熱分析儀器實驗教學(xué)實踐

姚 芳，孫岳明

（東南大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，江蘇 南京 211189）

熱分析是指在程序控制溫度和一定氣氛下，測量物質(zhì)的物理性質(zhì)與溫度或時間關(guān)系的一類技術(shù)［1］。熱分析根據(jù)所測量的不同物理性能，可分為熱重分析（TGA）、差熱分析（DTA）、差示掃描量熱分析（DSC）、熱機(jī)械分析（TMA）、動態(tài)熱機(jī)械分析（DMA）等多種技術(shù)。利用熱分析技術(shù)可以定性定量地表征物質(zhì)的熱性能，包括測定材料的熱穩(wěn)定性、高分子材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、熔融、結(jié)晶等諸多物理性能以及機(jī)械性能等，在聚合物材料、藥物、含能材料、金屬、礦物、石油、陶瓷等眾多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，是分析和表征物質(zhì)熱性能的極其有用的手段［2-9］。隨著材料和高分子科學(xué)的迅猛發(fā)展，熱分析儀器在生產(chǎn)和科研中使用也越來越廣泛。許多高校相關(guān)專業(yè)開設(shè)了熱分析課程，其實驗教學(xué)也逐漸成為高校儀器分析課程的重要組成部分。然而目前大型儀器實驗教學(xué)中由于儀器數(shù)量、專業(yè)學(xué)時的限制以及熱分析實驗時間較長等原因，普遍存在著演示教學(xué)多的現(xiàn)象［10-11］，大部分學(xué)生只能停留在對儀器的粗淺認(rèn)識以及基本識圖解圖的層面上。而對于即將走上工作崗位從事相關(guān)工作的本科生來說，熟悉大型儀器的功能以及靈活使用各種大型儀器［12-13］，能為他們今后實際工作中選擇正確的分析儀器解決實際問題奠定一個堅實的基礎(chǔ)。本文結(jié)合熱分析實驗教學(xué)的多年經(jīng)驗，以水合草酸鈣的同步差熱-熱重實驗為例，針對高分子、材料、化學(xué)工程及相關(guān)專業(yè)的本科生熱分析實驗教學(xué)存在的演示教學(xué)的問題作了一些有益的探索和改進(jìn)，取得較好的教學(xué)效果。

1 抓好課前預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)

對于高校開設(shè)的常規(guī)儀器分析課程，水合草酸鈣的同步差熱-熱重分析（DSC-TGA）為其實驗之一，只有4學(xué)時。在這有限的課時內(nèi)讓學(xué)生掌握熱重的原理、儀器的操作規(guī)程、了解草酸鈣熱分解實驗步驟以及完成DSC-TGA圖的解析等多項任務(wù)，預(yù)習(xí)是其中非常重要的一環(huán)。在開課前1～2周，把實驗安排以及預(yù)習(xí)要點發(fā)給學(xué)生，提供參考書和相關(guān)文獻(xiàn)，學(xué)生要按照要求做好預(yù)習(xí)工作。為了把預(yù)習(xí)真正落到實處，要求學(xué)生書寫預(yù)習(xí)報告并回答預(yù)習(xí)思考題。預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)作為評判學(xué)生成績的一部分。

2 實現(xiàn)小組化教學(xué)

傳統(tǒng)的演示教學(xué)過程是大班化教學(xué)，教師簡單地介紹儀器、演示操作過程。由于人數(shù)過多，不可能讓所有學(xué)生親自動手實驗，造成了學(xué)生對儀器分析實驗的印象膚淺，思考不多。儀器分析實驗過程其實是學(xué)生主動學(xué)習(xí)的過程，這種大班化的演示教學(xué)不能保證人人有機(jī)會去操作儀器，導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)中喪失了主動性和創(chuàng)造性，偏離了實驗教學(xué)的目的和意義。

為了提高教學(xué)效果，熱分析實驗在近年來提出小組化教學(xué)的模式，保證每次實驗安排3～4人一組，試樣準(zhǔn)備、儀器操作、數(shù)據(jù)處理都由學(xué)生親自動手。相比傳統(tǒng)的演示教學(xué)，小組化教學(xué)有如下特點和優(yōu)勢：

（1）提高學(xué)生參與度。小組化教學(xué)模式賦予所有學(xué)生獨立操作熱分析儀器的機(jī)會，學(xué)生能夠認(rèn)真分析測試數(shù)據(jù)、解釋反應(yīng)機(jī)理，加大了每個學(xué)生在教學(xué)活動中的參與度，從而加深學(xué)生對實驗內(nèi)容及熱分析儀器的理解，為今后從事相關(guān)科研奠定了良好的基礎(chǔ)。

（2）加大師生互動交流。在小組化教學(xué)模式下，師生交流空間大，相對以往的大班化演示教學(xué)，教師對學(xué)生的關(guān)注度會提高，可以照顧到每個學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)，鼓勵學(xué)生有問題及時提出，而學(xué)生也有更多的機(jī)會與教師交流，達(dá)到師生之間的平等和諧互動。

（3）提高學(xué)習(xí)主動性。學(xué)生是教學(xué)的主體，儀器分析實驗教學(xué)策略的制定及內(nèi)容的確立，都是以學(xué)生對儀器的熟練操作為目的。在小組化教學(xué)的實施過程中，充分體現(xiàn)了學(xué)生學(xué)習(xí)的主體性，激發(fā)了他們的學(xué)習(xí)興趣和能動性，把以往演示教學(xué)中的被動學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)化為主動掌握，極大地提高了教學(xué)質(zhì)量和效果。

3 注重互動教學(xué)方式

在小組化教學(xué)模式的實施下，注重結(jié)合互動教學(xué)方式，在教師指導(dǎo)下，充分調(diào)動學(xué)生的積極性、主動性、參與性和創(chuàng)造性，使學(xué)生最大限度地投入實驗教學(xué)活動中。帶教教師是實驗教學(xué)的組織者和指導(dǎo)者，教學(xué)過程不能只偏向講授，更多的是注重提示和引導(dǎo)，加強(qiáng)教學(xué)中的互動環(huán)節(jié)，針對實驗中關(guān)鍵操作步驟提問，鼓勵學(xué)生提問，鼓勵學(xué)生動手操作，并在實驗過程中就某些思考題進(jìn)行討論交流，在充分交流和互動中獲得問題的結(jié)果，營造活躍的課堂氣氛；而在實驗結(jié)束后，要求以小組為單位對實驗情況和結(jié)果進(jìn)行分析匯總，從而提高學(xué)生對實驗內(nèi)容的整體認(rèn)知。我們以水合草酸鈣同步差熱-熱重實驗為例，從實驗安排、實驗教學(xué)實施以及實驗評價3方面就互動式教學(xué)方式進(jìn)行了嘗試和摸索，取得不錯的教學(xué)效果。

3.1 實驗安排

在水合草酸鈣同步差熱-熱重實驗教學(xué)中，因為草酸鈣熱分解實驗的過程較長，約2.5h，而熱分析實驗本身課時只有4學(xué)時，所以在教學(xué)過程中要進(jìn)行統(tǒng)籌安排，做到重點突出。在學(xué)生充分預(yù)習(xí)的前提下，減少講授時間，給學(xué)生足夠的時間獨立操作儀器。為此在教學(xué)安排上以學(xué)生為主，分以下幾個環(huán)節(jié)進(jìn)行：基本原理及操作規(guī)程講解、針對預(yù)習(xí)思考題提問、學(xué)生獨立模擬操作儀器、關(guān)鍵步驟以及難點交流討論、進(jìn)行數(shù)據(jù)分析以及小組總結(jié)。

3.2 實驗教學(xué)實施

（1）首先利用15min簡單講解儀器的原理，進(jìn)一步介紹熱分析儀器的基本操作規(guī)程，消除學(xué)生對儀器的陌生感。

（2）針對預(yù)習(xí)進(jìn)行提問，檢查預(yù)習(xí)情況。例如：解釋TGA、DSC的含義；區(qū)分DSC與DTA的異同；在草酸鈣熱分解實驗中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，分別伴隨的熱效應(yīng)等。這些提問也是圍繞實驗原理進(jìn)行，進(jìn)一步加深學(xué)生對實驗的印象。

（3）之后在電腦上示范儀器的操作過程，并解釋每一步參數(shù)設(shè)置目的；在此基礎(chǔ)上，鼓勵每個學(xué)生參照實驗講義中的操作步驟進(jìn)行實驗?zāi)M操作，就其過程中關(guān)鍵操作環(huán)節(jié)加以提示，并檢查學(xué)生掌握程度。如在設(shè)置參數(shù)時，可提問：實驗參數(shù)中溫度范圍如何設(shè)置？升溫速率以及實驗氣氛如何選擇？在加試樣時，會提問：如何選擇坩堝的類型？固體試樣量以及試樣狀態(tài)對實驗數(shù)據(jù)的影響？

（4）在所有學(xué)生完成模擬操作之后開始正式測樣，在等待測試結(jié)果的過程中，請學(xué)生注意電腦記錄儀接收的信號有哪些，區(qū)分哪個信號為TGA，哪個信號為DSC。鼓勵學(xué)生對實驗結(jié)果和數(shù)據(jù)進(jìn)行思考，并提出問題，進(jìn)行小組討論交流。例如他們可能會提出：TGA和DSC分別有哪些應(yīng)用，如何解析TGA和DSC圖，DSC的峰朝向代表吸熱或放熱，樣品中含有水分對TGA的影響，如何通過DSC曲線算出分解熱等。有些問題可以從實驗數(shù)據(jù)中直接得出答案，有的我們會通過舉一些實用例子進(jìn)行講解，還有的經(jīng)過一些適當(dāng)提示，學(xué)生通過思考也能得到答案。在討論交流過程中啟發(fā)學(xué)生激活思維、取長補短、加深理解，真正達(dá)到提高分析問題、解決問題能力的目標(biāo)，共同完成教學(xué)任務(wù)。

（5）測試結(jié)束后，引導(dǎo)學(xué)生以小組為單位進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。水合草酸鈣的熱分解DSC-TGA測試數(shù)據(jù)如圖1所示。根據(jù)TGA三步失重，分析水合草酸鈣的三步熱分解過程，及其對應(yīng)的三步反應(yīng)方程式；根據(jù)TGA熱失重數(shù)據(jù)（W1%，W2%或者 W3%）計算水合草酸鈣的水合分子數(shù)；根據(jù)DSC曲線峰的方向以及峰的積分面積判斷相對應(yīng)的熱效應(yīng)。

圖1 水合草酸鈣熱分解DSC-TGA圖（空氣氣氛）

（6）最后對實驗結(jié)果進(jìn)行總結(jié)匯報，鼓勵學(xué)生大膽表述實驗結(jié)果以及誤差分析，對于一知半解的地方，可做適當(dāng)提示引導(dǎo)學(xué)生分析，直至得出結(jié)論。

3.3 實驗評價

互動式教學(xué)的核心目標(biāo)是讓學(xué)生更好地參與到實驗中，良好的師生互動有助于學(xué)生提高學(xué)習(xí)的興趣以及增強(qiáng)對儀器的理解和知識的掌握。我們在教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，由于互動教學(xué)的實施，教師對學(xué)生的關(guān)注度明顯提高。在教學(xué)中給予學(xué)生適當(dāng)?shù)脑u價和鼓勵，能夠顯著增強(qiáng)學(xué)生的自信心和學(xué)習(xí)興趣，所以建立一種合理的評價機(jī)制，客觀地分析評價學(xué)生的實驗掌握情況，是提高實驗教學(xué)效果的有效途徑，否則，學(xué)生感受不到教師的評價，學(xué)得好與壞都無從顯示，這樣導(dǎo)致互動式教學(xué)只會流于形式，走過場。我們在教學(xué)中，結(jié)合預(yù)習(xí)、獨立操作、數(shù)據(jù)處理和實驗總結(jié)這4部分的情況和表現(xiàn)，綜合給予成績，納入成績評定中。

通過以上互動教學(xué)的安排、實施和評價，改變傳統(tǒng)演示教學(xué)注入式的教學(xué)方式，注重動手動腦能力的培養(yǎng)。學(xué)生通過獨立操作儀器，加深對儀器的印象，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性以及課堂的教學(xué)效果；互動教學(xué)提供了學(xué)生之間、師生之間的交流平臺，營造了生動有趣的課堂氣氛。在教學(xué)中，教師不僅能關(guān)注每一個學(xué)生的學(xué)習(xí)，及時發(fā)現(xiàn)教學(xué)中存在的問題，還可激發(fā)教師的靈感，有助于提高教師的業(yè)務(wù)水平。

4 注重數(shù)據(jù)分析能力的培養(yǎng)

熱分析的數(shù)據(jù)是分析測試的最終結(jié)果，正確理解和分析數(shù)據(jù)的意義，掌握熱分析在高分子材料、藥物化學(xué)、化學(xué)工程等領(lǐng)域的應(yīng)用，為學(xué)生今后從事相關(guān)工作提供幫助才是這門課的最終目標(biāo)，因此在教學(xué)過程中要突出對學(xué)生數(shù)據(jù)分析能力的培養(yǎng)。我們的做法是不僅要正確解析草酸鈣的TGA-DSC數(shù)據(jù)，還結(jié)合不同應(yīng)用領(lǐng)域從成分分析、材料鑒定、熱穩(wěn)定性能表征、聚合物材料相容性研究、聚合物玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的測定等多方面，給學(xué)生提供5～6份熱分析數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和講解。例如，其中一份數(shù)據(jù)為聚氯乙烯（PVC）的熱分解TGA數(shù)據(jù)。PVC的熱分解分為2個階段，第一階段發(fā)生在200℃～300℃，主要分解產(chǎn)物是HCl，主鏈形成共軛雙鍵，熱穩(wěn)定性提高，出現(xiàn)一個平臺；至420℃，發(fā)生主鏈斷裂，開始第二失重階段，最后約10%的殘余物的結(jié)構(gòu)與碳相似，直至700℃也不會分解，又形成了第二個平臺。通過上述例子的分析，結(jié)合每步熱分解對應(yīng)的分子結(jié)構(gòu)的變化，了解物質(zhì)結(jié)構(gòu)與材料熱穩(wěn)定性之間的關(guān)系，同時讓學(xué)生了解到熱重分析是檢測物質(zhì)熱穩(wěn)定性的一種有效手段。

通過多份數(shù)據(jù)的解析，提高學(xué)生對熱分析數(shù)據(jù)的分析能力以及加深對熱分析儀器的理解，為今后正確選擇相關(guān)熱分析儀器解決實際問題奠定基礎(chǔ)。

5 開設(shè)熱分析實驗研討課

鑒于以上互動教學(xué)和小組化教學(xué)的開展，基本上可以杜絕演示教學(xué)的弊端，但是對于一些學(xué)有余力的學(xué)生以及即將進(jìn)入畢業(yè)設(shè)計的學(xué)生來說，學(xué)時數(shù)是限制學(xué)生熟練操作和靈活運用儀器的壁壘。因此我們熱分析組向?qū)W校教務(wù)處申請開設(shè)了“化學(xué)實驗研討課——熱分析儀工作原理與使用規(guī)范”。該課是面向化學(xué)化工學(xué)院各專業(yè)本科生、碩士生、博士生開設(shè)的一門大型儀器操作培訓(xùn)課程，化學(xué)實驗研討為其教學(xué)方式。以大型儀器操作培訓(xùn)為主要環(huán)節(jié)，以培訓(xùn)學(xué)生熟練操作大型儀器及取得儀器上崗證為目標(biāo)，小組化教學(xué)，提供學(xué)生9個熱分析實驗，實驗安排由易到難，包括7個基礎(chǔ)性實驗以及2個綜合性實驗和創(chuàng)新性實驗。學(xué)生通過理論、操作以及儀器實訓(xùn)的基本訓(xùn)練，能夠獨立操作儀器進(jìn)行多樣品測試并獲得上崗證為合格。獲得上崗證的學(xué)生通過網(wǎng)上預(yù)約系統(tǒng)可自行獨立操作儀器。

研討課的開設(shè)為學(xué)生提供了充分的課時去熟悉和操作儀器。研討課對學(xué)生的要求較之儀器分析實驗更進(jìn)一步，鼓勵學(xué)生獨立設(shè)計參數(shù)、獨立思考、獨立處理數(shù)據(jù)，培養(yǎng)學(xué)生靈活熟練運用大型儀器進(jìn)行科學(xué)研究。

6 實行開放實驗室

學(xué)生經(jīng)過研討課的多批次樣品培訓(xùn)，基本上具備了獨立操作熱分析的能力，但是如何對所學(xué)內(nèi)容進(jìn)行鞏固和加強(qiáng)，達(dá)到“學(xué)以致用”的目的也是保證教學(xué)質(zhì)量的關(guān)鍵。我們依據(jù)學(xué)校大型儀器平臺建設(shè)要求，對取得上崗證的學(xué)生開放實驗室，鼓勵學(xué)生帶課題申請，延續(xù)培訓(xùn)。學(xué)生在課程結(jié)束后，根據(jù)自己的需要可以進(jìn)入實驗室開展科研工作，特別是在畢業(yè)設(shè)計環(huán)節(jié)的學(xué)生。畢設(shè)課題的開展，會有大量樣品需要測試，鼓勵這樣的學(xué)生帶課題延續(xù)培訓(xùn)，一方面加強(qiáng)了知識的鞏固，提高學(xué)生對于儀器的熟練操作程度，另外也培養(yǎng)了學(xué)生獨立處理問題和解決問題的能力。

7 結(jié)束語

通過在熱分析實驗教學(xué)過程中穿插互動教學(xué)、實現(xiàn)小組化教學(xué)、開設(shè)研討課、開放實驗室延續(xù)培訓(xùn)等多種模式的探索，使學(xué)生能夠真正做到靈活掌握、熟練操作、活學(xué)活用，完全擯除了以往儀器實驗教學(xué)中演示實驗以及受學(xué)時數(shù)限制、儀器數(shù)量不夠等帶來的種種教學(xué)弊端。學(xué)生由不敢接觸大型儀器、不會使用、不會解析數(shù)據(jù)到培訓(xùn)之后的靈活操作、學(xué)以致用，取得了很好的教學(xué)效果，達(dá)到了提高實驗教學(xué)質(zhì)量的目標(biāo)。

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