食品專業(yè)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與實(shí)踐

蘆曉芳 王清華 杜慧玲 張金桐

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué)文理學(xué)院 山西太谷 030801)

物理化學(xué)是一門與多學(xué)科有緊密聯(lián)系的基礎(chǔ)課,其實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)培養(yǎng)學(xué)生勤于思考的習(xí)慣、綜合應(yīng)用各科知識(shí)特別是物理化學(xué)基本理論解決實(shí)際問題具有重要的作用。隨著近些年高等教育的發(fā)展,高等教育專業(yè)門類增多,以物理化學(xué)作為專業(yè)基礎(chǔ)課的需求也越來越大。食品專業(yè)如何開設(shè)物理化學(xué)課程,特別是物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程,是一個(gè)值得探索的問題。盡管近兩年已有學(xué)者意識(shí)到該問題,并編寫了相關(guān)教材[1],向聯(lián)系食品專業(yè)實(shí)際靠近了一大步,但還不能完全滿足需要。

1 經(jīng)典基礎(chǔ)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)的局限性

物理化學(xué)是一門基礎(chǔ)課,其經(jīng)典實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目不可能完全適用于食品專業(yè)。主要原因是:① 經(jīng)典物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)的開設(shè)無專業(yè)區(qū)別。若不根據(jù)授課對(duì)象加以選擇和改進(jìn),直接應(yīng)用于食品專業(yè)會(huì)使學(xué)生缺乏專業(yè)歸屬感,覺得學(xué)非所用。 ② 經(jīng)典實(shí)驗(yàn)與科技進(jìn)步聯(lián)系不緊密。常見的物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教材中的大多數(shù)項(xiàng)目多年來無大改變,尤其是經(jīng)典實(shí)驗(yàn)更少有變化，對(duì)于近年來發(fā)展起來的食品專業(yè)來說很少能夠直接應(yīng)用，使學(xué)生失去了學(xué)習(xí)物理化學(xué)這門課的興趣。為適應(yīng)食品科技快速發(fā)展的需要,該類專業(yè)的物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)必須在經(jīng)典實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造和更新，為食品專業(yè)物理化學(xué)及物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)注入生機(jī)。③對(duì)于食品專業(yè)來說，經(jīng)典實(shí)驗(yàn)缺乏靈活性與創(chuàng)新性。故食品專業(yè)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)必須在經(jīng)典物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,與食品科學(xué)相互貫通。

2 食品專業(yè)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與探索

2.1 結(jié)合食品專業(yè)實(shí)際開設(shè)實(shí)驗(yàn)

我校的食品科學(xué)與工程、食品質(zhì)量與安全、生物工程3個(gè)食品專業(yè)開設(shè)了物理化學(xué)課程。這3個(gè)專業(yè)與物理化學(xué)課程中的化學(xué)反應(yīng)熱、稀溶液的依數(shù)性、偏摩爾量、氧化還原與原電池、電解質(zhì)溶液、高分子溶液、酶催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、表面吸附、表面活性劑、溶膠與凝膠、乳狀液與泡沫等內(nèi)容聯(lián)系緊密。為了使食品專業(yè)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)的開設(shè)有的放矢,密切結(jié)合專業(yè)實(shí)際,我們?cè)诮梃b和采用經(jīng)典物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)的同時(shí),進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的改革。

2008年和2009年,通過對(duì)食品中二氧化硫殘留量測(cè)定和對(duì)其在食品、環(huán)保和中藥中最新應(yīng)用的講解,使學(xué)生了解了電導(dǎo)滴定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，同時(shí)對(duì)電解質(zhì)溶液這部分的基礎(chǔ)理論知識(shí)有了更深的理解，使學(xué)生真正認(rèn)識(shí)到理論指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)的巨大作用。實(shí)驗(yàn)電導(dǎo)法測(cè)定食品(銀耳)中二氧化硫殘留量,首先要用鄰苯二甲酸氫鉀對(duì)氫氧化鈉溶液濃度進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定曲線如圖1所示。氫氧化鈉溶液濃度標(biāo)定，可以使學(xué)生從具體的數(shù)值和圖形上掌握弱酸與強(qiáng)堿反應(yīng)的電導(dǎo)率的變化，滴定終點(diǎn)的確定方法以及數(shù)據(jù)處理的一些基本常識(shí)。然后進(jìn)行食品(銀耳)中二氧化硫殘留量的測(cè)定，測(cè)定結(jié)果如圖2所示。這種小實(shí)驗(yàn)過程簡(jiǎn)單、內(nèi)容比較豐富,學(xué)生對(duì)此感到新奇, 做實(shí)驗(yàn)時(shí)很投入,能夠在實(shí)驗(yàn)中真正感到學(xué)有所用。

圖1 氫氧化鈉溶液濃度標(biāo)定曲線

圖2 電導(dǎo)滴定法測(cè)定銀耳中二氧化硫殘留量

食品中二氧化硫殘留量測(cè)定是在酸性溶液中蒸餾出二氧化硫氣體，用過氧化氫溶液吸收蒸餾出的二氧化硫，使其轉(zhuǎn)變?yōu)榱蛩?，用?biāo)準(zhǔn)氫氧化鈉溶液利用電導(dǎo)法滴定溶液中的硫酸量，通過作圖，找到滴定終點(diǎn)，然后換算出食品中二氧化硫殘留量。在此實(shí)驗(yàn)中，可以讓學(xué)生掌握強(qiáng)酸強(qiáng)堿電導(dǎo)滴定過程及電導(dǎo)滴定曲線。

食品中二氧化硫殘留量測(cè)定實(shí)驗(yàn)涉及到3個(gè)反應(yīng)，H2O2+SO2=H2SO4，H2SO4+2NaOH=Na2SO4+2H2O和2H2O2=2H2O+O2。既然有化學(xué)反應(yīng)發(fā)生，就應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生考慮影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素,如溫度、濃度、催化劑以及影響化學(xué)平衡移動(dòng)的因素等，還要考慮這些因素是否影響電導(dǎo)滴定法測(cè)定結(jié)果的準(zhǔn)確性。讓學(xué)生帶著問題作實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)并在實(shí)驗(yàn)中檢驗(yàn)影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素和平衡移動(dòng)的因素，可讓學(xué)生理解各部分知識(shí)并應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)中，以提高學(xué)生的科研能力和實(shí)際操作動(dòng)手能力。該實(shí)驗(yàn)已作為設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)開設(shè)。與其他二氧化硫殘留量測(cè)定方法(鹽酸副玫瑰苯胺法(分光光度計(jì)法)，蒸餾后間接碘量法[2])比較，本實(shí)驗(yàn)有助于開闊學(xué)生的思維，培養(yǎng)他們查閱文獻(xiàn)的習(xí)慣。同時(shí)也給學(xué)生留有自由選擇實(shí)驗(yàn)材料和制備條件的余地,可培養(yǎng)其創(chuàng)新思維和獨(dú)立解決問題能力。

我們還將原來用凝固點(diǎn)降低法測(cè)定化工產(chǎn)品萘摩爾質(zhì)量的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)改進(jìn)為測(cè)定肉桂酸芐酯(一種香精)摩爾質(zhì)量實(shí)驗(yàn)。做此實(shí)驗(yàn)可以增強(qiáng)食品專業(yè)學(xué)生對(duì)稀溶液依數(shù)性的理解;實(shí)驗(yàn)中增加了根據(jù)溶膠非溶劑膠凝原理[3]制備凝膠的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)——固體酒精的制備。給學(xué)生實(shí)驗(yàn)原理框架和基本實(shí)驗(yàn)器材,讓他們自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)步驟和組裝實(shí)驗(yàn)裝置,用硬脂酸、氫氧化鈉和乙醇等試劑制備固體酒精[4]，然后描述固體酒精狀態(tài)，測(cè)定固體酒精產(chǎn)率,并用固體酒精加熱已知質(zhì)量的水,觀察其燃燒狀態(tài),測(cè)定水加熱至沸騰所需時(shí)間、固體酒精燃燒時(shí)間、酒精塊熄滅時(shí)水的溫度等數(shù)據(jù),通過這些數(shù)據(jù)來衡量固體酒精的熱能和燃燒性能。

這些實(shí)驗(yàn)的更新和增設(shè)與專業(yè)實(shí)際緊密聯(lián)系,增強(qiáng)了學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及相關(guān)理論知識(shí)的實(shí)用感和專業(yè)興趣。尤其是固體酒精的制備實(shí)驗(yàn),學(xué)生對(duì)于在溶膠中加入非溶劑后的膠凝過程感到很神奇,自始至終都興致勃勃。這些實(shí)驗(yàn)都沒有現(xiàn)成的方法和步驟,我們就和學(xué)生一起動(dòng)腦、動(dòng)手,最大限度地發(fā)揮學(xué)生的主觀潛能。

2.2 用實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱規(guī)范實(shí)驗(yàn)課

我們根據(jù)物理化學(xué)課程的特點(diǎn)和食品專業(yè)的實(shí)際，編寫了實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱,確定了多個(gè)可選擇的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,建立了靈活的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。從實(shí)驗(yàn)內(nèi)容上進(jìn)行規(guī)范,規(guī)定了一些設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)；每屆學(xué)生的實(shí)驗(yàn)課都至少有一個(gè)綜合性或設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)；并且對(duì)實(shí)驗(yàn)課做出基本要求,規(guī)定了實(shí)驗(yàn)應(yīng)達(dá)到的目的和效果。

2.3 保證實(shí)驗(yàn)課質(zhì)量實(shí)施的一些措施

為確保實(shí)驗(yàn)課質(zhì)量,印制的實(shí)驗(yàn)報(bào)告將預(yù)習(xí)與實(shí)驗(yàn)合一,內(nèi)容全面、合理,結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)；編印了學(xué)生實(shí)驗(yàn)室守則,以便于對(duì)學(xué)生的預(yù)習(xí)管理(教師課前審閱、簽字,不預(yù)習(xí)者不允許實(shí)驗(yàn))和實(shí)驗(yàn)課堂管理。此外,還對(duì)實(shí)驗(yàn)操作和實(shí)驗(yàn)報(bào)告編寫進(jìn)行了規(guī)范,確定了詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)成績(jī)?cè)u(píng)定方法。由于物理化學(xué)課程理論和實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)都較少,為了讓學(xué)生在有限的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中學(xué)到更多的知識(shí)和技能,我們做了以下嘗試: ① 在實(shí)驗(yàn)課前精心設(shè)計(jì),在課堂上詳細(xì)給學(xué)生講解實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹⒃?、現(xiàn)象、步驟、操作要點(diǎn)、注意事項(xiàng)、誤差來源等項(xiàng)目; ② 講解實(shí)驗(yàn)報(bào)告的編寫規(guī)范,重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)數(shù)據(jù)記錄、處理,結(jié)果分析和討論等，介紹作圖軟件Origin的使用,使學(xué)生在數(shù)據(jù)處理和作圖水平上有質(zhì)的提高; ③ 不僅讓學(xué)生學(xué)到實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目應(yīng)掌握的知識(shí),還介紹開展本實(shí)驗(yàn)對(duì)后續(xù)課程學(xué)習(xí)及對(duì)從事食品專業(yè)的意義; ④ 在理論課堂上詳細(xì)講解影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性的因素及改進(jìn)辦法，解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,并介紹一些項(xiàng)目測(cè)試儀器,以開闊學(xué)生視野; ⑤ 在實(shí)驗(yàn)課堂上嚴(yán)明紀(jì)律、正確示范、勤查細(xì)糾; ⑥ 嚴(yán)格要求并認(rèn)真批閱預(yù)習(xí)報(bào)告與實(shí)驗(yàn)報(bào)告,對(duì)存在的問題及時(shí)予以解答和糾正。通過這些措施,切實(shí)提高學(xué)生的規(guī)范化實(shí)驗(yàn)操作技能；通過這樣精做每一個(gè)實(shí)驗(yàn),使學(xué)生的動(dòng)手能力有很大提高。

2.4 不斷創(chuàng)新發(fā)展的實(shí)驗(yàn)課

食品專業(yè)對(duì)物理化學(xué)知識(shí)的需求與化學(xué)專業(yè)不同,不能完全照搬化學(xué)專業(yè)開設(shè)的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,要根據(jù)專業(yè)特點(diǎn)與需要,選開、改進(jìn)或更新相應(yīng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,使其與食品專業(yè)緊密結(jié)合。實(shí)驗(yàn)中或用食品工業(yè)原材料與試劑,或解決食品工業(yè)問題,這樣可使學(xué)生感到物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)不僅僅是為物理化學(xué)課程開設(shè),而且是為提高本專業(yè)所需要的技能或?qū)嶒?yàn)技術(shù)開設(shè),這樣能使學(xué)生切實(shí)感受到物理化學(xué)課程的重要性和實(shí)用性,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理化學(xué)的積極性。

我們?cè)?008年大幅度更新并增加了實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。對(duì)18學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)課所開設(shè)6個(gè)實(shí)驗(yàn)中的4個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了更新。這些實(shí)驗(yàn)受到學(xué)生的普遍歡迎。在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開設(shè)上,我們注重內(nèi)容創(chuàng)新,設(shè)計(jì)了一些與專業(yè)緊密結(jié)合的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,如通過制備固體酒精完成凝膠的制備實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)；通過對(duì)食品中二氧化硫殘留量的測(cè)定實(shí)驗(yàn)，完成電解質(zhì)溶液實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)等。

2.5 設(shè)計(jì)性或綜合性實(shí)驗(yàn)的開設(shè)[5-6]

設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)旨在培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立解決實(shí)際問題的能力。高校擴(kuò)招后,由于實(shí)驗(yàn)課資源不足,學(xué)生動(dòng)手能力的培養(yǎng)受到一定的影響,適當(dāng)開出設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題能力是有意義的。綜合實(shí)驗(yàn)涉及實(shí)驗(yàn)程序設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)材料、條件和設(shè)備選用等內(nèi)容,以及實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)書與實(shí)驗(yàn)報(bào)告書的寫作,能全面地鍛煉學(xué)生工作能力，此外還能培養(yǎng)學(xué)生查閱文獻(xiàn)的能力。

2008和2009年開設(shè)的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)是食品中二氧化硫殘留量測(cè)定實(shí)驗(yàn)和凝固點(diǎn)降低法測(cè)定肉桂酸芐酯的摩爾質(zhì)量實(shí)驗(yàn), 2009年開設(shè)的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)是固體酒精的制備。這些都是我們的獨(dú)創(chuàng)性實(shí)驗(yàn),與食品專業(yè)結(jié)合緊密而且實(shí)用性很強(qiáng),學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中學(xué)會(huì)了工作方法,提高了實(shí)驗(yàn)技能。

3 食品專業(yè)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系改革的效果

3.1 激發(fā)了學(xué)生實(shí)驗(yàn)的積極性

學(xué)生對(duì)固體干凝膠吸水膨脹實(shí)驗(yàn)和硬脂酸鈉濃溶膠膠凝制備固體酒精實(shí)驗(yàn)很有興致,實(shí)驗(yàn)效果很好。實(shí)踐證明,只有應(yīng)用性和趣味性強(qiáng)的實(shí)驗(yàn),才能令學(xué)生感興趣,收到預(yù)期效果。

3.2 增強(qiáng)了學(xué)生實(shí)驗(yàn)的主動(dòng)性

我們針對(duì)食品專業(yè)所開設(shè)的物理化學(xué)實(shí)驗(yàn),具有很強(qiáng)的專業(yè)基礎(chǔ)性和實(shí)用性,學(xué)生覺得這門課與專業(yè)結(jié)合緊密,學(xué)習(xí)主動(dòng)性就高漲,實(shí)驗(yàn)效果也好。而若照做化學(xué)專業(yè)的物理化學(xué)實(shí)驗(yàn),學(xué)生會(huì)覺得內(nèi)容

與自己專業(yè)無關(guān),難以調(diào)動(dòng)學(xué)生的主動(dòng)性。

3.3 為學(xué)生后續(xù)專業(yè)課學(xué)習(xí)奠定了基礎(chǔ)

通過物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)課,培養(yǎng)了學(xué)生綜合分析問題的能力。學(xué)生能夠獨(dú)立設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),開展某些制備或測(cè)試性工作,掌握了諸如膠凝、電導(dǎo)測(cè)定、食品添加劑熱值測(cè)定、食品表面活性劑表面張力測(cè)定、凝固點(diǎn)降低法測(cè)定某些小分子非電解質(zhì)純組分食品的摩爾質(zhì)量等方法和實(shí)驗(yàn)技術(shù)。這些為后續(xù)專業(yè)課程學(xué)習(xí)奠定了必要的理論知識(shí)基礎(chǔ)和實(shí)驗(yàn)技能基礎(chǔ)。

3.4 培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)的能力和查閱應(yīng)用文獻(xiàn)資料的能力

在學(xué)習(xí)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程時(shí)，大部分學(xué)生掌握了微機(jī)的基本操作、熟悉了Excel、Origin數(shù)據(jù)處理軟件和文稿的初步編輯處理知識(shí)，學(xué)到了查閱文獻(xiàn)的基本方法，并可在實(shí)驗(yàn)前通過查閱文獻(xiàn)獲取實(shí)驗(yàn)中需用的一些基本公式或數(shù)據(jù)。

3.5 培養(yǎng)了學(xué)生的合作能力

部分實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目需要兩個(gè)人合作完成，教師對(duì)學(xué)生進(jìn)行隨機(jī)編組，不允許學(xué)生自己調(diào)換，要求學(xué)生能與不同性格的同學(xué)合作，共同完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)。為學(xué)生順利走向社會(huì)打好基礎(chǔ)。

參 考 文 獻(xiàn)

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