食品专业物理化学实验教学改革与实践

2011-09-25芦晓芳王清华杜慧玲张金桐

大学化学 2011年5期

芦晓芳王清华杜慧玲张金桐

(山西农业大学文理学院山西太谷 030801)

物理化学是一门与多学科有紧密联系的基础课,其实验教学对培养学生勤于思考的习惯、综合应用各科知识特别是物理化学基本理论解决实际问题具有重要的作用。随着近些年高等教育的发展,高等教育专业门类增多,以物理化学作为专业基础课的需求也越来越大。食品专业如何开设物理化学课程,特别是物理化学实验课程,是一个值得探索的问题。尽管近两年已有学者意识到该问题,并编写了相关教材[1],向联系食品专业实际靠近了一大步,但还不能完全满足需要。

1 经典基础物理化学实验的局限性

物理化学是一门基础课,其经典实验项目不可能完全适用于食品专业。主要原因是:① 经典物理化学实验的开设无专业区别。若不根据授课对象加以选择和改进,直接应用于食品专业会使学生缺乏专业归属感,觉得学非所用。 ② 经典实验与科技进步联系不紧密。常见的物理化学实验教材中的大多数项目多年来无大改变,尤其是经典实验更少有变化，对于近年来发展起来的食品专业来说很少能够直接应用，使学生失去了学习物理化学这门课的兴趣。为适应食品科技快速发展的需要,该类专业的物理化学实验必须在经典实验的基础上进行改造和更新，为食品专业物理化学及物理化学实验注入生机。③对于食品专业来说，经典实验缺乏灵活性与创新性。故食品专业物理化学实验必须在经典物理化学实验的基础上,与食品科学相互贯通。

2 食品专业物理化学实验教学改革与探索

2.1 结合食品专业实际开设实验

我校的食品科学与工程、食品质量与安全、生物工程3个食品专业开设了物理化学课程。这3个专业与物理化学课程中的化学反应热、稀溶液的依数性、偏摩尔量、氧化还原与原电池、电解质溶液、高分子溶液、酶催化反应动力学、表面吸附、表面活性剂、溶胶与凝胶、乳状液与泡沫等内容联系紧密。为了使食品专业物理化学实验的开设有的放矢,密切结合专业实际,我们在借鉴和采用经典物理化学实验的同时,进行了实验内容的改革。

2008年和2009年,通过对食品中二氧化硫残留量测定和对其在食品、环保和中药中最新应用的讲解,使学生了解了电导滴定的实际应用价值，同时对电解质溶液这部分的基础理论知识有了更深的理解，使学生真正认识到理论指导实验的巨大作用。实验电导法测定食品(银耳)中二氧化硫残留量,首先要用邻苯二甲酸氢钾对氢氧化钠溶液浓度进行标定，标定曲线如图1所示。氢氧化钠溶液浓度标定，可以使学生从具体的数值和图形上掌握弱酸与强碱反应的电导率的变化，滴定终点的确定方法以及数据处理的一些基本常识。然后进行食品(银耳)中二氧化硫残留量的测定，测定结果如图2所示。这种小实验过程简单、内容比较丰富,学生对此感到新奇, 做实验时很投入,能够在实验中真正感到学有所用。

图1 氢氧化钠溶液浓度标定曲线

图2 电导滴定法测定银耳中二氧化硫残留量

食品中二氧化硫残留量测定是在酸性溶液中蒸馏出二氧化硫气体，用过氧化氢溶液吸收蒸馏出的二氧化硫，使其转变为硫酸，用标准氢氧化钠溶液利用电导法滴定溶液中的硫酸量，通过作图，找到滴定终点，然后换算出食品中二氧化硫残留量。在此实验中，可以让学生掌握强酸强碱电导滴定过程及电导滴定曲线。

食品中二氧化硫残留量测定实验涉及到3个反应，H2O2+SO2=H2SO4，H2SO4+2NaOH=Na2SO4+2H2O和2H2O2=2H2O+O2。既然有化学反应发生，就应该引导学生考虑影响化学反应速率的因素,如温度、浓度、催化剂以及影响化学平衡移动的因素等，还要考虑这些因素是否影响电导滴定法测定结果的准确性。让学生带着问题作实验设计并在实验中检验影响化学反应速率的因素和平衡移动的因素，可让学生理解各部分知识并应用到实验中，以提高学生的科研能力和实际操作动手能力。该实验已作为设计性实验开设。与其他二氧化硫残留量测定方法(盐酸副玫瑰苯胺法(分光光度计法)，蒸馏后间接碘量法[2])比较，本实验有助于开阔学生的思维，培养他们查阅文献的习惯。同时也给学生留有自由选择实验材料和制备条件的余地,可培养其创新思维和独立解决问题能力。

我们还将原来用凝固点降低法测定化工产品萘摩尔质量的经典实验改进为测定肉桂酸苄酯(一种香精)摩尔质量实验。做此实验可以增强食品专业学生对稀溶液依数性的理解;实验中增加了根据溶胶非溶剂胶凝原理[3]制备凝胶的设计性实验——固体酒精的制备。给学生实验原理框架和基本实验器材,让他们自行设计实验步骤和组装实验装置,用硬脂酸、氢氧化钠和乙醇等试剂制备固体酒精[4]，然后描述固体酒精状态，测定固体酒精产率,并用固体酒精加热已知质量的水,观察其燃烧状态,测定水加热至沸腾所需时间、固体酒精燃烧时间、酒精块熄灭时水的温度等数据,通过这些数据来衡量固体酒精的热能和燃烧性能。

这些实验的更新和增设与专业实际紧密联系,增强了学生对实验内容及相关理论知识的实用感和专业兴趣。尤其是固体酒精的制备实验,学生对于在溶胶中加入非溶剂后的胶凝过程感到很神奇,自始至终都兴致勃勃。这些实验都没有现成的方法和步骤,我们就和学生一起动脑、动手,最大限度地发挥学生的主观潜能。

2.2 用实验教学大纲规范实验课

我们根据物理化学课程的特点和食品专业的实际，编写了实验教学大纲,确定了多个可选择的实验项目,建立了灵活的实验教学体系。从实验内容上进行规范,规定了一些设计性实验；每届学生的实验课都至少有一个综合性或设计性实验；并且对实验课做出基本要求,规定了实验应达到的目的和效果。

2.3 保证实验课质量实施的一些措施

为确保实验课质量,印制的实验报告将预习与实验合一,内容全面、合理,结构严谨；编印了学生实验室守则,以便于对学生的预习管理(教师课前审阅、签字,不预习者不允许实验)和实验课堂管理。此外,还对实验操作和实验报告编写进行了规范,确定了详细的实验成绩评定方法。由于物理化学课程理论和实验学时都较少,为了让学生在有限的实验项目中学到更多的知识和技能,我们做了以下尝试: ① 在实验课前精心设计,在课堂上详细给学生讲解实验目的、原理、现象、步骤、操作要点、注意事项、误差来源等项目; ② 讲解实验报告的编写规范,重点强调数据记录、处理,结果分析和讨论等，介绍作图软件Origin的使用,使学生在数据处理和作图水平上有质的提高; ③ 不仅让学生学到实验项目应掌握的知识,还介绍开展本实验对后续课程学习及对从事食品专业的意义; ④ 在理论课堂上详细讲解影响实验结果准确性的因素及改进办法，解释实验现象,并介绍一些项目测试仪器,以开阔学生视野; ⑤ 在实验课堂上严明纪律、正确示范、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。通过这些措施,切实提高学生的规范化实验操作技能；通过这样精做每一个实验,使学生的动手能力有很大提高。

2.4 不断创新发展的实验课

食品专业对物理化学知识的需求与化学专业不同,不能完全照搬化学专业开设的经典实验项目,要根据专业特点与需要,选开、改进或更新相应实验内容,使其与食品专业紧密结合。实验中或用食品工业原材料与试剂,或解决食品工业问题,这样可使学生感到物理化学实验不仅仅是为物理化学课程开设,而且是为提高本专业所需要的技能或实验技术开设,这样能使学生切实感受到物理化学课程的重要性和实用性,激发学生学习物理化学的积极性。

我们在2008年大幅度更新并增加了实验项目。对18学时实验课所开设6个实验中的4个实验进行了更新。这些实验受到学生的普遍欢迎。在实验项目开设上,我们注重内容创新,设计了一些与专业紧密结合的实验项目,如通过制备固体酒精完成凝胶的制备实验教学任务；通过对食品中二氧化硫残留量的测定实验，完成电解质溶液实验教学任务等。

2.5 设计性或综合性实验的开设[5-6]

设计性实验旨在培养学生独立解决实际问题的能力。高校扩招后,由于实验课资源不足,学生动手能力的培养受到一定的影响,适当开出设计性实验对于培养学生分析问题、解决问题能力是有意义的。综合实验涉及实验程序设计、实验材料、条件和设备选用等内容,以及实验设计书与实验报告书的写作,能全面地锻炼学生工作能力，此外还能培养学生查阅文献的能力。

2008和2009年开设的设计性实验是食品中二氧化硫残留量测定实验和凝固点降低法测定肉桂酸苄酯的摩尔质量实验, 2009年开设的设计性实验是固体酒精的制备。这些都是我们的独创性实验,与食品专业结合紧密而且实用性很强,学生在实验中学会了工作方法,提高了实验技能。

3 食品专业物理化学实验教学体系改革的效果

3.1 激发了学生实验的积极性

学生对固体干凝胶吸水膨胀实验和硬脂酸钠浓溶胶胶凝制备固体酒精实验很有兴致,实验效果很好。实践证明,只有应用性和趣味性强的实验,才能令学生感兴趣,收到预期效果。

3.2 增强了学生实验的主动性

我们针对食品专业所开设的物理化学实验,具有很强的专业基础性和实用性,学生觉得这门课与专业结合紧密,学习主动性就高涨,实验效果也好。而若照做化学专业的物理化学实验,学生会觉得内容

与自己专业无关,难以调动学生的主动性。

3.3 为学生后续专业课学习奠定了基础

通过物理化学实验课,培养了学生综合分析问题的能力。学生能够独立设计实验,开展某些制备或测试性工作,掌握了诸如胶凝、电导测定、食品添加剂热值测定、食品表面活性剂表面张力测定、凝固点降低法测定某些小分子非电解质纯组分食品的摩尔质量等方法和实验技术。这些为后续专业课程学习奠定了必要的理论知识基础和实验技能基础。