熱分析儀器實驗教學探索

張震雷， 王廣華

(同濟大學 a. 材料科學與工程學院；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探索

張震雷a,b， 王廣華a

(同濟大學 a. 材料科學與工程學院；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與工程專業教學與科研重要的大型儀器之一。由于大型精密儀器價格昂貴，操作技術要求高，一般實驗室僅配一套而已，每個學生不太可能都有獨立操作該儀器的機會，設計型和創新型實驗的開展則更不能適應當前的現實要求。為了更好地適應教學發展的需要，圍繞著“以學生發展為本”的主導思想，對熱分析儀器實驗教學從增加實驗課時、更新實驗教學內容、推行模塊式教學方法和構建開放實驗平臺等方面對儀器分析實驗教學進行了改革探索，以推進學生實踐能力和創新精神的協調發展，為培養符合國家需求的工程人才服務。

實驗教學； 熱分析儀器； 教學改革； 開放實驗

0 引 言

為了更好地適應新時期教學發展的需要，高校教育除了抓好基礎理論教學外，還必須重點加強實驗、實習等實踐性教學環節的開展，使學生有針對性地得到較為系統的基本技能和專業技能訓練。大型精密儀器實驗教學是以教導學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環節。通過實驗教學，一方面，可以使學生鞏固和深入了解儀器測試的基本原理，熟悉科學實驗的方法，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，還可以增強學生分析與解決實際問題的能力，提高學生的專業素質，從而使學生成長為能夠適應未來科學研究及實際工作的合格人才。

然而，由于大型精密儀器設備價格昂貴，以致實驗儀器數量有限，學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質量，針對目前實驗教學中存在的問題，本文以熱分析實驗教學為教學改革依托，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用實例；建立了基礎型實驗教學、提高型實驗教學和研究型實驗教學三大實驗教學模塊；構建了熱分析儀器開放實驗平臺。通過模塊化實驗教學，學生實驗知識的學習由淺入深，實驗能力的培養循序漸進，由被動的接受知識向主動的獲取知識轉變。通過在熱分析儀器實驗教學中的進行的一系列改革，本課題在大型精密儀器實驗教學過程中積累了些許經驗，希望能為今后儀器實驗教學提供一些思路。

1 熱分析儀器實驗教學改革的探索

1.1 課時改革

儀器實驗教學一般包括儀器原理介紹、儀器實驗方法設置和實驗條件選擇、實驗數據分析等內容。傳統教學一般采用理論式、示范式教學，這種教學方式中學生能夠真正獨立接觸儀器親自進行實驗實踐的學時非常有限，所以大部分學生對于實驗課程的內容總是一知半解，模模糊糊，實驗教學效果差，學生學習積極性不高。因此，從課時上對實驗課程進行改革，加大儀器操作的學時安排，讓每個學生有充足的時間參與到整個實驗環節，深入思考所學理論基礎如何與實驗實踐相結合，是實驗教學改革的第一步。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，這樣可以給學生足夠的時間進行儀器操作。在學生實驗過程中，實驗教師就儀器操作過程中的關鍵環節加以引導。如學生設計熱重實驗程序時，實驗教師可以提問：實驗溫度范圍應該如何選擇[1]，需要注意哪些原則；實驗升溫速率應該如何選擇[2]，快速或慢速升溫程序會對測試結果帶來哪些影響；選擇不同的測試氣氛[3-4]是否會帶來實驗結果的差異等。通過具體實驗條件的設置選擇，可以充分調動學生的參與性，使學生最大限度的投入到實驗教學中。

1.2 教學內容重新設置

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容陳舊，已經遠遠落后于當前流行的儀器技術潮流。例如以前熱分析儀器教學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]這幾種傳統的熱分析手段，但是對于當前在實踐和研究中廣泛應用的熱膨脹儀(DIL)[6]、激光閃射導熱儀(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，我們重新設置了熱分析儀器理論和實驗環節的教學內容，不僅把熱分析的最新發展動向和最新型號的儀器介紹給學生，而且把握理論教學與實際應用相輔相成的關系，舉例講述了熱分析在高分子材料[9]、生物醫藥領域[10]、建筑材料[11]、金屬材料[12]和無機非金屬材料[13]中的應用，開闊了學生的視野，以便為學生將來科研和生產實踐提供有益思路。

1.3 教學模式改革

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

(1) 基礎型實驗。基礎型實驗適合專業入門階段的學生，主要安排學生學習熱分析基礎實驗技能，教導學生對儀器進行簡單的實驗操作，初步分析實驗結果，是學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該是一致和可重復的，這樣才能更容易獲得可對比的數據。此外，制備過程中，還需考慮樣品形態的影響，樣品的形狀和顆粒大小不同，對熱重分析的氣體產物擴散影響亦不同。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，樣品適應面廣，但其靈敏度、峰分離能力較金屬材質的坩堝差，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設置的目的。例如在DSC實驗中，為提高微弱熱效應的靈敏度，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。在測試結束之后，實驗教師還可以引導學生利用實驗數據進行簡單的定性、定量分析。通過基礎型實驗教學，學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，學生實驗操作基本功得到了訓練。

(2) 提高型實驗。提高型實驗是在學生掌握基本理論和基本儀器操作的基礎上，教師根據學生對知識的掌握程度、學習進度、專業方向等客觀因素，對學生給予分配不同的實驗任務，讓學生根據實驗要求自己設計實驗。在提高型實驗單元，我們按照高分子專業、金屬材料專業、建筑材料專業等不同專業方向的特點及其常用的熱分析儀器及實驗方法，來要求學生根據材料種類選擇合適的熱分析儀器，設計相應的實驗程序。例如對于高分子樣品，從熔體快速冷卻，則結晶度將降低，玻璃化轉變較明顯，此時的熔融峰較小；而慢速冷卻，結晶度較高，熔融峰較大，玻璃化轉變則相對不明顯。如果需要觀察的是玻璃化轉變，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定性，如果研究的是裂解反應，需要在惰性氣氛下進行測試；如果研究目的是氧化反應，則需要提供氧氣以參與氧化過程。在提高型實驗教學中，通過學生自行設計實驗，加深了學生對熱分析儀器的理解，為其今后正確的設置實驗方案以解決實際問題打下了基礎。

(3) 研究型實驗。基礎型實驗、提高型實驗積累到一定階段后，在教師的組織與引領下，學生可以根據個人興趣，自主申請研究課題。例如學生提出用DSC分析塑料吸管的材質及安全使用溫度。根據初步的查閱資料，學生了解到塑料吸管材質一般為聚丙烯[14]，英文縮寫為PP。PP 具有良好的耐熱性，熔點在164～170 ℃[15]。學生選取利樂包裝上附帶的吸管作為研究對象，設計了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。根據熔點來定性判斷該材料是否為PP，根據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(全同)聚丙烯相一致。根據進一步查閱資料發現，聚合過程的不同，會導致熔點的差異：如果是結構規整而高度結晶化的聚丙烯，則熔點高達167 ℃；但如果是無規聚丙烯，則熔點大致為144 ℃[16]。可見聚丙烯的規整度、結晶度越高，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材料在人們日常使用的溫度范圍內不會發生熔解現象。

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 ℃整個分解反應全部結束，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發生燃燒反應，反應溫度較低，而在高純氮氣中由于沒有氧的存在，只能發生裂解反應，反應溫度較高。在空氣中550 ℃時整個分解反應全部結束，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日常使用溫度范圍，可見PP材料在人們日常使用中還是很安全的。

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

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

1.4 開放實驗室的構建

為了配合基礎型實驗、提高型實驗和研究型實驗3大教學模塊的實施，我們構建了熱分析開放實驗室，將實驗室所有熱分析儀器對學生全天候開放，由學生預約時間，自主開展實驗。開放的實驗內容也根據三大教學模塊分為3部分：① 實驗基本操作練習。一些實驗基礎比較差的學生，可以在開放實驗室里進行基本操作技能的訓練，對所學的內容進行鞏固和加強。② 實驗設計方案驗證。在提高型實驗模式中，學生根據所分配的實驗任務、實驗要求，自行設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，并分析實驗數據，得出實驗結果。③ 研究型實驗的開展。學生根據自己的興趣愛好或研究方向自行提出研究課題，設計實驗，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中受學時數和儀器數量不夠帶來的限制，便于學生利用課余時間練習儀器的使用，熟悉實驗過程，掌握實驗技能，在實際儀器操作過程中學生真正知道做什么，怎么做。開放實驗室還可以給學生開展提高型實驗和研究型實驗提供有力的硬件保障，放手讓學生在整個實驗過程中唱“主角”，讓學生充分發揮，體驗實驗的樂趣。

2 結 語

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

[1] 陳文怡，丁治珣.聚碳硅烷的熱裂解動力學行為研究[J].硅酸鹽學報，2012，40(9):1278-1283.

[2] 徐朝芬,向 軍,胡 松,等.熱解條件對煤的熱解行為的影響[J].實驗室研究與探索,2005,24(6):18-20.

[3] 王 健,郁黎明,袁淑娟,等.不同條件錳鋅鐵氧體納米晶形成機理及物性研究[J].功能材料,2008,39(1):119-122.

[4] 肖麗華,吳建青.在濕CO2氣氛中熱處理生成碳酸羥基磷灰石的探討[J].硅酸鹽學報,2005,33(9):1110-1114.

[5] 王培銘,許乾慰.材料研究方法[M].北京:科學出版社,2005:223-250.

[6] 李 宏,林 巍.利用熱膨脹儀研究硼硅酸鹽玻璃的結構弛豫行為[J].硅酸鹽學報,2014,42(9):1167-1172.

[7] 何秀蘭,施 磊,鞏慶東,等.熱處理對 AlN 陶瓷的熱導率及介電性能的影響[J].硅酸鹽學報,2015,43(9):1186-1191.

[8] 劉光武,周 斌,倪星元,等.復合增強型 SiO2氣凝膠的一步法快速制備與性能表征[J].硅酸鹽學報,2015,43(7):934-939.

[9] 賀敏嵐，劉 鵬，董 巖，等.聚芳氧基磷腈的合成及熱穩定性的研究[J].化工新型材料, 2014, 42(1):146-148.

[10] 林木良.熱分析在醫藥生產、研究上的應用[J].廣州化工,2000,28(1):33-42.

[11] Zhang G F,Wang Y W,Wang P M,etal.Calorimetric study on the influence of redispersible E/VC/VL terpolymer on the early hydration of Portland cement[J]. J Therm Anal Calorim,2016, 124(3):1229-1241.

[12] 孫建強，張仁元.金屬相變儲能與技術的研究與發展[J].材料導報，2005,19(8)：99-101.

[13] 陳國華,劉心宇.Bi2O3對堇青石陶瓷的相組成、微觀結構和性能的影響[J].硅酸鹽學報,2003,31(9):888-891.

[14] 吳 祺.飲料用吸管在化學實驗中的應用[J].中學化學,1991(4):21-22.

[15] Xiao D,Li Z,Juan SD,etal.Preparation, fire behavior and thermal stability of a novel flameretardant polypropylene system[J].J Therm Anal Calorim,2016,125(1):321-329.

[16] 張 璐，朱 軍，廖仿燕，CPP薄膜專用三元共聚聚丙烯的結構與性能[J].合成樹脂及塑料, 2016, 33(5)：49-52.

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)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，實驗教學與大型儀器管理。

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

G 424

A

1006-7167(2017)08-0226-04