热分析实验教学改革与实践

李明玲 李宏林 高晓宝

（巢湖学院，安徽 巢湖 238000）

热分析实验教学改革与实践

李明玲 李宏林 高晓宝

（巢湖学院，安徽 巢湖 238000）

热分析实验是《材料现代分析方法》课程的重要内容，热分析技术是材料类专业学生必须了解和掌握的技术之一。针对目前热分析实验教学过程中存在的问题和不足，围绕教学方法与手段、教学内容与教学设计等作了改革研究并实践，锻炼了学生的动手操作能力，培养了学生创新能力和科研素养。

热分析实验；综合热分析仪；教学方法；教学设计

热分析是材料现代分析方法之一，主要利用热力学参数或物理参数随温度变化的关系对物质的结构和组成进行分析。利用热分析技术可以快速准确地测定物质的晶型转变、熔融、升华、吸附、脱水、分解等变化，该技术已成为各种材料的研究开发、工艺优化和质量监控的重要手段，在化学、化工、冶金、建材、食品、生物等领域得到了广泛的应用[1-3]。目前，随着社会与经济的发展，越来越多的企业也开始使用先进的热分析仪器对原燃材料的品质及产品的质量进行监控，以确保生产高效进行，提高竞争力。因此，对于以应用型人才培养为导向的本科实验教学，将热分析仪用于本科生教学与学生实验，使材料科学与工程类专业毕业生熟练掌握热分析技术基本原理、操作及结果分析显得越来越重要[4]。但是，由于热分析仪属于贵重、精密仪器，台套数少，教学过程中学生自己动手实践的机会少；且仪器的集成度高，无法向学生展示其内部构造，导致学生学习兴趣低，教学效果较差，实验操作能力难以提高[5-6]。我们在全面分析热分析实验教学现状的基础上，借鉴吸收先进的教学方法，通过将传统实验教学与现代多媒体技术相结合、科学合理设计实验内容与教学过程等，全面培养学生动手能力、分析与解决问题的能力，实验教学效果得到大大提高。

1 教学现状

热分析实验的主要目的是让学生了解热分析原理与应用范围、热分析仪的构造，掌握热分析操作方法，学习热分析曲线的解读等。目前，在大多数高校，热分析仪属于大型精密仪器，数量极其有限，而且实行专人专管，未经正规培训不准上机操作。另外，热分析实验所需时间较长，参加实验的学生数又较多，因此为了完成实验教学，普遍存在着以演示教学为主的现象，即对着仪器给学生简单讲解其构造，然后用固定的参数测一组数据，全程都是教师在讲，教师在操作，缺乏互动，学生实践机会少，导致大部分学生只能停留在对仪器外形的粗浅认识上，教学目的无法真正实现，学生综合能力与素质得不到培养，还会影响学生的学习兴趣。本文结合热分析实验教学的多年经验，以五水合硫酸铜的热重分析实验教学为例，针对目前材料及相关专业的本科生热分析实验教学中存在的问题，做了一些改革探索，如强化预习环节、传统教学与多媒体技术相结合、创造性地设计实验内容等，这些措施的实行，不仅达到了实验教学的目的，而且有利于学生综合能力与素质的培养，取得了较好的教学效果。

2 实验教学改革探索与实践

2.1 引导学生做好课前预习

让学生在学习之前做好充分的准备，带着不解与问题进课堂，上课时就能有的放矢，不仅能很好地跟上教师的节奏，还能有针对性地关注自己不了解的知识点，学习效率大大提高。五水合硫酸铜的热重分析实验一般安排4个学时，在这有限的时间内让学生完全掌握热重分析的原理与应用、仪器构造、操作方法与注意事项、实验影响因素、实验结果分析等多项任务，预习就成为非常重要的一个环节，预习的有与无、预习质量的好与坏会直接影响到实验教学的效果。因此，课前必须引导学生预习。一般在开课前的1—2周，将实验安排（分组名单，实验时间，实验名称，实验主要内容，实验目的与要求等）、实验讲义、预习要点、参考书目、查阅文献的数量等发给学生，安排其做好预习工作。为了保证预习效果，要求学生撰写预习报告，其质量的高低作为实验成绩的参考之一。同时，实验课的前五分钟，安排提问环节，一方面可以了解学生的预习效果，另一方面，对学生可以起到震慑作用，确保人人都预习，人人预习好。

2.2 利用多媒体技术，提高教学效果

热分析实验的特点之一就是热分析仪器是实验中的主要工具，教学过程中，热分析仪的构造、主要零部件与工作原理是热分析实验中比较重要的内容，学生只有真正了解了，才能进行后续的实验操作、结果分析等环节。然而，目前大型仪器的集成化与智能化，让学生很少有接触仪器内部结构以真正了解其构造与功能，掌握其原理的机会。而且，目前的仪器实验教学中，一般都采用示教教学，即教师先演示示教，学生观看后学习仪器操作方法。这种教学方法存在着很多的不足，比如：教师在演示仪器操作时，由于学生人数较多，大家围在仪器四周，会受到所站角度的限制，无法完整地观看到每一个操作细节；一些大型贵重分析仪器数量少，一般学校只购置一台，学生进行实验操作机会极少。因此，实验教学结束后，学生对仪器构造、工作原理等似懂非懂、一知半解，即便学会了操作，也是机械式的操作，不知其所以然。因此，难以让学生真正掌握仪器分析实验内容并使其成为今后科研和工作的得力助手。

为了克服以上困难，我们采取了多媒体辅助教学。在热分析实验教学过程中，采用三维动画技术将热分析仪的内部结构展示给学生，真实展现仪器的整体或局部，使学生一看就能领会，不需要花太多的时间作过多的讲述，可以压缩前段实验内容讲解时间，让更多的时间用于后续实验操作。同时，通过设计精美的多媒体课件，配以动画和合适的颜色搭配，给学生以强烈的感官刺激，吸引其注意力，提高实验教学效果。

2.3 科学设计实验内容

热分析实验过程中很多因素都会对实验结果产生影响，但为了在有限的时间内完成实验教学内容，教师一般会设定固定的实验条件，所有的学生都在相同的条件下操作，至于各个因素对实验结果的影响一般在实验教学过程中不做探讨[7]。这样就使得所有学生都用相同的实验步骤与参数设置，获得相同的实验结果，学生无法真正理解各因素对实验结果的影响；而且，过多的重复实验容易使学生失去新鲜感，不利于学生创新能力与素质的培养。为了克服以上不足，我们在实验内容设计上进行创新，采取了以空间换时间的方法，具体操作过程如下：首先以五水合硫酸铜（CuSO4﹒5H2O）的热重分析为实验主要内容，确定该实验的主要影响因素有试样颗粒度、升温速率与试样使用量，在此基础上各个因素分别选择几个变量，如试样颗粒度选择两种：细粉状和颗粒状；试样用量选择两个：5 mg和15 mg；升温速率选择两个：5和20℃/min。这样就得到了8组不同的实验，如表1所示。

表1 实验条件与操作安排

另外，考虑到五水合硫酸铜的加热过程中，只有吸附水和结晶水的脱除，得到的热重分析曲线非常简单，为了锻炼学生对实验结果的分析能力，另增加了一组橡胶轮胎的热重分析。因此最终实验组数为9组。参与实验的学生人数以100人计，分为五组，其中第一至四组操作表1中的8组实验，第五组操作橡胶轮胎的热重分析。由于加强了实验前的预习，以及在实验教学过程中引入多媒体教学，可以大大压缩实验前的讲解时间，使学生有足够的时间进行操作。这样设计和安排后，虽然是同一个实验，但每一组学生做的都有差别，让学生有了新鲜感，增强了兴趣，更重要的是将全班同学的实验参数与所得结果汇总在一起，就成了一个完整的研究项目，既实现了实验教学预定目的，又培养了学生科研素养与创新能力。

2.4 重视热分析曲线解读，提高综合分析能力

测试结果分析在大型仪器实验教学过程中是非常重要的一个环节，因为大多数情况下测试结果就是一条简单的曲线，如何解读曲线、尽可能多地获取信息，取决于分析者的曲线解读能力。为了培养学生的这种能力，教师不仅要教会学生最基本的分析方法，更重要的是要提供机会，让学生反复实践。在常规的大型仪器实验教学中，所有的学生得到的实验结果完全一样，毫无新意，极不利于学生分析能力的培养。但我们经过如前所述的科学设计实验内容后，可以得到很多不同条件下的测试结果。在实验结束后，召集全班同学在一起，利用多媒体，为大家讲解分析热重曲线的基本方法和过程，利用Origin软件，将相关的热重曲线做在一张图里，经过比较，可以很清楚地看到各个实验参数对实验结果的影响。最后，对学生提出问题：各参数对实验结果的影响规律，并解释原因。从而使学生的分析问题和解决问题能力得到锻炼和提高，同时，也让学生亲身体会到团队协作的重要性。

2.5 课堂与生产实际相结合，提高学以致用的能力

为了便于实验教学过程的进行和学生的理解，一般的热分析实验都会选择一些大家熟知的、过程和结果都比较简单的物质进行测试，如本实验中的五水合硫酸铜，实验结果简单，分析掌握都较容易。但是，在实际应用过程中，分析对象千变万化，不再局限于单一组分、单一结构的物质，得到的热重分析曲线非常复杂，对这种曲线的解读不仅要求分析者了解基本的热分析方法与原理，还要有丰富的专业知识。为了让学生对此有一个初步的认识，我们在实验过程中专门做了一组橡胶轮胎的热重分析。让学生在课后利用所学分析方法对橡胶轮胎的热重曲线进行解释，并查阅相关资料，分析橡胶轮胎的可能成分和大致含量。这个环节的进行，使学生分析、解决实际问题的能力得到培养提高。

2.6 精心设计“思考题”，培养学生知识综合运用能力

在实验的最后，一般会围绕实验原理、步骤和实验所需理论知识设计几个思考题供学生回答，难度不大，目的是为了巩固实验所学。本实验中，为了全面培养学生对各科知识的综合运用能力，针对前述实验内容，对思考题进行精心设计如下：根据8组实验内容与结果，设计一个三因素两水平正交实验表，并对其进行分析，探讨各因素对实验结果的影响。该思考题不仅巩固了学生在高等数学中学到的正交试验表的设计与分析部分知识，而且了解了该部分知识在专业实验中的应用，切实培养了其综合利用各科知识解决实际问题的能力。

3 结束语

实验是理工科教学的重要内容和方法，对学生掌握理论知识、学会实验技能和科学研究方法、培养创新精神和能力等都具有重要的地位和作用。但要想通过实验真正培养学生创新精神和能力，需要对实验教学的整个环节作精心设计。本文以热重分析实验为例，介绍了在其教学的过程中所作的改革，如强化预习环节、传统教学方式与多媒体技术相结合、合理设计实验操作环节、实验内容与生产实际相结合等，并进行了实践。结果表明，改革后的教学增加了学生操作机会，不仅提高了动手能力，其团队协作精神和创新能力也得到了很好的培养和提高。

[1]黄张洪，赵惠，吕利强，等.热分析技术及其应用[J].热加工工艺，2010，（7）:19-22.

[2]余明高，郑艳敏，路长，等.煤低温氧化热解的热分析实验研究[J].中国安全科学学报，2009，（9）:83-86.

[3]刘伟军，李鹏程，郭燕.基于热分析实验的多种生物质燃烧特性[J].上海工程技术大学学报，2011，（4）:287-291.

[4]于欣欣，张利利，戴鹏，等.综合热分析仪在本科生实验教学中的应用[J].大学物理实验，2015，28（4）:24-26.

[5]刘素霞，张永刚.综合热分析仪实验教学初探[J].科技创新导报，2015，（5）:124-125

[6]姚芳，孙岳明.热分析仪器实验教学实践[J].实验技术与管理，2014，（12）:162-165

[7]张建策.热分析实验条件选择对实验结果的影响[J].化工技术与开发，2010，（12）:44-45.

责任编辑：陈 凤

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A

：1672-2868（2017）03-0137-04

2017-03-29

安徽省示范实验实训中心项目（项目编号：2013sxzx020）；巢湖学院课程教改重点项目（项目编号：ch16kcjgxm03）

李明玲（1977-），女，湖南衡阳人。巢湖学院化学与材料工程学院，副教授。研究方向：无机非金属材料工程教学与科研。