在基礎(chǔ)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)中培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力

趙明 李珊珊 郭彩紅 李宏剛 王健禮

摘 要：基礎(chǔ)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)是一門涉及多學(xué)科的綜合性課程，通過對物質(zhì)的物理化學(xué)性質(zhì)及化學(xué)反應(yīng)性能的測量，掌握物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)研究方法和實(shí)驗(yàn)技能。在基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，通過預(yù)習(xí)中提出疑問，實(shí)驗(yàn)過程中引導(dǎo)發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，實(shí)驗(yàn)后分析總結(jié)問題的過程，達(dá)到有效培養(yǎng)學(xué)生積極思考的習(xí)慣以及善于發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力。在基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維能力和持續(xù)獲得知識的能力。

關(guān)鍵詞：基礎(chǔ)物化實(shí)驗(yàn); 實(shí)驗(yàn)過程; 能力培養(yǎng); 科學(xué)思維

中圖分類號：G642.43? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? 文章編號：1006-3315（2021）5-178-002

物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)是化學(xué)化工類及相關(guān)專業(yè)如環(huán)境、高分子材料、食品科學(xué)、材料科學(xué)、藥學(xué)等專業(yè)的學(xué)科基礎(chǔ)課[1]，大部分內(nèi)容是經(jīng)典實(shí)驗(yàn)。很多學(xué)生在進(jìn)行物理化學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)時(shí)仍然是“照方抓藥”進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，沒有對“實(shí)驗(yàn)原理-實(shí)驗(yàn)儀器-實(shí)驗(yàn)操作-實(shí)驗(yàn)結(jié)果”之間的關(guān)系做到完整準(zhǔn)確的理解，既沒有理解化學(xué)原理表現(xiàn)出的可測物理量特性、檢測儀器的物理化學(xué)理論依據(jù)、實(shí)驗(yàn)結(jié)果的關(guān)聯(lián)性等問題。如何通過這些基礎(chǔ)經(jīng)典的實(shí)驗(yàn)課教學(xué)有效激發(fā)學(xué)生的興趣，引導(dǎo)主動學(xué)習(xí)，使學(xué)生扎實(shí)熟練地掌握實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)技能，并在此基礎(chǔ)上培養(yǎng)學(xué)生積極思考的習(xí)慣以及善于發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力，在基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中培養(yǎng)學(xué)生科研思維能力是非常必要的[2-4]。多年來，很多學(xué)校在實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革中作了許多有益的探索，如更新實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式和教學(xué)方法[5-7]，在實(shí)驗(yàn)體系上相應(yīng)增加了設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)和綜合實(shí)驗(yàn)等，目的在于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識、創(chuàng)新能力以及綜合運(yùn)用各科知識的能力，并在這些方面已取得了一定的成效，但對基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)關(guān)注度還不夠。學(xué)生的創(chuàng)新思維和科研能力不僅需要在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)和綜合實(shí)驗(yàn)中得到鍛煉，而且從基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)開始就要培養(yǎng)學(xué)生積極思考的習(xí)慣以及善于發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力，養(yǎng)成系統(tǒng)性思維的習(xí)慣[8-10]。本文通過在預(yù)習(xí)中提出疑問，實(shí)驗(yàn)過程中引導(dǎo)發(fā)現(xiàn)及解決問題，實(shí)驗(yàn)后分析總結(jié)問題的過程[11]培養(yǎng)學(xué)生積極思考的習(xí)慣以及綜合處理問題的能力，逐步完成從基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)到獨(dú)立科研的過渡，為今后的學(xué)習(xí)和科學(xué)研究工作奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

一、在預(yù)習(xí)中培養(yǎng)科學(xué)思維能力

成功的實(shí)驗(yàn)，離不開實(shí)驗(yàn)前的預(yù)習(xí)。預(yù)習(xí)過程中，除了要求學(xué)生了解實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，掌握?shí)驗(yàn)原理，熟悉實(shí)驗(yàn)操作方法、步驟，系統(tǒng)性分析該套實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思路和依據(jù)的化學(xué)原理，各個(gè)化學(xué)性質(zhì)與儀器檢測之間的關(guān)系等問題。還應(yīng)該要求學(xué)生分析實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵，找到操作的注意事項(xiàng)，分析可以引起誤差的因素。通過這樣的預(yù)習(xí)，學(xué)生便會帶著許多疑問進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，預(yù)習(xí)是引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題的重要過程，更是培養(yǎng)問題意識的良好方法。對于高年級同學(xué)，預(yù)習(xí)過程是系統(tǒng)性學(xué)習(xí)和梳理思路的過程，例如燃燒焓測定這個(gè)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)原理及儀器操作等涉及步驟比較多，學(xué)生在預(yù)習(xí)的時(shí)候需要拓展相應(yīng)的知識，如熱電偶的組成、原理、分類及使用等;溫度的測量手段及原理等;氧彈式量熱計(jì)的結(jié)構(gòu)、各部分的作用以及使用方法等;通過預(yù)習(xí)還必須掌握恒容燃燒和恒壓燃燒的差異和互換關(guān)系，學(xué)習(xí)知識的遷移使用，思考液體物質(zhì)的燃燒的測定，該實(shí)驗(yàn)方法還可以在哪些領(lǐng)域使用等等問題。如果對每個(gè)實(shí)驗(yàn)在預(yù)習(xí)時(shí)都帶著問題意識，養(yǎng)成思考的習(xí)慣，久而久之，就會形成良好的科學(xué)思維模式。預(yù)習(xí)過程養(yǎng)成的思維習(xí)慣為以后的科研工作中實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)奠定了良好的基礎(chǔ)。

二、在實(shí)驗(yàn)過程中培養(yǎng)科學(xué)思維能力

物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)多數(shù)情況下是兩位同學(xué)一組共同完成實(shí)驗(yàn)，照著實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行操作，驗(yàn)證理論知識。學(xué)生需對整個(gè)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)、采用的方法以及實(shí)驗(yàn)原理等有充分的理解和掌握，在實(shí)驗(yàn)過程如出現(xiàn)問題能初步判斷原因。如在二級反應(yīng)—乙酸乙酯皂化反應(yīng)中，有個(gè)別同學(xué)在兩種溶液混合后，電導(dǎo)率的變化不大，針對這個(gè)問題，拿出來同學(xué)們討論分析原因，引導(dǎo)他們對化學(xué)本質(zhì)和實(shí)驗(yàn)體系的認(rèn)識。二級反應(yīng)按一級反應(yīng)處理必須使一個(gè)反應(yīng)物濃度大大過量，由于該反應(yīng)測量溶液電導(dǎo)率，電導(dǎo)率變化體現(xiàn)的是溶液中NaOH濃度的變化，如果NaOH過量，溶液電導(dǎo)率基本不發(fā)生改變，則無法測定反應(yīng)速率常數(shù)，根據(jù)這種分析同學(xué)們就會判斷實(shí)驗(yàn)在哪一步驟可能出現(xiàn)了問題，并找出解決的辦法。在實(shí)驗(yàn)過程中培養(yǎng)學(xué)生的探究、思考能力，邊做邊思考該實(shí)驗(yàn)為什么要如此設(shè)計(jì)，基于物質(zhì)的什么性質(zhì)來選擇檢測儀器，實(shí)驗(yàn)條件的限制的目的是什么等等，定量和定性地分析各種現(xiàn)象，尋找變量之間的相關(guān)性和因果關(guān)系。在實(shí)驗(yàn)中探究科學(xué)本源，訓(xùn)練科學(xué)思維、夯實(shí)學(xué)科基礎(chǔ);培養(yǎng)科研素養(yǎng)，提升分析、解決問題的能力，增加對科學(xué)研究的興趣。

三、通過撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告培養(yǎng)科學(xué)思維能力

撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告是實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中的重要環(huán)節(jié)，是衡量實(shí)驗(yàn)效果的重要依據(jù)，它綜合反映學(xué)生的理論知識和實(shí)驗(yàn)技能的掌握程度、觀察分析能力、歸納總結(jié)能力以及專業(yè)語言的表達(dá)能力，規(guī)范撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告對于學(xué)生將來總結(jié)研究資料、撰寫畢業(yè)論文或?qū)W術(shù)論文是非常必要的訓(xùn)練。實(shí)驗(yàn)報(bào)告應(yīng)包含實(shí)驗(yàn)?zāi)康囊?，?shí)驗(yàn)依據(jù)的化學(xué)原理，實(shí)驗(yàn)所用的儀器設(shè)備及試劑，實(shí)驗(yàn)條件的選擇和限制，實(shí)驗(yàn)步驟的描述，原始數(shù)據(jù)的體現(xiàn)和對數(shù)據(jù)的處理，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果并對結(jié)果進(jìn)行分析討論。撰寫過程應(yīng)該是對知識點(diǎn)進(jìn)行梳理、總結(jié)過程，要求學(xué)生寫實(shí)驗(yàn)原理時(shí)做到使每步操作都有據(jù)可依，這對學(xué)生來說也是一個(gè)深化學(xué)習(xí)、能力提升的過程。在撰寫報(bào)告的過程中思考抽象的物理化學(xué)性質(zhì)如何被表達(dá)出來的，如熱量、焓、反應(yīng)速率、活化能等不能直接測定的量如何通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)處理而表達(dá)出來，用表格或圖形的形式如何表達(dá)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果及規(guī)律性。加強(qiáng)對現(xiàn)象背后問題的思考，如在“多相催化—甲醇分解”實(shí)驗(yàn)報(bào)告的撰寫過程中學(xué)會思考催化劑的作用本質(zhì)是什么，催化反應(yīng)過程如何進(jìn)行，催化劑流失對結(jié)果有無影響，反應(yīng)活化能如何計(jì)算等等科學(xué)問題的探索[12]。在報(bào)告撰寫過程中，對一些實(shí)驗(yàn)限定條件進(jìn)行挖掘，找出其科學(xué)依據(jù)。比如在“流動吸附法測定多孔性物質(zhì)的比表面積”實(shí)驗(yàn)中，在恒溫條件下吸附量與吸附質(zhì)平衡壓力間的關(guān)系式使用條件是吸附質(zhì)比壓P/P*在0.05—0.35的范圍內(nèi)，為什么要有這個(gè)條件限制呢，同學(xué)們就會對吸附等溫線進(jìn)行復(fù)習(xí)思考，發(fā)現(xiàn)比壓在此范圍內(nèi)的線性關(guān)系才能成立，用作直線的方法便可以求出單分子層的吸附量。通過類似問題的思考，對實(shí)驗(yàn)所涉及的內(nèi)容回顧、反思、總結(jié)、歸納，對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和數(shù)據(jù)，特別是對一些反常的結(jié)果進(jìn)行方法學(xué)和實(shí)驗(yàn)原理的探討，大大提高了同學(xué)們分析解決問題的能力。通過撰寫報(bào)告，培養(yǎng)了學(xué)生們實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度和作風(fēng)，幫助他們樹立了學(xué)術(shù)意識，開拓學(xué)生創(chuàng)新思維，提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，培養(yǎng)科學(xué)思維能力，這對提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量具有積極促進(jìn)作用。

四、結(jié)語

通過課前預(yù)習(xí)發(fā)現(xiàn)問題、查閱相關(guān)資料，熟悉并理解實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思路，提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)分析問題的能力，結(jié)合實(shí)驗(yàn)過程中的應(yīng)對練習(xí)和實(shí)驗(yàn)后的科學(xué)總結(jié)，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)研究思維，經(jīng)過多次完整的實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練，學(xué)生的科學(xué)創(chuàng)新意識得到加強(qiáng)，科研綜合能力得到提升，在基礎(chǔ)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)中培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力。

基金資助：2017-2019，四川大學(xué)新世紀(jì)高等教育教學(xué)改革工程（第八期）研究項(xiàng)目：基于培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)造能力的化學(xué)綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，項(xiàng)目編號：SCU8154

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