熱分析實驗教學改革與實踐

李明玲 李宏林 高曉寶

（巢湖學院，安徽 巢湖 238000）

熱分析實驗教學改革與實踐

李明玲 李宏林 高曉寶

（巢湖學院，安徽 巢湖 238000）

熱分析實驗是《材料現代分析方法》課程的重要內容，熱分析技術是材料類專業學生必須了解和掌握的技術之一。針對目前熱分析實驗教學過程中存在的問題和不足，圍繞教學方法與手段、教學內容與教學設計等作了改革研究并實踐，鍛煉了學生的動手操作能力，培養了學生創新能力和科研素養。

熱分析實驗；綜合熱分析儀；教學方法；教學設計

熱分析是材料現代分析方法之一，主要利用熱力學參數或物理參數隨溫度變化的關系對物質的結構和組成進行分析。利用熱分析技術可以快速準確地測定物質的晶型轉變、熔融、升華、吸附、脫水、分解等變化，該技術已成為各種材料的研究開發、工藝優化和質量監控的重要手段，在化學、化工、冶金、建材、食品、生物等領域得到了廣泛的應用[1-3]。目前，隨著社會與經濟的發展，越來越多的企業也開始使用先進的熱分析儀器對原燃材料的品質及產品的質量進行監控，以確保生產高效進行，提高競爭力。因此，對于以應用型人才培養為導向的本科實驗教學，將熱分析儀用于本科生教學與學生實驗，使材料科學與工程類專業畢業生熟練掌握熱分析技術基本原理、操作及結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，臺套數少，教學過程中學生自己動手實踐的機會少；且儀器的集成度高，無法向學生展示其內部構造，導致學生學習興趣低，教學效果較差，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現狀的基礎上，借鑒吸收先進的教學方法，通過將傳統實驗教學與現代多媒體技術相結合、科學合理設計實驗內容與教學過程等，全面培養學生動手能力、分析與解決問題的能力，實驗教學效果得到大大提高。

1 教學現狀

熱分析實驗的主要目的是讓學生了解熱分析原理與應用范圍、熱分析儀的構造，掌握熱分析操作方法，學習熱分析曲線的解讀等。目前，在大多數高校，熱分析儀屬于大型精密儀器，數量極其有限，而且實行專人專管，未經正規培訓不準上機操作。另外，熱分析實驗所需時間較長，參加實驗的學生數又較多，因此為了完成實驗教學，普遍存在著以演示教學為主的現象，即對著儀器給學生簡單講解其構造，然后用固定的參數測一組數據，全程都是教師在講，教師在操作，缺乏互動，學生實踐機會少，導致大部分學生只能停留在對儀器外形的粗淺認識上，教學目的無法真正實現，學生綜合能力與素質得不到培養，還會影響學生的學習興趣。本文結合熱分析實驗教學的多年經驗，以五水合硫酸銅的熱重分析實驗教學為例，針對目前材料及相關專業的本科生熱分析實驗教學中存在的問題，做了一些改革探索，如強化預習環節、傳統教學與多媒體技術相結合、創造性地設計實驗內容等，這些措施的實行，不僅達到了實驗教學的目的，而且有利于學生綜合能力與素質的培養，取得了較好的教學效果。

2 實驗教學改革探索與實踐

2.1 引導學生做好課前預習

讓學生在學習之前做好充分的準備，帶著不解與問題進課堂，上課時就能有的放矢，不僅能很好地跟上教師的節奏，還能有針對性地關注自己不了解的知識點，學習效率大大提高。五水合硫酸銅的熱重分析實驗一般安排4個學時，在這有限的時間內讓學生完全掌握熱重分析的原理與應用、儀器構造、操作方法與注意事項、實驗影響因素、實驗結果分析等多項任務，預習就成為非常重要的一個環節，預習的有與無、預習質量的好與壞會直接影響到實驗教學的效果。因此，課前必須引導學生預習。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，實驗主要內容，實驗目的與要求等）、實驗講義、預習要點、參考書目、查閱文獻的數量等發給學生，安排其做好預習工作。為了保證預習效果，要求學生撰寫預習報告，其質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，安排提問環節，一方面可以了解學生的預習效果，另一方面，對學生可以起到震懾作用，確保人人都預習，人人預習好。

2.2 利用多媒體技術，提高教學效果

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，教學過程中，熱分析儀的構造、主要零部件與工作原理是熱分析實驗中比較重要的內容，學生只有真正了解了，才能進行后續的實驗操作、結果分析等環節。然而，目前大型儀器的集成化與智能化，讓學生很少有接觸儀器內部結構以真正了解其構造與功能，掌握其原理的機會。而且，目前的儀器實驗教學中，一般都采用示教教學，即教師先演示示教，學生觀看后學習儀器操作方法。這種教學方法存在著很多的不足，比如：教師在演示儀器操作時，由于學生人數較多，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節；一些大型貴重分析儀器數量少，一般學校只購置一臺，學生進行實驗操作機會極少。因此，實驗教學結束后，學生對儀器構造、工作原理等似懂非懂、一知半解，即便學會了操作，也是機械式的操作，不知其所以然。因此，難以讓學生真正掌握儀器分析實驗內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。在熱分析實驗教學過程中，采用三維動畫技術將熱分析儀的內部結構展示給學生，真實展現儀器的整體或局部，使學生一看就能領會，不需要花太多的時間作過多的講述，可以壓縮前段實驗內容講解時間，讓更多的時間用于后續實驗操作。同時，通過設計精美的多媒體課件，配以動畫和合適的顏色搭配，給學生以強烈的感官刺激，吸引其注意力，提高實驗教學效果。

2.3 科學設計實驗內容

熱分析實驗過程中很多因素都會對實驗結果產生影響，但為了在有限的時間內完成實驗教學內容，教師一般會設定固定的實驗條件，所有的學生都在相同的條件下操作，至于各個因素對實驗結果的影響一般在實驗教學過程中不做探討[7]。這樣就使得所有學生都用相同的實驗步驟與參數設置，獲得相同的實驗結果，學生無法真正理解各因素對實驗結果的影響；而且，過多的重復實驗容易使學生失去新鮮感，不利于學生創新能力與素質的培養。為了克服以上不足，我們在實驗內容設計上進行創新，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，在此基礎上各個因素分別選擇幾個變量，如試樣顆粒度選擇兩種：細粉狀和顆粒狀；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，只有吸附水和結晶水的脫除，得到的熱重分析曲線非常簡單，為了鍛煉學生對實驗結果的分析能力，另增加了一組橡膠輪胎的熱重分析。因此最終實驗組數為9組。參與實驗的學生人數以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。由于加強了實驗前的預習，以及在實驗教學過程中引入多媒體教學，可以大大壓縮實驗前的講解時間，使學生有足夠的時間進行操作。這樣設計和安排后，雖然是同一個實驗，但每一組學生做的都有差別，讓學生有了新鮮感，增強了興趣，更重要的是將全班同學的實驗參數與所得結果匯總在一起，就成了一個完整的研究項目，既實現了實驗教學預定目的，又培養了學生科研素養與創新能力。

2.4 重視熱分析曲線解讀，提高綜合分析能力

測試結果分析在大型儀器實驗教學過程中是非常重要的一個環節，因為大多數情況下測試結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。為了培養學生的這種能力，教師不僅要教會學生最基本的分析方法，更重要的是要提供機會，讓學生反復實踐。在常規的大型儀器實驗教學中，所有的學生得到的實驗結果完全一樣，毫無新意，極不利于學生分析能力的培養。但我們經過如前所述的科學設計實驗內容后，可以得到很多不同條件下的測試結果。在實驗結束后，召集全班同學在一起，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，將相關的熱重曲線做在一張圖里，經過比較，可以很清楚地看到各個實驗參數對實驗結果的影響。最后，對學生提出問題：各參數對實驗結果的影響規律，并解釋原因。從而使學生的分析問題和解決問題能力得到鍛煉和提高，同時，也讓學生親身體會到團隊協作的重要性。

2.5 課堂與生產實際相結合，提高學以致用的能力

為了便于實驗教學過程的進行和學生的理解，一般的熱分析實驗都會選擇一些大家熟知的、過程和結果都比較簡單的物質進行測試，如本實驗中的五水合硫酸銅，實驗結果簡單，分析掌握都較容易。但是，在實際應用過程中，分析對象千變萬化，不再局限于單一組分、單一結構的物質，得到的熱重分析曲線非常復雜，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，還要有豐富的專業知識。為了讓學生對此有一個初步的認識，我們在實驗過程中專門做了一組橡膠輪胎的熱重分析。讓學生在課后利用所學分析方法對橡膠輪胎的熱重曲線進行解釋，并查閱相關資料，分析橡膠輪胎的可能成分和大致含量。這個環節的進行，使學生分析、解決實際問題的能力得到培養提高。

2.6 精心設計“思考題”，培養學生知識綜合運用能力

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計幾個思考題供學生回答，難度不大，目的是為了鞏固實驗所學。本實驗中，為了全面培養學生對各科知識的綜合運用能力，針對前述實驗內容，對思考題進行精心設計如下：根據8組實驗內容與結果，設計一個三因素兩水平正交實驗表，并對其進行分析，探討各因素對實驗結果的影響。該思考題不僅鞏固了學生在高等數學中學到的正交試驗表的設計與分析部分知識，而且了解了該部分知識在專業實驗中的應用，切實培養了其綜合利用各科知識解決實際問題的能力。

3 結束語

實驗是理工科教學的重要內容和方法，對學生掌握理論知識、學會實驗技能和科學研究方法、培養創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學生創新精神和能力，需要對實驗教學的整個環節作精心設計。本文以熱重分析實驗為例，介紹了在其教學的過程中所作的改革，如強化預習環節、傳統教學方式與多媒體技術相結合、合理設計實驗操作環節、實驗內容與生產實際相結合等，并進行了實踐。結果表明，改革后的教學增加了學生操作機會，不僅提高了動手能力，其團隊協作精神和創新能力也得到了很好的培養和提高。

[1]黃張洪，趙惠，呂利強，等.熱分析技術及其應用[J].熱加工工藝，2010，（7）:19-22.

[2]余明高，鄭艷敏，路長，等.煤低溫氧化熱解的熱分析實驗研究[J].中國安全科學學報，2009，（9）:83-86.

[3]劉偉軍，李鵬程，郭燕.基于熱分析實驗的多種生物質燃燒特性[J].上海工程技術大學學報，2011，（4）:287-291.

[4]于欣欣，張利利，戴鵬，等.綜合熱分析儀在本科生實驗教學中的應用[J].大學物理實驗，2015，28（4）:24-26.

[5]劉素霞，張永剛.綜合熱分析儀實驗教學初探[J].科技創新導報，2015，（5）:124-125

[6]姚芳，孫岳明.熱分析儀器實驗教學實踐[J].實驗技術與管理，2014，（12）:162-165

[7]張建策.熱分析實驗條件選擇對實驗結果的影響[J].化工技術與開發，2010，（12）:44-45.

責任編輯：陳 鳳

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：1672-2868（2017）03-0137-04

2017-03-29

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

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