食品类专业“物理化学”实验教学方法改革
2024-10-19邰佳彭冬梅
摘要:根据食品科学与工程类专业的培养要求,结合物理化学实验教学过程中存在的问题,对食品类专业物理化学实验课程进行教学改革探讨。改变了传统的实验教学方法,搭建了物理化学仿真教学实验平台,增强了学生学习的主动性,提升了学生的实验效率和质量,培养了学生的创新意识和能力,收到了良好的教学效果。
关键词:物理化学;实验教学;教学改革
中图分类号:G642.0 文献标志码:A DOI:10.16465/j.gste.cn431252ts.20240317
基金项目:食品科学与工程国家一流专业建设点项目;粮食工程江苏省特色专业建设项目;南京财经大学校级教学改革课题(JGY1847)。
Exploration on experimental teaching methods reform of physical chemistry for food specialty
Tai Jia, Peng Dongmei
( School of Food Science and Engineering / Collaborative Innovation Center for Modern Grain Circulation and Safety / Key Laboratory of Grains and Oils Quality Control and Processing, Nanjing University of Finance and Economics, Nanjing, Jiangsu 210023 )
Abstract: Physical chemistry experiment course,as an important part of the whole experiment teaching course,is the bridge that connecting the theory and practice of physical chemistry and an important way for cultivating the practical ability and innovation ability of students. According to the training requirements of food science and engineering specialty, combined with the main problems existing in physical chemistry experiments, and to explor food specialized physical chemistry experiments teaching. the traditional experimental teaching methods was changed,the simulation platform of physical chemistry experimental teaching was established. Through these measures, the learning go-aheadism was reinforced, and the efficiency and quality of experiment were enhanced of the students. The innovative consciousness, the innovative ability were cultivated, and good teaching effectiveness was got.
Key words: physical chemistry; experimental teaching; teaching reform
食品科学与工程类专业是以食品科学和工程学科为基础,培养学生具有数学、自然科学、计算机与信息、机械工程基础与食品专业知识,具有食品科学与工程的研究能力和创新能力,研究食品的营养健康、食品的加工贮藏、工艺设计与生产制造、质量与安全控制、食品的物流与消费等科学与工程问题,具有理工结合、多学科交叉的特点,应用型与综合性强[1-3]。
南京财经大学食品科学与工程学院具有60多年的办学历史,是学校重点建设的优势学院,办学实力雄厚。学院现拥有食品科学与工程一级硕士学位授权点、生物与医药专业硕士授权点,设有食品科学与工程、食品质量与安全、粮食工程3个本科专业。其中食品科学与工程入选国家一流专业建设点、国家特色专业、江苏省品牌专业、江苏省产教融合品牌专业,食品质量与安全是江苏省高等学校重点专业,粮食工程是江苏省特色专业、江苏省一流专业建设点。近年来,为不断适应学科发展和社会需要,学院以培养具有扎实自然科学基础知识和学科基础理论、专业知识和实践技能,具有较高人文社会科学素养、创新意识和国际视野,德智体美劳全面发展的,兼具化学、生物、经济、管理和法律素养等复合知识结构的复合创新应用型专业技术人才为目标,为用人单位输送了大量优秀人才,在社会上取得了良好的口碑[4-5]。
作为食品科学与工程类专业的重要学科基础课,物理化学实验课程是培养本专业人才整体知识结构及能力结构的重要组成部分[6-7]。这门基础实验课程的教学目的是使学生熟悉物理化学的研究方法,了解学科的研究现状及未来发展方向[8];培养学生基本的实操技能,掌握一般实验仪器的使用方法,锻炼学生用心仔细观察实验现象、及时正确做好实验记录、分析处理实验数据的能力[9];深化对无机与分析化学、有机化学、大学物理等已学课程基础知识的理解与运用,最终达到提高发现问题、分析问题和解决问题等综合能力的目的[10]。
1 物理化学实验课程现状及存在问题分析
1.1 实验教学内容不能彰显学科特色
作为一门基础实验课程,本着适用于一般理工科专业的宗旨,物理化学经典实验项目往往通用性和实用性较强,但与食品科学与工程类专业的契合度较低。主要有以下几点原因:① 经典物理化学实验的开设没有彰显出专业特色。若不结合专业自身的培养模式进行精选,而是毫无变通地直接服务于食品科学与工程类专业的教学工作,会使学生缺乏专业归属感和认同感,觉得学而无用。② 那些经典科学实验跟不上这个科学技术突飞猛进的时代的脚步。各种不同版本的物理化学实验教材中的实验项目大同小异,整个实验框架多年来并无显著改变,尤其是那些经典实验更是鲜有变化,这对于近些年来蓬勃发展的食品科学与工程类专业来说利用价值较低,学生也会逐渐丧失对物理化学实验课程的学习热情。为满足食品科学与工程这门学科飞速发展的需求,这类专业的物理化学实验必须在原有的经典实验的基础上进行大刀阔斧的改革,为食品科学与工程类专业的物理化学实验课程带来新的生机。③ 对于食品科学与工程类专业来说,经典实验的缺点明显,主要表现在缺乏灵活性与创新性方面。所以食品科学与工程类专业的物理化学实验必须在经典物理化学实验的基础上,与自身学科互相融会贯通。
1.2 实验作用不能进一步升华
物理化学实验课程的实验安排完全是参照其理论体系,是验证和深化理论知识的内容,在具体的设置上要尽量与理论课程内容保持同步。因此,物理化学实验课程也就成为了物理化学理论课程进一步的补充说明,而该实验本身所包含的内容和蕴含的规律却没有受到应有的重视,其教学效果也就难以得到升华。学生对于该实验的理解与探究,也就只是停留在对于理论知识的实践性理解范畴,没有更多的发散式思维,学习能动性得不到提高。
1.3 实验质量得不到保证
物理化学实验因其独特的课程特点而区别于其他基础化学实验,它的大多数实验都要在光学、电学、磁力学等仪器的帮助下完成。这些实验仪器结构非常复杂,操作也较为繁琐,纵使学生提前认真预习,提前观看实验仪器的介绍视频,也只能做到对实验基本理论进行熟悉,而不能充分了解并掌握实验仪器的正确使用方法,无法达到实验前的预习要求,致使不少学生在实验过程中,操作失误较多,严重影响实验进度。
1.4 实验教学场地、仪器数量与学生数量之间存在矛盾
作为一门专业基础课,物理化学实验对南京财经大学食品科学与工程学院食品科学与工程、食品质量与安全、粮食工程3个本科专业的所有学生开设。在实验教学过程中,由于学生数量与实验场地大小以及实验仪器数量之间存在着严重的供需矛盾,致使学生只能以小组为单位,而且是3~4个同学一组,在限定的时间做规定的实验,不是每个学生都有亲手操作仪器的意愿,往往是学习拔尖、善于动手的同学上手,小组其他成员则是走马观花,成了“南郭先生”,大多数学生的动手能力未能得到有效锻炼,达不到预期的实验效果。
1.5 实验仪器设备更新难
既然物理化学是用物理学的方法来研究化学问题的一门科学,那么物理化学实验就需要能测量各种物理量的仪器设备来为化学服务。物理化学实验对仪器设备的要求较高,没有性能稳定的仪器设备,物理化学实验很难正常进行,这有别于无机、有机和分析化学实验。由于物理化学实验仪器设备的要求高,投资高,使得实验仪器的更新很难。一旦仪器长时间未能更新,就会造成仪器内部元件模块老化,再加上学生的莽撞或错误操作,整个实验环节仪器问题频出,严重影响实验进度的现象屡见不鲜。
2 物理化学实验课程教学改革方法
2.1 结合授课对象专业实际开设实验
作为一门专业基础课,南京财经大学食品科学与工程学院食品科学与工程、食品质量与安全、粮食工程3个本科专业均开设了“物理化学”课程。该课程中的饱和蒸汽压、燃烧热、水解反应、皂化反应、电导率、电动势、吸附作用和表面张力等知识点与以上3个专业均息息相关。为使物理化学实验课程的开设有的放矢,紧密贴合专业实际,在借鉴和采用经典物理化学实验的同时,对实验内容进行了适当变动。对物理化学实验教学大纲中的十几个实验重新进行筛选,确定了液体饱和蒸汽压的测定、燃烧热的测定、挥发性双液系T-X图的绘制、蔗糖水解反应速率常数的测定、乙酸乙酯皂化反应速率常数的测定、电导的测定及其应用、电动势法测定化学反应的热力学函数、溶液中的吸附作用和表面张力的测定等与专业紧密相关的8个实验。然后对所选实验的各个细节作进一步优化。例如将燃烧热的测定实验中的常用燃烧对象萘改为食品防腐剂苯甲酸,使得实验内容的更改与专业实际紧密贴合,增强了学生的专业认同感,激发了学生对实验内容及相关理论知识的学习兴趣。
2.2 丰富教学手段,确保实验质量
为确保实验教学质量,让学生通过所开设的实验掌握较多的知识和技能,采用以下方法:① 精心设计授课环节,在课堂上给学生全面讲解实验目的、原理、现象、步骤、操作要点、注意事项、误差原因等,不漏掉任何一个知识点;② 规范实验报告的填写,强调数据记录与处理、结果分析与讨论等,同时推荐并介绍作图软件 Origin 的使用方法,帮助学生提高数据处理能力和作图水平;③ 不仅让学生学到实验项目应掌握的知识,还介绍所开设实验对后续课程学习及对从事食品专业的意义;④ 在实验前详细讲解影响实验结果准确性的因素及优化措施,解释实验现象,并介绍一些分析测试仪器,以开阔学生视野;⑤ 在实验课堂上严肃纪律、规范操作、勤查细纠;⑥ 严格要求并认真批阅预习报告与实验报告,对存在的问题及时予以解答和纠正。通过以上种种措施,切实提高学生的规范化实验操作技能及动手能力。
2.3 构建物理化学仿真教学实验平台
构建物理化学仿真教学实验平台,打造虚拟教学实验环境,使学生通过人机交互完成一个教学实验过程的各个环节。每一个仿真实验项目包含实验原理、仪器简介、三维仿真、虚拟考核、数据处理和思考题。学生在上课之前可以通过仿真实验来学习实验原理、熟悉实验仪器。通过三维仿真来练习实验操作。三维仿真通过三维图像来模拟实验过程,右边菜单是实验用到的仪器和试剂,中间是实验操作部分,下边有文字提示每一步操作。学生可以在文字的提示下完成整个实验过程。实验操作完成后,学生可以进行虚拟考核,检查自己对操作的掌握程度。虚拟考核成绩可以作为学生实验考核成绩的一部分。帮助学生更好地预习实验,有助于提高课堂效率和教学效果。
2.4 优化实验教学分组
为响应国家的扩招政策,近几年来南京财经大学食品科学与工程学院各专业的招生人数都有大幅提升,作为食品科学与工程类专业的重要学科基础课,物理化学实验课势必会受到较大影响。受实验场地和实验仪器数量的制约,如果还是按照以往的实验方案,每个实验小组的学生数量将会从原来的2位变成3~4位,这就造成了那些缺乏实验兴趣,没有亲手操作仪器意愿的小组成员在整个实验过程中走马观花,等着最后与别人共享实验结果与数据,这种学生的动手能力未能得到有效锻炼,达不到预期的实验效果。所以要保证教学质量,就必须最多2名学生共用一台仪器,大家通过分工协作来完成实验。改进方法拉长了实验间隔,延长了实验时间,将原来的2个实验合并在一起开设。每个班级先分成2个大组,分别做2个不同的实验,进入对应的实验场地后,再进行每个实验小组的细分,这样就可以确保每台实验仪器不超过2名同学。2个大组同学均做完各自的实验之后,再进行实验交换。
2.5 做好实验仪器的日常保养工作
既然物理化学实验仪器不能及时更新,那就要在平时做好实验仪器的养护工作。总结实验过程中仪器容易出现的问题,并分析其产生原因。例如燃烧热的测定实验中点火设备的连线很容易被学生不小心拔断,需要准备好小型电焊枪及时焊接;氧弹中的垫圈老化后容易漏气,造成氧弹中的药片未完全燃烧,要准备好垫圈配件及时更换;液体饱和蒸汽压的测定实验中压强测试仪器的部件一旦老化,读数就会难以稳定,造成很大误差,要及时备好部件;循环真空泵的真空管一旦老化,会大大降低真空泵的输出功率,要及时做好排查。在实验仪器日常维护方面要化被动为主动,跟仪器生产商和修理商做好沟通,学习基本的仪器构造和保养知识,掌握实验仪器常见问题的解决方法,准备好充足的备用仪器和仪器备件,做到小问题自己解决,这样可以节省大量时间,不会造成实验教学进度受到很大影响。
3 结 语
物理化学实验课程是培养食品科学与工程类专业人才整体知识结构及能力结构的重要组成部分。根据食品科学与工程类专业的培养要求,结合物理化学实验教学过程中存在的一些问题,本文对食品类专业物理化学实验课程的教学方法进行改革和探讨,以期提高专业教学质量和学生实践技能,培养高素质的科创人才。
参 考 文 献
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