 精心設(shè)計“思考題”，培養(yǎng)學(xué)生知識綜合運(yùn)用能力

在實驗的最后，一般會圍繞實驗原理、步驟和實驗所需理論知識設(shè)計幾個思考題供學(xué)生回答，難度不大，目的是為了鞏固實驗所學(xué)。本實驗中，為了全面培養(yǎng)學(xué)生對各科知識的綜合運(yùn)用能力，針對前述實驗內(nèi)容，對思考題進(jìn)行精心設(shè)計如下：根據(jù)8組實驗內(nèi)容與結(jié)果，設(shè)計一個三因素兩水平正交實驗表，并對其進(jìn)行分析，探討各因素對實驗結(jié)果的影響。該思考題不僅鞏固了學(xué)生在高等數(shù)學(xué)中學(xué)到的正交試驗表的設(shè)計與分析部分知識，而且了解了該部分知識在專業(yè)實驗中的應(yīng)用，切實培養(yǎng)了其綜合利用各科知識解決實際問題的能力。

3 結(jié)束語

實驗是理工科教學(xué)的重要內(nèi)容和方法，對學(xué)生掌握理論知識、學(xué)會實驗技能和科學(xué)研究方法、培養(yǎng)創(chuàng)新精神和能力等都具有重要的地位和作用。但要想通過實驗真正培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和能力，需要對實驗教學(xué)的整個環(huán)節(jié)作精心設(shè)計。本文以熱重分析實驗為例，介紹了在其教學(xué)的過程中所作的改革，如強(qiáng)化預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)、傳統(tǒng)教學(xué)方式與多媒體技術(shù)相結(jié)合、合理設(shè)計實驗操作環(huán)節(jié)、實驗內(nèi)容與生產(chǎn)實際相結(jié)合等，并進(jìn)行了實踐。結(jié)果表明，改革后的教學(xué)增加了學(xué)生操作機(jī)會，不僅提高了動手能力，其團(tuán)隊協(xié)作精神和創(chuàng)新能力也得到了很好的培養(yǎng)和提高。

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責(zé)任編輯：陳 鳳

G642

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：1672-2868（2017）03-0137-04

2017-03-29

安徽省示范實驗實訓(xùn)中心項目（項目編號：2013sxzx020）；巢湖學(xué)院課程教改重點項目（項目編號：ch16kcjgxm03）

李明玲（1977-），女，湖南衡陽人。巢湖學(xué)院化學(xué)與材料工程學(xué)院，副教授。研究方向：無機(jī)非金屬材料工程教學(xué)與科研。