熱分析儀器實驗教學(xué)探索

張震雷， 王廣華

(同濟大學(xué) a. 材料科學(xué)與工程學(xué)院；b. 先進土木工程材料教育部重點實驗室，上海 201804)

熱分析儀器實驗教學(xué)探索

張震雷a,b， 王廣華a

(同濟大學(xué) a. 材料科學(xué)與工程學(xué)院；b. 先進土木工程材料教育部重點實驗室，上海 201804)

熱分析儀器是材料科學(xué)與工程專業(yè)教學(xué)與科研重要的大型儀器之一。由于大型精密儀器價格昂貴，操作技術(shù)要求高，一般實驗室僅配一套而已，每個學(xué)生不太可能都有獨立操作該儀器的機會，設(shè)計型和創(chuàng)新型實驗的開展則更不能適應(yīng)當前的現(xiàn)實要求。為了更好地適應(yīng)教學(xué)發(fā)展的需要，圍繞著“以學(xué)生發(fā)展為本”的主導(dǎo)思想，對熱分析儀器實驗教學(xué)從增加實驗課時、更新實驗教學(xué)內(nèi)容、推行模塊式教學(xué)方法和構(gòu)建開放實驗平臺等方面對儀器分析實驗教學(xué)進行了改革探索，以推進學(xué)生實踐能力和創(chuàng)新精神的協(xié)調(diào)發(fā)展，為培養(yǎng)符合國家需求的工程人才服務(wù)。

實驗教學(xué)； 熱分析儀器； 教學(xué)改革； 開放實驗

0 引 言

為了更好地適應(yīng)新時期教學(xué)發(fā)展的需要，高校教育除了抓好基礎(chǔ)理論教學(xué)外，還必須重點加強實驗、實習(xí)等實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)的開展，使學(xué)生有針對性地得到較為系統(tǒng)的基本技能和專業(yè)技能訓(xùn)練。大型精密儀器實驗教學(xué)是以教導(dǎo)學(xué)生使用精密儀器為主的技能性課程，是儀器分析中非常重要的實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)。通過實驗教學(xué)，一方面，可以使學(xué)生鞏固和深入了解儀器測試的基本原理，熟悉科學(xué)實驗的方法，掌握必備的實驗技能，滿足高層次人才的基本要求；另一方面，通過儀器分析實驗，還可以增強學(xué)生分析與解決實際問題的能力，提高學(xué)生的專業(yè)素質(zhì)，從而使學(xué)生成長為能夠適應(yīng)未來科學(xué)研究及實際工作的合格人才。

然而，由于大型精密儀器設(shè)備價格昂貴，以致實驗儀器數(shù)量有限，學(xué)生操作實踐的機會非常有限。脫離儀器一味的空洞說教，使學(xué)生難以得到感性認識，更不能上升為理性認識。為了提高儀器實驗教學(xué)質(zhì)量，針對目前實驗教學(xué)中存在的問題，本文以熱分析實驗教學(xué)為教學(xué)改革依托，對熱分析實驗教材進行了改編，增加了熱分析儀器在材料研究中的應(yīng)用實例；建立了基礎(chǔ)型實驗教學(xué)、提高型實驗教學(xué)和研究型實驗教學(xué)三大實驗教學(xué)模塊；構(gòu)建了熱分析儀器開放實驗平臺。通過模塊化實驗教學(xué)，學(xué)生實驗知識的學(xué)習(xí)由淺入深，實驗?zāi)芰Φ呐囵B(yǎng)循序漸進，由被動的接受知識向主動的獲取知識轉(zhuǎn)變。通過在熱分析儀器實驗教學(xué)中的進行的一系列改革，本課題在大型精密儀器實驗教學(xué)過程中積累了些許經(jīng)驗，希望能為今后儀器實驗教學(xué)提供一些思路。

1 熱分析儀器實驗教學(xué)改革的探索

1.1 課時改革

儀器實驗教學(xué)一般包括儀器原理介紹、儀器實驗方法設(shè)置和實驗條件選擇、實驗數(shù)據(jù)分析等內(nèi)容。傳統(tǒng)教學(xué)一般采用理論式、示范式教學(xué)，這種教學(xué)方式中學(xué)生能夠真正獨立接觸儀器親自進行實驗實踐的學(xué)時非常有限，所以大部分學(xué)生對于實驗課程的內(nèi)容總是一知半解，模模糊糊，實驗教學(xué)效果差，學(xué)生學(xué)習(xí)積極性不高。因此，從課時上對實驗課程進行改革，加大儀器操作的學(xué)時安排，讓每個學(xué)生有充足的時間參與到整個實驗環(huán)節(jié)，深入思考所學(xué)理論基礎(chǔ)如何與實驗實踐相結(jié)合，是實驗教學(xué)改革的第一步。在新的課時安排中，對儀器工作原理的講解主要放在理論課上進行，實驗課中只做簡單的回顧，這樣可以給學(xué)生足夠的時間進行儀器操作。在學(xué)生實驗過程中，實驗教師就儀器操作過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)加以引導(dǎo)。如學(xué)生設(shè)計熱重實驗程序時，實驗教師可以提問：實驗溫度范圍應(yīng)該如何選擇[1]，需要注意哪些原則；實驗升溫速率應(yīng)該如何選擇[2]，快速或慢速升溫程序會對測試結(jié)果帶來哪些影響；選擇不同的測試氣氛[3-4]是否會帶來實驗結(jié)果的差異等。通過具體實驗條件的設(shè)置選擇，可以充分調(diào)動學(xué)生的參與性，使學(xué)生最大限度的投入到實驗教學(xué)中。

1.2 教學(xué)內(nèi)容重新設(shè)置

每一門課程中,教材都扮演著重要的角色。然而目前使用的儀器實驗教材內(nèi)容陳舊，已經(jīng)遠遠落后于當前流行的儀器技術(shù)潮流。例如以前熱分析儀器教學(xué)主要講述的是熱重分析(TGA)、差熱分析(DTA)和差示掃描量熱分析(DSC)[5]這幾種傳統(tǒng)的熱分析手段，但是對于當前在實踐和研究中廣泛應(yīng)用的熱膨脹儀(DIL)[6]、激光閃射導(dǎo)熱儀(LFA)[7]和熱機械分析儀(TMA)[8]等卻鮮有涉及。為了提高課程的先進性和有效性，我們重新設(shè)置了熱分析儀器理論和實驗環(huán)節(jié)的教學(xué)內(nèi)容，不僅把熱分析的最新發(fā)展動向和最新型號的儀器介紹給學(xué)生，而且把握理論教學(xué)與實際應(yīng)用相輔相成的關(guān)系，舉例講述了熱分析在高分子材料[9]、生物醫(yī)藥領(lǐng)域[10]、建筑材料[11]、金屬材料[12]和無機非金屬材料[13]中的應(yīng)用，開闊了學(xué)生的視野，以便為學(xué)生將來科研和生產(chǎn)實踐提供有益思路。

1.3 教學(xué)模式改革

改革后的熱分析儀器實驗課程以學(xué)生作為儀器實驗教學(xué)的主體，在教學(xué)安排上運用“由淺入深、循序漸進”的原則，由基礎(chǔ)型實驗、提高型實驗和科研型實驗3大實驗教學(xué)模塊組成。

(1) 基礎(chǔ)型實驗?；A(chǔ)型實驗適合專業(yè)入門階段的學(xué)生，主要安排學(xué)生學(xué)習(xí)熱分析基礎(chǔ)實驗技能，教導(dǎo)學(xué)生對儀器進行簡單的實驗操作，初步分析實驗結(jié)果，是學(xué)生從課本知識到實踐操作的第一步。例如，在TGA樣品的制備過程中，樣品不能受到污染且樣品需盡可能沒有變化，同時要求樣品制備的方法應(yīng)該是一致和可重復(fù)的，這樣才能更容易獲得可對比的數(shù)據(jù)。此外，制備過程中，還需考慮樣品形態(tài)的影響，樣品的形狀和顆粒大小不同，對熱重分析的氣體產(chǎn)物擴散影響亦不同。一般大片狀的試樣的分解溫度比顆粒狀試樣的分解溫度高，粗顆粒的分解溫度比細顆粒的分解溫度高。又比如在DSC熱分析實驗中，金屬鋁坩堝的傳熱性好，靈敏度、峰分離能力、基線性能等均佳，但是其溫度范圍較窄(< 600 ℃)，故多用于中低溫型DSC測試，也可用于比熱測試。而另一種較為常用的氧化鋁剛玉坩堝，溫度范圍寬廣，樣品適應(yīng)面廣，但其靈敏度、峰分離能力較金屬材質(zhì)的坩堝差，高溫時坩堝存在一定的透明性，基線會有漂移，熱焓精度較低，不適于測定比熱。在示范儀器操作時，實驗教師需要詳細解釋每個實驗參數(shù)設(shè)置的目的。例如在DSC實驗中，為提高微弱熱效應(yīng)的靈敏度，需加大升溫速率；而為提高相鄰峰的分離度，則要采取慢速升溫速率。在測試結(jié)束之后，實驗教師還可以引導(dǎo)學(xué)生利用實驗數(shù)據(jù)進行簡單的定性、定量分析。通過基礎(chǔ)型實驗教學(xué)，學(xué)生對實驗儀器不再感到陌生，掌握了基本的儀器操作方法，了解了基本的實驗步驟，學(xué)生實驗操作基本功得到了訓(xùn)練。

(2) 提高型實驗。提高型實驗是在學(xué)生掌握基本理論和基本儀器操作的基礎(chǔ)上，教師根據(jù)學(xué)生對知識的掌握程度、學(xué)習(xí)進度、專業(yè)方向等客觀因素，對學(xué)生給予分配不同的實驗任務(wù)，讓學(xué)生根據(jù)實驗要求自己設(shè)計實驗。在提高型實驗單元，我們按照高分子專業(yè)、金屬材料專業(yè)、建筑材料專業(yè)等不同專業(yè)方向的特點及其常用的熱分析儀器及實驗方法，來要求學(xué)生根據(jù)材料種類選擇合適的熱分析儀器，設(shè)計相應(yīng)的實驗程序。例如對于高分子樣品，從熔體快速冷卻，則結(jié)晶度將降低，玻璃化轉(zhuǎn)變較明顯，此時的熔融峰較?。欢倮鋮s，結(jié)晶度較高，熔融峰較大，玻璃化轉(zhuǎn)變則相對不明顯。如果需要觀察的是玻璃化轉(zhuǎn)變，使用DSC測試時常常采用二次升溫的溫度程序，第一次升溫消除原冷卻/結(jié)晶歷史對熔融過程的影響，快速冷卻后的第二次升溫有助于對樣品玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的觀察。如果需要觀察的是熔融過程，則采用慢速冷卻觀察熔融峰較為有利。又比如使用熱重分析儀觀察樣品的熱穩(wěn)定性，如果研究的是裂解反應(yīng)，需要在惰性氣氛下進行測試；如果研究目的是氧化反應(yīng)，則需要提供氧氣以參與氧化過程。在提高型實驗教學(xué)中，通過學(xué)生自行設(shè)計實驗，加深了學(xué)生對熱分析儀器的理解，為其今后正確的設(shè)置實驗方案以解決實際問題打下了基礎(chǔ)。

(3) 研究型實驗?；A(chǔ)型實驗、提高型實驗積累到一定階段后，在教師的組織與引領(lǐng)下，學(xué)生可以根據(jù)個人興趣，自主申請研究課題。例如學(xué)生提出用DSC分析塑料吸管的材質(zhì)及安全使用溫度。根據(jù)初步的查閱資料，學(xué)生了解到塑料吸管材質(zhì)一般為聚丙烯[14]，英文縮寫為PP。PP 具有良好的耐熱性，熔點在164～170 ℃[15]。學(xué)生選取利樂包裝上附帶的吸管作為研究對象，設(shè)計了DSC的溫度程序：從25 ℃開始，以10 ℃/min的升溫速率升溫到200 ℃，用以觀察PP的熔融溫度。根據(jù)熔點來定性判斷該材料是否為PP，根據(jù)起始熔融溫度來判斷塑料吸管的安全使用溫度。

圖1 塑料吸管的DSC曲線

從圖1可看出，樣品的熔點為164 ℃，與之前推測的等規(guī)(全同)聚丙烯相一致。根據(jù)進一步查閱資料發(fā)現(xiàn)，聚合過程的不同，會導(dǎo)致熔點的差異：如果是結(jié)構(gòu)規(guī)整而高度結(jié)晶化的聚丙烯，則熔點高達167 ℃；但如果是無規(guī)聚丙烯，則熔點大致為144 ℃[16]?？梢娋郾┑囊?guī)整度、結(jié)晶度越高，熔融溫度就越高。從圖1還可看出，樣品起始熔融溫度為155 ℃，可見PP材料在人們?nèi)粘Ｊ褂玫臏囟确秶鷥?nèi)不會發(fā)生熔解現(xiàn)象。

圖2、3分別為高純氮氣氣氛和空氣氣氛下塑料吸管的TG-DTG曲線，從該兩圖可知，塑料吸管在高純氮氣中的起始分解溫度約為400 ℃，到500 ℃整個分解反應(yīng)全部結(jié)束，殘余量約2%；而在空氣中的起始分解溫度約為250 ℃，遠遠低于在高純氮氣中的起始分解溫度。這主要是由于空氣中含有一定量的氧氣，在高溫時和PP發(fā)生燃燒反應(yīng)，反應(yīng)溫度較低，而在高純氮氣中由于沒有氧的存在，只能發(fā)生裂解反應(yīng)，反應(yīng)溫度較高。在空氣中550 ℃時整個分解反應(yīng)全部結(jié)束，沒有殘余。由熱重分析可知，塑料吸管的熱分解溫度遠遠高于我們?nèi)粘Ｊ褂脺囟确秶梢奝P材料在人們?nèi)粘Ｊ褂弥羞€是很安全的。

圖2 高純氮氣中塑料吸管的TG-DTG曲線

圖3 空氣中塑料吸管的TG-DTG曲線

學(xué)生在研究型實驗中，從研究課題的選擇，到實驗方案的設(shè)計，到操作儀器進行測試，數(shù)據(jù)分析，得到了一次全面鍛煉的機會，直觀的感受到科學(xué)探究的過程，不僅加深了對熱分析儀器的理解，而且對自己的專業(yè)也有了更深層次的認知，為以后學(xué)生的項目研究奠定了基礎(chǔ)。

1.4 開放實驗室的構(gòu)建

為了配合基礎(chǔ)型實驗、提高型實驗和研究型實驗3大教學(xué)模塊的實施，我們構(gòu)建了熱分析開放實驗室，將實驗室所有熱分析儀器對學(xué)生全天候開放，由學(xué)生預(yù)約時間，自主開展實驗。開放的實驗內(nèi)容也根據(jù)三大教學(xué)模塊分為3部分：① 實驗基本操作練習(xí)。一些實驗基礎(chǔ)比較差的學(xué)生，可以在開放實驗室里進行基本操作技能的訓(xùn)練，對所學(xué)的內(nèi)容進行鞏固和加強。② 實驗設(shè)計方案驗證。在提高型實驗?zāi)Ｊ街?，學(xué)生根據(jù)所分配的實驗任務(wù)、實驗要求，自行設(shè)計完成實驗方案之后，可在開放實驗室里進行樣品測試，驗證實驗方案的合理性，并分析實驗數(shù)據(jù)，得出實驗結(jié)果。③ 研究型實驗的開展。學(xué)生根據(jù)自己的興趣愛好或研究方向自行提出研究課題，設(shè)計實驗，在開放實驗室開展實驗活動。

實驗平臺的開放，摒除了儀器實驗教學(xué)中受學(xué)時數(shù)和儀器數(shù)量不夠帶來的限制，便于學(xué)生利用課余時間練習(xí)儀器的使用，熟悉實驗過程，掌握實驗技能，在實際儀器操作過程中學(xué)生真正知道做什么，怎么做。開放實驗室還可以給學(xué)生開展提高型實驗和研究型實驗提供有力的硬件保障，放手讓學(xué)生在整個實驗過程中唱“主角”，讓學(xué)生充分發(fā)揮，體驗實驗的樂趣。

2 結(jié) 語

大型精密儀器實驗教學(xué)，不僅要教學(xué)生儀器的使用方法，更主要是在實驗教學(xué)中培養(yǎng)具有研究精神和創(chuàng)新精神的人才。本文從實驗課時的改革，多元化實驗教學(xué)內(nèi)容引入，基礎(chǔ)型實驗、提高型實驗和研究型實驗三大實驗教學(xué)模式的構(gòu)建和開放式實驗室的設(shè)立等幾方面對熱分析儀器實驗教學(xué)改革進行了探索，為學(xué)生創(chuàng)造出寬松而富有創(chuàng)新性的學(xué)習(xí)氛圍，讓學(xué)生的對儀器的掌握從“感知”到“走進”到“探索”，讓學(xué)生在實驗中做到學(xué)中有樂，學(xué)中有思，學(xué)中有獲，取得了較好的教學(xué)效果，達到了實驗教學(xué)的目標。

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Exploration of Thermal Analysis Instrument Experiment Teaching

ZHANG Zhenleia,b, WANG Guanghuaa

(a. School of Materials Science and Engineering, b. Key Laboratory of Advanced Civil Engineering Materials of Ministry of Education, Tongji University, Shanghai 201804, China)

The experimental course of large-scale precision instruments is designed to help students understand the instrument construction, working principle and operating processes, it is a very effective way to combine theory with practice. Since those large-scale precision instruments are totally expensive and generally inadequate in universities, the fact results in a lack of independent operation opportunities of the large-scale facilities for students. Designing and innovative experiments thus fail to meet the new demands of current experiments of instrumental analysis. In order to adapt to the needs of teaching development better, based on the main objective of thermal analysis experimental course and the student-centered teaching concept, this article explores the reform of teaching system. It includes increasing the experiment lesson, renovating experimental teaching content, promoting a modular teaching system and building an open laboratory. Consequently, students' ability of practice and innovation can be comprehensively trained, and thereby through the course engineering talents meeting national requirements can be cultivated.

experimental teaching; thermal analysis instruments; teaching reform; open experiment platform

2016-09-04

(同濟大學(xué))先進土木工程材料教育部重點實驗室開放基金(201308)

張震雷(1979-)，女，河南濟源人，博士，講師，研究方向：土木工程材料，熱分析技術(shù)，實驗教學(xué)與大型儀器管理。

Tel.: 13917205168; E-mail：zhangzhenlei@#edu.cn

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1006-7167(2017)08-0226-04