藥學專業(yè)物理化學實驗教學改革研究

王樂平

摘 要:物理化學實驗是藥學專業(yè)的化學類基礎(chǔ)實驗課,實驗教學組針對現(xiàn)行藥學專業(yè)的物理化學實驗課教學存在的亟待解決的問題,進行了教學改革,包括對表面張力中附加壓力概念和實驗方法最大氣泡法稱謂的修正,并提出了實驗設(shè)置的改革的必要性,以及開展Excel繪圖取代手工繪圖的必要性。經(jīng)過兩年的實驗教學改革探索,教學水平得到了很大提高。

關(guān)鍵詞:物理化學表面張力附加壓力Excel繪圖

中圖分類號:G6 文獻標識碼:A 文章編號:1674-098X(2012)05(c)-0148-01

物理化學實驗是藥學專業(yè)的化學類基礎(chǔ)實驗課,其教學目的不僅在于學生要掌握實驗的操作技能,而且要學會利用計算機軟件處理實驗數(shù)據(jù),還要能利用物理化學理論和實驗技術(shù)解決藥學方面的實際問題,培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力和探索精神。

現(xiàn)行藥學專業(yè)的物理化學實驗課教學存在以下三點亟待解決的問題,經(jīng)過兩年的物理化學實驗教學改革探索,教學上取得了以下成果:

(1)在實驗教學中,發(fā)現(xiàn)的亟待修正的理論問題不能及時更正,未能把準確知識時時傳授給學生。

針對上述問題,實驗教學組把存在的問題總結(jié)如下:

實驗課是理論課程的深化與提高,目前國內(nèi)部分高等院校所用物理化學[1][2][教材,關(guān)于表面張力中附加1壓力的概念,定義為彎曲液面內(nèi)外壓力差,符號ΔP。對于曲率半徑為r的球形彎曲液面,附加壓力Δp＝2σ/r,單位N.m-2。在學習這部分內(nèi)容時,很容易使學生理解困難,原附加壓力概念使壓力與壓強兩個概念相混淆,Δp單位N.m-2,明明表明是壓強,為求理論知2識的準確性、嚴謹性。上述附加壓力概念應修改為附加壓強,由于表面張力存在,彎曲液面存在附加壓強,由此將附加壓強定義為彎曲液面內(nèi)外壓強差,符號Δp表示。這同時也與教科書《物理學》[3]、《醫(yī)用物理學》[4]中液體表面性質(zhì)的附加壓強概念相統(tǒng)一。

表面張力是多相系統(tǒng)的重要界面性質(zhì),溶液表面張力測定以最大氣泡法最為常見,目前國內(nèi)各版本物理化學實驗教材及開設(shè)的實驗,大多數(shù)以最大氣泡法[5][6][7][8]命名。通過對最大氣泡法的實驗研究,筆者認為最大氣泡法應修改為最大泡壓法[1]。氣泡剛形成時,由于表面幾乎是平的,所以曲率半徑r極大,當氣泡形成半球形時,曲率半徑等于毛細管半徑r0,此時值r最小,隨著氣泡的進一步增大,r又趨增大,直至逸出液面。r等于r0時,附加壓強最大:△P＝2σ÷r0。

國內(nèi)物理化學實驗測液體表面張力的實驗,測的都是最小氣泡產(chǎn)生的最大附加壓強,據(jù)此,我們可以得出最大氣泡法應改為最大泡壓法[1]。

(2)目前,藥學專業(yè)的物理化學實驗課程體系仍沿用“化學模式”,都是驗證性實驗,目前沒有開設(shè)聯(lián)系藥學,尤其是與藥學相關(guān)的具有綜合性、設(shè)計性的研究型實驗。

針對藥學專業(yè)開設(shè)物理化學實驗,第二軍醫(yī)大學藥學專業(yè)開設(shè)的物理化學實驗課程體系值得學習借鑒,該校已經(jīng)開設(shè)了部分綜合設(shè)計型物理化學實驗,加強了與藥學專業(yè)的聯(lián)系.

(3)現(xiàn)行物理實驗數(shù)據(jù)的處理,除了燃燒熱實驗和鉛錫相圖繪制實驗是直接電腦輸出時時實驗數(shù)據(jù)與繪圖,其余實驗,硫酸鏈霉素水解速率常數(shù)測定、液體飽和蒸氣壓測定、液體表面張力測定(最大泡壓法),這些實驗數(shù)據(jù)處理,都采用手工繪圖處理。不可避免地引入人為誤差,影響結(jié)果的客觀性,往往出現(xiàn)同一組學生,采用同一組數(shù)據(jù)手工繪圖,得出各不相同的結(jié)果,我校物理化學實驗教學應與時俱進,克服困難,積極落實數(shù)據(jù)處理信息化工作,提高學生科學處理實驗數(shù)據(jù)能力。

從2008級藥學專業(yè)學生開始,物理化學實驗硫酸鏈霉素水解速率常數(shù)測定、液體飽和蒸汽壓測定、液體表面張力測定開始采用Excel繪圖,把Excel繪圖的基本操作傳授給學生。

以最大泡壓法測得不同濃度乙醇溶液的表面張力為例(選取學生實驗數(shù)據(jù)),先繪制σ～c曲線,選擇最佳趨勢線類型,使得到的曲線與實驗數(shù)據(jù)趨勢相吻合,并顯示其曲線方程,求得dσ/dc的微分方程,求出各個濃度乙醇溶液的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。

下面將具體介紹其操作過程:

打開Excel軟件,創(chuàng)建工作表,在工作表的A列輸入系列濃度c值,單位mol·m-3.在B列輸入與濃度相對應的表面張力s值,單位N·m-1,如表1。

σ-c曲線的繪制:

①在Excel窗口中,單擊鼠標左鍵拖拽選中A列、B列數(shù)據(jù)區(qū)域,鼠標左鍵單擊工具欄中的“圖表向?qū)А?在“圖表類型”列表中選擇“XY散點圖”,點擊“下一步”后,再分別點擊兩次“下一步”,點擊“完成,繪制出散點圖。

②鼠標放在任一散點上,點擊鼠標右鍵,選擇“添加趨勢線”命令,出現(xiàn)“添加趨勢線”對話框。在對話框中選取“類型”標簽,選擇回歸分析類型為“多項式”;“階數(shù)”設(shè)置為2,在“選項”標簽中選擇“顯示公式”與“顯示R平方值”選項.從擬合的趨勢線與實驗數(shù)據(jù)點的重合程度及相關(guān)系數(shù)R2值,可確定采用多項式二階曲線擬合能得到最好的結(jié)果。擬合曲線方程為:y=1×10-9 x2 -10-5x+0.0675,求該方程一階導數(shù),得其切線方程為:dσ/dc=1×10-9×2×c-10-5,把相應的濃度c值代入該切線方程,可求出各種濃度乙醇溶液的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,單位mol·m-2,如表2。

如上述方法,創(chuàng)建新工作表,在工作表的A列輸入系列濃度c值,在B列輸入與濃度相對應的表面吸附量Γ值。繪制出散點圖后,按照實驗數(shù)據(jù)趨勢,選擇“多項式”擬合,“階數(shù)”設(shè)置為2 。

總上所述,經(jīng)過兩年的實驗教學改革,教學水平得到了很大提高,今后要加強與國內(nèi)教師交流,更加體現(xiàn)物理化學實驗做為專業(yè)課程的橋梁紐帶作用。

參考文獻

[1] 侯新樸.物理化學.第六版[M].北京:人民衛(wèi)生出版社,2007:259～261.

[2] 清華大學化學系物理化學實驗編寫組.物理化學實驗[M].北京:清華大學出版社,1991:287.

[3] 劉云珍,陳順玉.用Microsoft Excel軟件處理物理化學實驗數(shù)據(jù).福建師范大學福清分校學報[J],2011(2):20～26.