药学专业物理化学实验教学改革研究

王乐平

摘 要:物理化学实验是药学专业的化学类基础实验课,实验教学组针对现行药学专业的物理化学实验课教学存在的亟待解决的问题,进行了教学改革,包括对表面张力中附加压力概念和实验方法最大气泡法称谓的修正,并提出了实验设置的改革的必要性,以及开展Excel绘图取代手工绘图的必要性。经过两年的实验教学改革探索,教学水平得到了很大提高。

关键词:物理化学表面张力附加压力Excel绘图

中图分类号:G6 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2012)05(c)-0148-01

物理化学实验是药学专业的化学类基础实验课,其教学目的不仅在于学生要掌握实验的操作技能,而且要学会利用计算机软件处理实验数据,还要能利用物理化学理论和实验技术解决药学方面的实际问题,培养学生的创新能力和探索精神。

现行药学专业的物理化学实验课教学存在以下三点亟待解决的问题,经过两年的物理化学实验教学改革探索,教学上取得了以下成果:

(1)在实验教学中,发现的亟待修正的理论问题不能及时更正,未能把准确知识时时传授给学生。

针对上述问题,实验教学组把存在的问题总结如下:

实验课是理论课程的深化与提高,目前国内部分高等院校所用物理化学[1][2][教材,关于表面张力中附加1压力的概念,定义为弯曲液面内外压力差,符号ΔP。对于曲率半径为r的球形弯曲液面,附加压力Δp＝2σ/r,单位N.m-2。在学习这部分内容时,很容易使学生理解困难,原附加压力概念使压力与压强两个概念相混淆,Δp单位N.m-2,明明表明是压强,为求理论知2识的准确性、严谨性。上述附加压力概念应修改为附加压强,由于表面张力存在,弯曲液面存在附加压强,由此将附加压强定义为弯曲液面内外压强差,符号Δp表示。这同时也与教科书《物理学》[3]、《医用物理学》[4]中液体表面性质的附加压强概念相统一。

表面张力是多相系统的重要界面性质,溶液表面张力测定以最大气泡法最为常见,目前国内各版本物理化学实验教材及开设的实验,大多数以最大气泡法[5][6][7][8]命名。通过对最大气泡法的实验研究,笔者认为最大气泡法应修改为最大泡压法[1]。气泡刚形成时,由于表面几乎是平的,所以曲率半径r极大,当气泡形成半球形时,曲率半径等于毛细管半径r0,此时值r最小,随着气泡的进一步增大,r又趋增大,直至逸出液面。r等于r0时,附加压强最大:△P＝2σ÷r0。

国内物理化学实验测液体表面张力的实验,测的都是最小气泡产生的最大附加压强,据此,我们可以得出最大气泡法应改为最大泡压法[1]。

(2)目前,药学专业的物理化学实验课程体系仍沿用“化学模式”,都是验证性实验,目前没有开设联系药学,尤其是与药学相关的具有综合性、设计性的研究型实验。

针对药学专业开设物理化学实验,第二军医大学药学专业开设的物理化学实验课程体系值得学习借鉴,该校已经开设了部分综合设计型物理化学实验,加强了与药学专业的联系.

(3)现行物理实验数据的处理,除了燃烧热实验和铅锡相图绘制实验是直接电脑输出时时实验数据与绘图,其余实验,硫酸链霉素水解速率常数测定、液体饱和蒸气压测定、液体表面张力测定(最大泡压法),这些实验数据处理,都采用手工绘图处理。不可避免地引入人为误差,影响结果的客观性,往往出现同一组学生,采用同一组数据手工绘图,得出各不相同的结果,我校物理化学实验教学应与时俱进,克服困难,积极落实数据处理信息化工作,提高学生科学处理实验数据能力。

从2008级药学专业学生开始,物理化学实验硫酸链霉素水解速率常数测定、液体饱和蒸汽压测定、液体表面张力测定开始采用Excel绘图,把Excel绘图的基本操作传授给学生。

以最大泡压法测得不同浓度乙醇溶液的表面张力为例(选取学生实验数据),先绘制σ～c曲线,选择最佳趋势线类型,使得到的曲线与实验数据趋势相吻合,并显示其曲线方程,求得dσ/dc的微分方程,求出各个浓度乙醇溶液的dσ/dc值,再把dσ/dc值代入吉布斯吸附公式可求出其表面吸附量值Γ。

下面将具体介绍其操作过程:

打开Excel软件,创建工作表,在工作表的A列输入系列浓度c值,单位mol·m-3.在B列输入与浓度相对应的表面张力s值,单位N·m-1,如表1。

σ-c曲线的绘制:

①在Excel窗口中,单击鼠标左键拖拽选中A列、B列数据区域,鼠标左键单击工具栏中的“图表向导”,在“图表类型”列表中选择“XY散点图”,点击“下一步”后,再分别点击两次“下一步”,点击“完成,绘制出散点图。

②鼠标放在任一散点上,点击鼠标右键,选择“添加趋势线”命令,出现“添加趋势线”对话框。在对话框中选取“类型”标签,选择回归分析类型为“多项式”;“阶数”设置为2,在“选项”标签中选择“显示公式”与“显示R平方值”选项.从拟合的趋势线与实验数据点的重合程度及相关系数R2值,可确定采用多项式二阶曲线拟合能得到最好的结果。拟合曲线方程为:y=1×10-9 x2 -10-5x+0.0675,求该方程一阶导数,得其切线方程为:dσ/dc=1×10-9×2×c-10-5,把相应的浓度c值代入该切线方程,可求出各种浓度乙醇溶液的dσ/dc值,再把dσ/dc值代入吉布斯吸附公式可求出其表面吸附量值Γ,单位mol·m-2,如表2。

如上述方法,创建新工作表,在工作表的A列输入系列浓度c值,在B列输入与浓度相对应的表面吸附量Γ值。绘制出散点图后,按照实验数据趋势,选择“多项式”拟合,“阶数”设置为2 。

总上所述,经过两年的实验教学改革,教学水平得到了很大提高,今后要加强与国内教师交流,更加体现物理化学实验做为专业课程的桥梁纽带作用。

参考文献

[1] 侯新朴.物理化学.第六版[M].北京:人民卫生出版社,2007:259～261.

[2] 清华大学化学系物理化学实验编写组.物理化学实验[M].北京:清华大学出版社,1991:287.

[3] 刘云珍,陈顺玉.用Microsoft Excel软件处理物理化学实验数据.福建师范大学福清分校学报[J],2011(2):20～26.