基于熱分析創新實驗培養大學生科學思維能力

陳桂煥 隋坤艷 袁華 彭喬虹

摘要當今國際間競爭相當于科學技術、創新人才和國民科學素質的競爭。提高大學生科學思維能力，是提高我國公眾科學素質的整體水平的關鍵，直接影響到我國未來的科技發展水平和實力。為了加強科學思維能力的培養，本文以大學熱分析實驗教學為例，通過提出問題、引導學生尋求解決方案并自主設計實驗條件自由探索科學問題，經過獨立思考和集體討論得出相關結論，在此過程中培養學生的科學思維能力。

關鍵詞 科學思維 自主設計 自由探索

中圖分類號：G642文獻標識碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2021.16.019

Cultivating College Students’ Scientific Thinking Ability Based on Innovative Experiment of Thermal Analysis

CHEN Guihuan， SUI Kunyan， YUAN Hua， PENG Qiaohong

（College of Materials Science and Engineering， Qingdao University， Qingdao， Shandong 266000）

AbstractToday’s international competition is equivalent to the competition of science and technology， innovative talents and national scientific quality. To improvethescientific thinking ability of college students is thekeyto improve the overall level of the scientific quality of the public， which directly affects the level and strength of China’s future scientific and technological development. In order to strengthen the cultivation of scientific thinking ability， this paper takes the experimental teaching of thermal analysis in university as an example， through putting forward problems， guiding students to seek solutions and designing experimental conditions independently， exploring scientific problems freely， drawing relevant conclusions through independent thinking and collective discussion， and cultivating students’ scientific thinking ability in the process.

Keywordsscientific thinking； independent design； free exploration

科學技術的發展是社會進步的推動力。當今國際間競爭相當于科學技術、創新人才和國民科學素質的競爭。[1]規律是自然科學的核心，培根在《學習的進步》一書中強調，科學規律不能只是單純的從自然界收集而來，而要通過試驗方法進行歸納總結。[2]而對科學規律的歸納總結需要科學思維能力。科學思維是在科學認識活動中形成的、對科學認知行為具有指導作用、對所面對問題具有科學認識并提取有效信息的理論體系。思維模式對科學認知行為的影響作用，主要表現在對于有效信息的提取及解決問題的方式都更加科學、有效。大學教育是國家培養高科技人才的主要方式，大學生是獲取專業知識，運用專業知識，推動科技進步的主力軍，提高大學生科學思維能力，是提高我國公眾科學素質的整體水平的關鍵，直接影響到我國未來的科技發展水平和實力。[3]

目前大學教育，在一定程度上仍過于注重對理論知識的積累，學生科學思維能力的培養受到忽視，人才培養的質量在一定程度上受到制約。著名科學家愛因斯坦曾經對大學教育表達過自己的觀點，他認為學校最重要的任務應該是對學生獨立思考和獨立判斷能力的培養，而不單純是專業知識的傳授。大學教育應該對學生進行知識傳授與能力培養的全面教育，既要注重專業科學知識的傳授并立德樹人，也要注重科學思維能力的培養。大學生的生理、心理、處理問題的能力、方式等都處于不成熟階段，科學思維能力的欠缺，將直接影響學生創新能力與創新精神，進而影響解決實際問題的能力。[4]科學技術的發展與社會的進步對大學生的創新精神及解決問題的能力提出了更高的要求，大學生科學思維能力的培養迫切需要被融入大學教育體系。

實驗教學是與理論知識相聯系的實踐性課程，是培養學生動手能力與創新精神的重要途徑。相較于理論課，實驗教學更容易開展科學思維、創新能力的培養。教學過程中要把實驗教學與科學思維能力培養進行有機結合，在教學方式方法上進行創新，注重科學思維能力的培養。以高聚物的熱分析實驗為例，傳統的熱分析實驗目的和實驗內容都較單一。更注重讓學生了解差熱分析儀器的原理和操作過程，沒有與理論知識的緊密結合，學生的獨立思考、創新能力在單純的模仿操作過程中沒有得到有效鍛煉。在這次實驗教學中，一改傳統實驗教學中，學生按照老師設計好的實驗條件進行實驗的教學方式。在進行實驗之前，老師提出跟實驗相關的科學問題。學生在高分子化學和高分子物理理論知識的基礎上，通過自主翻閱文獻資料，設計實驗條件，通過實驗自由探索相關科學問題并得出相關結論。使實驗教學與理論課緊密聯系起來，能夠使學生進一步理解相關理論知識點，根據老師的問題提示發現問題、結合理論知識分析問題、通過獨立思考與團隊協作解決問題，在此過程中培養學生解決復雜問題的能力和科學思維能力。另外，這種教學方法有利于促進大學生的團隊協作精神，有利于發揮學生的創造性以及提高其課堂的參與度與上課積極性。

本文選取的熱分析實驗為差熱分析法測聚合物PET（聚對苯二甲酸乙二醇脂）的熱轉變行為，差熱分析技術可以測量與熱量相關的物理化學變化。學生通過專業課程相關知識的學習，應該對PET的物理化學性能有了充分的了解，如玻璃化轉變、結晶以及熔融等。玻璃化轉變溫度是聚合物的重要特征溫度，在指導專業生產和科學研究方面都有重要作用，玻璃化轉變跟熱量相關的物理變化是比熱容的變化，由于玻璃化轉變是相對聚合物的未結晶部分而言的，所以測試樣品的結晶度、熱歷史效應對玻璃化轉變溫度有重要影響。冷結晶和熔融也是高聚物重要的熱轉變行為，是制定加工條件的重要參考數據。本次實驗著重探索不同的測試條件對PET的差熱分析結果的影響，結合相關理論知識和對差熱分析儀基本原理的理解，學生通過自主學習，自由討論，設計實驗如下：

1樣品質量對差熱分析數據的影響

設計實驗條件：分別取樣品質量為4mg、10mg、17mg、26mg樣品，在保證其他實驗條件一致的情況下分別測試其50-300℃的熱轉變行為。實驗結果如圖1。

由圖1可知，試樣量為4mg時，差熱峰形狀較平滑，靈敏度較低。隨著試樣質量的增加，差熱峰高度逐漸增加，同時可以看到峰頂溫度向高溫移動，即出現溫度滯后現象，并隨著質量的增加移動距離更明顯，但靈敏度逐漸提高。在這里引導學生思考為什么會出現這種現象，經過學生獨立思考和集體討論，學生得到如下結論：在加熱過程中試樣的表面和中心受熱程度不一樣因而存在溫度梯度，試樣越多傳熱距離越長，溫度梯度也越大，導致峰的寬度增加，進而推測可以通過減小試樣顆粒改善導熱條件。

2升溫速率對差熱分析數據的影響

設計實驗條件：選取質量為8mg的樣品，在保證其他條件不變的條件下，升溫速率分別設置為5℃/min、10℃/ min、20℃/min和40℃/min。實驗結果如圖2：

由圖2可知，升溫速率為5℃/分鐘時，差熱峰信號較弱，靈敏度較低。隨著升溫速率增大，峰高增加，結晶峰峰頂溫度也相應提高，峰面積有一定程度的增大，而速率過高時，會導致分辨率下降。同時觀察到，升溫速率造成的溫度滯后對玻璃化轉變和結晶峰的影響較大，而對熔融峰的影響較小。

3熱歷史對差熱分析數據的影響

實驗設計：取去兩個8mg樣品，第一個樣品沒有經過退火處理；第二個樣品首先在136℃保溫30分鐘，待樣品溫度降到室溫后進行二次升溫，再次升溫時與第一個樣品升溫速率相同。實驗結果如圖3：

如圖3所示，下面未經退火處理的PET的差熱分析曲線在75℃附近發生玻璃化轉變，130℃附近出現再結晶的放熱峰，240℃左右開始出現熔融峰。上面的曲線是經過在結晶溫度附近退火之后樣品二次升溫的差熱分析曲線，相較于一次升溫曲線，其玻璃化轉變信號很微弱，升溫過程中的再結晶峰消失。在這里引導學生結合理論知識思考出現這種差別的原因。經過獨立思考和集體討論，得出的結論是：在PET的結晶溫度附近進行退火，會使PET未結晶部分得到充分結晶，使聚合物整體的結晶度充分提高，再次升溫時，由于聚合物結晶度較高，非晶區鏈斷的運動就會受到限制，使玻璃化轉變信號變得非常微弱，由于結晶比較充分，再次升溫過程中也不會出現再結晶峰。

科學思維主要包括發散思維、問題思維、分解思維、聯想思維、辯證思維及組合思維等。本次實驗教學中引導學生把差熱分析測試結果的影響因素分解成三個需要探索的問題，根據科學問題自主設計實驗條件，進行問題探索，培養了學生的問題思維和分解思維。在探索樣品量因素的影響時，引導學生發散思維，思考在高聚物的熱分析實驗中所用樣品量多少的優缺點，對其他樣品的測試有何啟發？經過數據分析、獨立思考和集體討論，學生給出討論結果：樣品量較少時，可得到較高的分辨率，從定性角度來說能得到較好的效果，同時樣品量較少有利于與周圍氣氛充分接觸，裂解產物更容易釋放出來獲得較高的轉變能量；但試樣用量較小帶來的缺點是靈敏度會降低，以至于影響微弱信號的測試。試樣量大的優點是可以檢測到微弱的熱轉變信號，定量結果較為精確，如果需要其他方法進行配合分析，則需要用較多的樣品進行測試，以獲得足夠的配合檢測產物；但樣品量大的缺點是溫度滯后現象嚴重。在這個問題分析和討論過程中，有意培養了學生的發散思維、聯想思維及辯證思維。在對實驗數據整合分析過程中，學生發現：檢測樣品用量的增加對分辨率影響較小而對靈敏度影響較大，而升溫速率無論是對分辨率還是靈敏度影響都很大。在此引導學生思考：如何平衡這兩個因素來達到最佳的測試效果？學生通過辯證思考，給出結論：為了保持較好的分辨率，可以選擇較慢的升溫速率，而通過適當的增加測試樣品量來提高測試靈敏度。在這個過程中學生的辯證思維、組合思維能力得到了有效提升。本實驗教學過程實際上已經把專業的科學研究方法引入教育內容，即在研究某個因素對實驗結果的影響時，固定其他影響因素，最后綜合分析，得出相關結論。在本實驗中，學生不僅能夠掌握最基本的實驗操作技能，了解儀器工作原理，通過實驗結果綜合分析，對差熱分析曲線的影響因素以及PET材料性能有了更深刻的認識。通過提出科學問題-尋求解決方案-實驗條件設計-獨立思考-集體討論得出相關結論的實驗教學模式，提高學生的科學素養，培養學生形成良好的科學思維模式，提高科學思維能力。

4結語

為了滿足社會發展對科技人才的需求，提高我國在國際大環境中的競爭力，培養大學生良好的科學思維能力應該是大學教育的重要內容之一。大學的實驗教學應從傳統的按部就班向注重科學思維能力培養轉變，通過問題引導-自主設計實驗條件-獨立思考-綜合分析過程，培養學生的科學思維能力。并對教學方法和手段進行持續創新和改革，努力培養具有國際競爭力的科技人才。

*通訊作者：隋坤艷

基金項目：青島大學2020年創新型教學實驗室研究重點項目“金課背景下‘海洋生物質纖維成型’實驗線上線下教學模式構建”（編號：CXSYZD202005），青島大學2020年創新型教學實驗室研究一般項目“超聲法制備Bi2S3基復合納米材料及其電催化性能的研究”（編號：CXSYYB202016），“關于溶液縮聚反應合成聚酯的本科高分子創新實驗開發”（編號：CXSYYB202018），“結合色那蒙法和貝瑞克法研究纖維取向度”（編號：CXSYYB202019），“多功能氮化硼材料的制備及應用”（編號：CXSYYB202017）

參考文獻

[1]劉火雄.科學技術是第一生產力.黨史博采，2019，（7）：4-8.

[2]盛國榮.弗蘭西斯·培根的技術哲學思想探微.自然辯證法研究， 2008，24（2）：54-58.

[3]李守超.大學生創新意識與創業能力的教育實踐模式研究，2020，（11）：39-41.

[4]馬心英.大學生科學素質培養初探.菏澤學院學報， 2016，38 （1）： 130-133.