食品專業物理化學實驗教學改革與實踐

蘆曉芳 王清華 杜慧玲 張金桐

(山西農業大學文理學院 山西太谷 030801)

物理化學是一門與多學科有緊密聯系的基礎課,其實驗教學對培養學生勤于思考的習慣、綜合應用各科知識特別是物理化學基本理論解決實際問題具有重要的作用。隨著近些年高等教育的發展,高等教育專業門類增多,以物理化學作為專業基礎課的需求也越來越大。食品專業如何開設物理化學課程,特別是物理化學實驗課程,是一個值得探索的問題。盡管近兩年已有學者意識到該問題,并編寫了相關教材[1],向聯系食品專業實際靠近了一大步,但還不能完全滿足需要。

1 經典基礎物理化學實驗的局限性

物理化學是一門基礎課,其經典實驗項目不可能完全適用于食品專業。主要原因是:① 經典物理化學實驗的開設無專業區別。若不根據授課對象加以選擇和改進,直接應用于食品專業會使學生缺乏專業歸屬感,覺得學非所用。 ② 經典實驗與科技進步聯系不緊密。常見的物理化學實驗教材中的大多數項目多年來無大改變,尤其是經典實驗更少有變化，對于近年來發展起來的食品專業來說很少能夠直接應用，使學生失去了學習物理化學這門課的興趣。為適應食品科技快速發展的需要,該類專業的物理化學實驗必須在經典實驗的基礎上進行改造和更新，為食品專業物理化學及物理化學實驗注入生機。③對于食品專業來說，經典實驗缺乏靈活性與創新性。故食品專業物理化學實驗必須在經典物理化學實驗的基礎上,與食品科學相互貫通。

2 食品專業物理化學實驗教學改革與探索

2.1 結合食品專業實際開設實驗

我校的食品科學與工程、食品質量與安全、生物工程3個食品專業開設了物理化學課程。這3個專業與物理化學課程中的化學反應熱、稀溶液的依數性、偏摩爾量、氧化還原與原電池、電解質溶液、高分子溶液、酶催化反應動力學、表面吸附、表面活性劑、溶膠與凝膠、乳狀液與泡沫等內容聯系緊密。為了使食品專業物理化學實驗的開設有的放矢,密切結合專業實際,我們在借鑒和采用經典物理化學實驗的同時,進行了實驗內容的改革。

2008年和2009年,通過對食品中二氧化硫殘留量測定和對其在食品、環保和中藥中最新應用的講解,使學生了解了電導滴定的實際應用價值，同時對電解質溶液這部分的基礎理論知識有了更深的理解，使學生真正認識到理論指導實驗的巨大作用。實驗電導法測定食品(銀耳)中二氧化硫殘留量,首先要用鄰苯二甲酸氫鉀對氫氧化鈉溶液濃度進行標定，標定曲線如圖1所示。氫氧化鈉溶液濃度標定，可以使學生從具體的數值和圖形上掌握弱酸與強堿反應的電導率的變化，滴定終點的確定方法以及數據處理的一些基本常識。然后進行食品(銀耳)中二氧化硫殘留量的測定，測定結果如圖2所示。這種小實驗過程簡單、內容比較豐富,學生對此感到新奇, 做實驗時很投入,能夠在實驗中真正感到學有所用。

圖1 氫氧化鈉溶液濃度標定曲線

圖2 電導滴定法測定銀耳中二氧化硫殘留量

食品中二氧化硫殘留量測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，使其轉變為硫酸，用標準氫氧化鈉溶液利用電導法滴定溶液中的硫酸量，通過作圖，找到滴定終點，然后換算出食品中二氧化硫殘留量。在此實驗中，可以讓學生掌握強酸強堿電導滴定過程及電導滴定曲線。

食品中二氧化硫殘留量測定實驗涉及到3個反應，H2O2+SO2=H2SO4，H2SO4+2NaOH=Na2SO4+2H2O和2H2O2=2H2O+O2。既然有化學反應發生，就應該引導學生考慮影響化學反應速率的因素,如溫度、濃度、催化劑以及影響化學平衡移動的因素等，還要考慮這些因素是否影響電導滴定法測定結果的準確性。讓學生帶著問題作實驗設計并在實驗中檢驗影響化學反應速率的因素和平衡移動的因素，可讓學生理解各部分知識并應用到實驗中，以提高學生的科研能力和實際操作動手能力。該實驗已作為設計性實驗開設。與其他二氧化硫殘留量測定方法(鹽酸副玫瑰苯胺法(分光光度計法)，蒸餾后間接碘量法[2])比較，本實驗有助于開闊學生的思維，培養他們查閱文獻的習慣。同時也給學生留有自由選擇實驗材料和制備條件的余地,可培養其創新思維和獨立解決問題能力。

我們還將原來用凝固點降低法測定化工產品萘摩爾質量的經典實驗改進為測定肉桂酸芐酯(一種香精)摩爾質量實驗。做此實驗可以增強食品專業學生對稀溶液依數性的理解;實驗中增加了根據溶膠非溶劑膠凝原理[3]制備凝膠的設計性實驗——固體酒精的制備。給學生實驗原理框架和基本實驗器材,讓他們自行設計實驗步驟和組裝實驗裝置,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，測定固體酒精產率,并用固體酒精加熱已知質量的水,觀察其燃燒狀態,測定水加熱至沸騰所需時間、固體酒精燃燒時間、酒精塊熄滅時水的溫度等數據,通過這些數據來衡量固體酒精的熱能和燃燒性能。

這些實驗的更新和增設與專業實際緊密聯系,增強了學生對實驗內容及相關理論知識的實用感和專業興趣。尤其是固體酒精的制備實驗,學生對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。這些實驗都沒有現成的方法和步驟,我們就和學生一起動腦、動手,最大限度地發揮學生的主觀潛能。

2.2 用實驗教學大綱規范實驗課

我們根據物理化學課程的特點和食品專業的實際，編寫了實驗教學大綱,確定了多個可選擇的實驗項目,建立了靈活的實驗教學體系。從實驗內容上進行規范,規定了一些設計性實驗；每屆學生的實驗課都至少有一個綜合性或設計性實驗；并且對實驗課做出基本要求,規定了實驗應達到的目的和效果。

2.3 保證實驗課質量實施的一些措施

為確保實驗課質量,印制的實驗報告將預習與實驗合一,內容全面、合理,結構嚴謹；編印了學生實驗室守則,以便于對學生的預習管理(教師課前審閱、簽字,不預習者不允許實驗)和實驗課堂管理。此外,還對實驗操作和實驗報告編寫進行了規范,確定了詳細的實驗成績評定方法。由于物理化學課程理論和實驗學時都較少,為了讓學生在有限的實驗項目中學到更多的知識和技能,我們做了以下嘗試: ① 在實驗課前精心設計,在課堂上詳細給學生講解實驗目的、原理、現象、步驟、操作要點、注意事項、誤差來源等項目; ② 講解實驗報告的編寫規范,重點強調數據記錄、處理,結果分析和討論等，介紹作圖軟件Origin的使用,使學生在數據處理和作圖水平上有質的提高; ③ 不僅讓學生學到實驗項目應掌握的知識,還介紹開展本實驗對后續課程學習及對從事食品專業的意義; ④ 在理論課堂上詳細講解影響實驗結果準確性的因素及改進辦法，解釋實驗現象,并介紹一些項目測試儀器,以開闊學生視野; ⑤ 在實驗課堂上嚴明紀律、正確示范、勤查細糾; ⑥ 嚴格要求并認真批閱預習報告與實驗報告,對存在的問題及時予以解答和糾正。通過這些措施,切實提高學生的規范化實驗操作技能；通過這樣精做每一個實驗,使學生的動手能力有很大提高。

2.4 不斷創新發展的實驗課

食品專業對物理化學知識的需求與化學專業不同,不能完全照搬化學專業開設的經典實驗項目,要根據專業特點與需要,選開、改進或更新相應實驗內容,使其與食品專業緊密結合。實驗中或用食品工業原材料與試劑,或解決食品工業問題,這樣可使學生感到物理化學實驗不僅僅是為物理化學課程開設,而且是為提高本專業所需要的技能或實驗技術開設,這樣能使學生切實感受到物理化學課程的重要性和實用性,激發學生學習物理化學的積極性。

我們在2008年大幅度更新并增加了實驗項目。對18學時實驗課所開設6個實驗中的4個實驗進行了更新。這些實驗受到學生的普遍歡迎。在實驗項目開設上,我們注重內容創新,設計了一些與專業緊密結合的實驗項目,如通過制備固體酒精完成凝膠的制備實驗教學任務；通過對食品中二氧化硫殘留量的測定實驗，完成電解質溶液實驗教學任務等。

2.5 設計性或綜合性實驗的開設[5-6]

設計性實驗旨在培養學生獨立解決實際問題的能力。高校擴招后,由于實驗課資源不足,學生動手能力的培養受到一定的影響,適當開出設計性實驗對于培養學生分析問題、解決問題能力是有意義的。綜合實驗涉及實驗程序設計、實驗材料、條件和設備選用等內容,以及實驗設計書與實驗報告書的寫作,能全面地鍛煉學生工作能力，此外還能培養學生查閱文獻的能力。

2008和2009年開設的設計性實驗是食品中二氧化硫殘留量測定實驗和凝固點降低法測定肉桂酸芐酯的摩爾質量實驗, 2009年開設的設計性實驗是固體酒精的制備。這些都是我們的獨創性實驗,與食品專業結合緊密而且實用性很強,學生在實驗中學會了工作方法,提高了實驗技能。

3 食品專業物理化學實驗教學體系改革的效果

3.1 激發了學生實驗的積極性

學生對固體干凝膠吸水膨脹實驗和硬脂酸鈉濃溶膠膠凝制備固體酒精實驗很有興致,實驗效果很好。實踐證明,只有應用性和趣味性強的實驗,才能令學生感興趣,收到預期效果。

3.2 增強了學生實驗的主動性

我們針對食品專業所開設的物理化學實驗,具有很強的專業基礎性和實用性,學生覺得這門課與專業結合緊密,學習主動性就高漲,實驗效果也好。而若照做化學專業的物理化學實驗,學生會覺得內容

與自己專業無關,難以調動學生的主動性。

3.3 為學生后續專業課學習奠定了基礎

通過物理化學實驗課,培養了學生綜合分析問題的能力。學生能夠獨立設計實驗,開展某些制備或測試性工作,掌握了諸如膠凝、電導測定、食品添加劑熱值測定、食品表面活性劑表面張力測定、凝固點降低法測定某些小分子非電解質純組分食品的摩爾質量等方法和實驗技術。這些為后續專業課程學習奠定了必要的理論知識基礎和實驗技能基礎。

3.4 培養學生應用計算機技術的能力和查閱應用文獻資料的能力

在學習物理化學實驗課程時，大部分學生掌握了微機的基本操作、熟悉了Excel、Origin數據處理軟件和文稿的初步編輯處理知識，學到了查閱文獻的基本方法，并可在實驗前通過查閱文獻獲取實驗中需用的一些基本公式或數據。

3.5 培養了學生的合作能力

部分實驗項目需要兩個人合作完成，教師對學生進行隨機編組，不允許學生自己調換，要求學生能與不同性格的同學合作，共同完成實驗任務。為學生順利走向社會打好基礎。

參 考 文 獻

[1] 張佳程,師進生.食品物理化學.北京:中國輕工出版社,2007

[2] 劉明.生命科學儀器,2008,6(12):42

[3] 沈鐘,趙振國,王國庭. 膠體與表面化學.北京:化學工業出版社,2004

[4] 劉志明,孫清瑞,金麗梅,等.實驗室科學,2009(1):34

[5] 楊冬梅,王軍.高等理科教育,2008(6):103

[6] 曾明榮,黃婷婷,翁建新.高等理科教育,2008(4):95