热分析仪器实验教学实践

2014-12-25孙岳明

实验技术与管理 2014年12期

姚芳，孙岳明

（东南大学化学化工学院，江苏南京 211189）

热分析是指在程序控制温度和一定气氛下，测量物质的物理性质与温度或时间关系的一类技术［1］。热分析根据所测量的不同物理性能，可分为热重分析（TGA）、差热分析（DTA）、差示扫描量热分析（DSC）、热机械分析（TMA）、动态热机械分析（DMA）等多种技术。利用热分析技术可以定性定量地表征物质的热性能，包括测定材料的热稳定性、高分子材料的玻璃化转变温度、熔融、结晶等诸多物理性能以及机械性能等，在聚合物材料、药物、含能材料、金属、矿物、石油、陶瓷等众多领域有着广泛的应用，是分析和表征物质热性能的极其有用的手段［2-9］。随着材料和高分子科学的迅猛发展，热分析仪器在生产和科研中使用也越来越广泛。许多高校相关专业开设了热分析课程，其实验教学也逐渐成为高校仪器分析课程的重要组成部分。然而目前大型仪器实验教学中由于仪器数量、专业学时的限制以及热分析实验时间较长等原因，普遍存在着演示教学多的现象［10-11］，大部分学生只能停留在对仪器的粗浅认识以及基本识图解图的层面上。而对于即将走上工作岗位从事相关工作的本科生来说，熟悉大型仪器的功能以及灵活使用各种大型仪器［12-13］，能为他们今后实际工作中选择正确的分析仪器解决实际问题奠定一个坚实的基础。本文结合热分析实验教学的多年经验，以水合草酸钙的同步差热-热重实验为例，针对高分子、材料、化学工程及相关专业的本科生热分析实验教学存在的演示教学的问题作了一些有益的探索和改进，取得较好的教学效果。

1 抓好课前预习环节

对于高校开设的常规仪器分析课程，水合草酸钙的同步差热-热重分析（DSC-TGA）为其实验之一，只有4学时。在这有限的课时内让学生掌握热重的原理、仪器的操作规程、了解草酸钙热分解实验步骤以及完成DSC-TGA图的解析等多项任务，预习是其中非常重要的一环。在开课前1～2周，把实验安排以及预习要点发给学生，提供参考书和相关文献，学生要按照要求做好预习工作。为了把预习真正落到实处，要求学生书写预习报告并回答预习思考题。预习环节作为评判学生成绩的一部分。

2 实现小组化教学

传统的演示教学过程是大班化教学，教师简单地介绍仪器、演示操作过程。由于人数过多，不可能让所有学生亲自动手实验，造成了学生对仪器分析实验的印象肤浅，思考不多。仪器分析实验过程其实是学生主动学习的过程，这种大班化的演示教学不能保证人人有机会去操作仪器，导致学生在学习中丧失了主动性和创造性，偏离了实验教学的目的和意义。

为了提高教学效果，热分析实验在近年来提出小组化教学的模式，保证每次实验安排3～4人一组，试样准备、仪器操作、数据处理都由学生亲自动手。相比传统的演示教学，小组化教学有如下特点和优势：

（1）提高学生参与度。小组化教学模式赋予所有学生独立操作热分析仪器的机会，学生能够认真分析测试数据、解释反应机理，加大了每个学生在教学活动中的参与度，从而加深学生对实验内容及热分析仪器的理解，为今后从事相关科研奠定了良好的基础。

（2）加大师生互动交流。在小组化教学模式下，师生交流空间大，相对以往的大班化演示教学，教师对学生的关注度会提高，可以照顾到每个学生的学习状态，鼓励学生有问题及时提出，而学生也有更多的机会与教师交流，达到师生之间的平等和谐互动。

（3）提高学习主动性。学生是教学的主体，仪器分析实验教学策略的制定及内容的确立，都是以学生对仪器的熟练操作为目的。在小组化教学的实施过程中，充分体现了学生学习的主体性，激发了他们的学习兴趣和能动性，把以往演示教学中的被动学习转化为主动掌握，极大地提高了教学质量和效果。

3 注重互动教学方式

在小组化教学模式的实施下，注重结合互动教学方式，在教师指导下，充分调动学生的积极性、主动性、参与性和创造性，使学生最大限度地投入实验教学活动中。带教教师是实验教学的组织者和指导者，教学过程不能只偏向讲授，更多的是注重提示和引导，加强教学中的互动环节，针对实验中关键操作步骤提问，鼓励学生提问，鼓励学生动手操作，并在实验过程中就某些思考题进行讨论交流，在充分交流和互动中获得问题的结果，营造活跃的课堂气氛；而在实验结束后，要求以小组为单位对实验情况和结果进行分析汇总，从而提高学生对实验内容的整体认知。我们以水合草酸钙同步差热-热重实验为例，从实验安排、实验教学实施以及实验评价3方面就互动式教学方式进行了尝试和摸索，取得不错的教学效果。

3.1 实验安排

在水合草酸钙同步差热-热重实验教学中，因为草酸钙热分解实验的过程较长，约2.5h，而热分析实验本身课时只有4学时，所以在教学过程中要进行统筹安排，做到重点突出。在学生充分预习的前提下，减少讲授时间，给学生足够的时间独立操作仪器。为此在教学安排上以学生为主，分以下几个环节进行：基本原理及操作规程讲解、针对预习思考题提问、学生独立模拟操作仪器、关键步骤以及难点交流讨论、进行数据分析以及小组总结。

3.2 实验教学实施

（1）首先利用15min简单讲解仪器的原理，进一步介绍热分析仪器的基本操作规程，消除学生对仪器的陌生感。

（2）针对预习进行提问，检查预习情况。例如：解释TGA、DSC的含义；区分DSC与DTA的异同；在草酸钙热分解实验中发生的化学反应，分别伴随的热效应等。这些提问也是围绕实验原理进行，进一步加深学生对实验的印象。

（3）之后在电脑上示范仪器的操作过程，并解释每一步参数设置目的；在此基础上，鼓励每个学生参照实验讲义中的操作步骤进行实验模拟操作，就其过程中关键操作环节加以提示，并检查学生掌握程度。如在设置参数时，可提问：实验参数中温度范围如何设置？升温速率以及实验气氛如何选择？在加试样时，会提问：如何选择坩埚的类型？固体试样量以及试样状态对实验数据的影响？

（4）在所有学生完成模拟操作之后开始正式测样，在等待测试结果的过程中，请学生注意电脑记录仪接收的信号有哪些，区分哪个信号为TGA，哪个信号为DSC。鼓励学生对实验结果和数据进行思考，并提出问题，进行小组讨论交流。例如他们可能会提出：TGA和DSC分别有哪些应用，如何解析TGA和DSC图，DSC的峰朝向代表吸热或放热，样品中含有水分对TGA的影响，如何通过DSC曲线算出分解热等。有些问题可以从实验数据中直接得出答案，有的我们会通过举一些实用例子进行讲解，还有的经过一些适当提示，学生通过思考也能得到答案。在讨论交流过程中启发学生激活思维、取长补短、加深理解，真正达到提高分析问题、解决问题能力的目标，共同完成教学任务。

（5）测试结束后，引导学生以小组为单位进行数据分析。水合草酸钙的热分解DSC-TGA测试数据如图1所示。根据TGA三步失重，分析水合草酸钙的三步热分解过程，及其对应的三步反应方程式；根据TGA热失重数据（W1%，W2%或者 W3%）计算水合草酸钙的水合分子数；根据DSC曲线峰的方向以及峰的积分面积判断相对应的热效应。

图1 水合草酸钙热分解DSC-TGA图（空气气氛）

（6）最后对实验结果进行总结汇报，鼓励学生大胆表述实验结果以及误差分析，对于一知半解的地方，可做适当提示引导学生分析，直至得出结论。

3.3 实验评价

互动式教学的核心目标是让学生更好地参与到实验中，良好的师生互动有助于学生提高学习的兴趣以及增强对仪器的理解和知识的掌握。我们在教学中发现，由于互动教学的实施，教师对学生的关注度明显提高。在教学中给予学生适当的评价和鼓励，能够显著增强学生的自信心和学习兴趣，所以建立一种合理的评价机制，客观地分析评价学生的实验掌握情况，是提高实验教学效果的有效途径，否则，学生感受不到教师的评价，学得好与坏都无从显示，这样导致互动式教学只会流于形式，走过场。我们在教学中，结合预习、独立操作、数据处理和实验总结这4部分的情况和表现，综合给予成绩，纳入成绩评定中。

通过以上互动教学的安排、实施和评价，改变传统演示教学注入式的教学方式，注重动手动脑能力的培养。学生通过独立操作仪器，加深对仪器的印象，提高了学生的学习积极性以及课堂的教学效果；互动教学提供了学生之间、师生之间的交流平台，营造了生动有趣的课堂气氛。在教学中，教师不仅能关注每一个学生的学习，及时发现教学中存在的问题，还可激发教师的灵感，有助于提高教师的业务水平。

4 注重数据分析能力的培养

热分析的数据是分析测试的最终结果，正确理解和分析数据的意义，掌握热分析在高分子材料、药物化学、化学工程等领域的应用，为学生今后从事相关工作提供帮助才是这门课的最终目标，因此在教学过程中要突出对学生数据分析能力的培养。我们的做法是不仅要正确解析草酸钙的TGA-DSC数据，还结合不同应用领域从成分分析、材料鉴定、热稳定性能表征、聚合物材料相容性研究、聚合物玻璃化转变温度的测定等多方面，给学生提供5～6份热分析数据进行分析和讲解。例如，其中一份数据为聚氯乙烯（PVC）的热分解TGA数据。PVC的热分解分为2个阶段，第一阶段发生在200℃～300℃，主要分解产物是HCl，主链形成共轭双键，热稳定性提高，出现一个平台；至420℃，发生主链断裂，开始第二失重阶段，最后约10%的残余物的结构与碳相似，直至700℃也不会分解，又形成了第二个平台。通过上述例子的分析，结合每步热分解对应的分子结构的变化，了解物质结构与材料热稳定性之间的关系，同时让学生了解到热重分析是检测物质热稳定性的一种有效手段。

通过多份数据的解析，提高学生对热分析数据的分析能力以及加深对热分析仪器的理解，为今后正确选择相关热分析仪器解决实际问题奠定基础。

5 开设热分析实验研讨课

鉴于以上互动教学和小组化教学的开展，基本上可以杜绝演示教学的弊端，但是对于一些学有余力的学生以及即将进入毕业设计的学生来说，学时数是限制学生熟练操作和灵活运用仪器的壁垒。因此我们热分析组向学校教务处申请开设了“化学实验研讨课——热分析仪工作原理与使用规范”。该课是面向化学化工学院各专业本科生、硕士生、博士生开设的一门大型仪器操作培训课程，化学实验研讨为其教学方式。以大型仪器操作培训为主要环节，以培训学生熟练操作大型仪器及取得仪器上岗证为目标，小组化教学，提供学生9个热分析实验，实验安排由易到难，包括7个基础性实验以及2个综合性实验和创新性实验。学生通过理论、操作以及仪器实训的基本训练，能够独立操作仪器进行多样品测试并获得上岗证为合格。获得上岗证的学生通过网上预约系统可自行独立操作仪器。

研讨课的开设为学生提供了充分的课时去熟悉和操作仪器。研讨课对学生的要求较之仪器分析实验更进一步，鼓励学生独立设计参数、独立思考、独立处理数据，培养学生灵活熟练运用大型仪器进行科学研究。

6 实行开放实验室

学生经过研讨课的多批次样品培训，基本上具备了独立操作热分析的能力，但是如何对所学内容进行巩固和加强，达到“学以致用”的目的也是保证教学质量的关键。我们依据学校大型仪器平台建设要求，对取得上岗证的学生开放实验室，鼓励学生带课题申请，延续培训。学生在课程结束后，根据自己的需要可以进入实验室开展科研工作，特别是在毕业设计环节的学生。毕设课题的开展，会有大量样品需要测试，鼓励这样的学生带课题延续培训，一方面加强了知识的巩固，提高学生对于仪器的熟练操作程度，另外也培养了学生独立处理问题和解决问题的能力。

7 结束语

通过在热分析实验教学过程中穿插互动教学、实现小组化教学、开设研讨课、开放实验室延续培训等多种模式的探索，使学生能够真正做到灵活掌握、熟练操作、活学活用，完全摈除了以往仪器实验教学中演示实验以及受学时数限制、仪器数量不够等带来的种种教学弊端。学生由不敢接触大型仪器、不会使用、不会解析数据到培训之后的灵活操作、学以致用，取得了很好的教学效果，达到了提高实验教学质量的目标。

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［1］刘振海，陆立明，唐远旺.热分析简明教程［M］.北京：科学出版社，2012.

［2］Matthias W.热分析应用手册系列丛书：热分析应用基础［M］.陆立明，译.上海：东华大学出版社，2011.

［3］Riesen R.热分析应用手册系列丛书：热固性树脂［M］.陆立明，译.上海：东华大学出版社，2009.

［4］刘振海.分析化学手册第8分册：热分析［M］.北京：化学工业出版社，2000.

［5］Jandali M Z，Widmann G.热分析应用手册系列丛书：热塑性聚合物［M］.陆立明，唐远旺，蔡艺，译.上海：东华大学出版社，2008.

［6］Schawe J E K.热分析应用手册系列丛书：弹性体［M］.陆立明，译.上海：东华大学出版社，2009.

［7］周平华，许乾慰.热分析在高分子材料中的应用［J］.上海塑料，2004，3（1）：36-40.

［8］殷海荣，章春香，刘立营.差热分析在玻璃学研究中的应用［J］.陶瓷，2008（6）：14-18.

［9］李守超，程清，程伟华，等.差示扫描量热法测定橡胶玻璃化温度［J］.分析化学，2012（3）：26-30.

［10］徐立新.提高差热分析演示实验教学效果的做法［J］.实验室研究与探索，1997，16（3）：22-23.