在基礎物理化學實驗中培養學生的科學思維能力

趙明 李珊珊 郭彩紅 李宏剛 王健禮

摘 要：基礎物理化學實驗是一門涉及多學科的綜合性課程，通過對物質的物理化學性質及化學反應性能的測量，掌握物理化學實驗的基礎研究方法和實驗技能。在基礎實驗教學中，通過預習中提出疑問，實驗過程中引導發現問題、解決問題，實驗后分析總結問題的過程，達到有效培養學生積極思考的習慣以及善于發現問題和解決問題的能力。在基礎實驗中培養學生科學思維能力和持續獲得知識的能力。

關鍵詞：基礎物化實驗; 實驗過程; 能力培養; 科學思維

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

物理化學實驗是化學化工類及相關專業如環境、高分子材料、食品科學、材料科學、藥學等專業的學科基礎課[1]，大部分內容是經典實驗。很多學生在進行物理化學基礎實驗時仍然是“照方抓藥”進行實驗，沒有對“實驗原理-實驗儀器-實驗操作-實驗結果”之間的關系做到完整準確的理解，既沒有理解化學原理表現出的可測物理量特性、檢測儀器的物理化學理論依據、實驗結果的關聯性等問題。如何通過這些基礎經典的實驗課教學有效激發學生的興趣，引導主動學習，使學生扎實熟練地掌握實驗原理和實驗技能，并在此基礎上培養學生積極思考的習慣以及善于發現問題和解決問題的能力，在基礎實驗中培養學生科研思維能力是非常必要的[2-4]。多年來，很多學校在實驗教學改革中作了許多有益的探索，如更新實驗教學內容、改革實驗教學模式和教學方法[5-7]，在實驗體系上相應增加了設計實驗、創新實驗和綜合實驗等，目的在于培養學生的創新意識、創新能力以及綜合運用各科知識的能力，并在這些方面已取得了一定的成效，但對基礎實驗的教學關注度還不夠。學生的創新思維和科研能力不僅需要在設計實驗、創新實驗和綜合實驗中得到鍛煉，而且從基礎實驗開始就要培養學生積極思考的習慣以及善于發現問題和解決問題的能力，養成系統性思維的習慣[8-10]。本文通過在預習中提出疑問，實驗過程中引導發現及解決問題，實驗后分析總結問題的過程[11]培養學生積極思考的習慣以及綜合處理問題的能力，逐步完成從基礎實驗到獨立科研的過渡，為今后的學習和科學研究工作奠定堅實的基礎。

一、在預習中培養科學思維能力

成功的實驗，離不開實驗前的預習。預習過程中，除了要求學生了解實驗目的，掌握實驗原理，熟悉實驗操作方法、步驟，系統性分析該套實驗的設計思路和依據的化學原理，各個化學性質與儀器檢測之間的關系等問題。還應該要求學生分析實驗成功的關鍵，找到操作的注意事項，分析可以引起誤差的因素。通過這樣的預習，學生便會帶著許多疑問進入實驗室，預習是引導學生發現問題的重要過程，更是培養問題意識的良好方法。對于高年級同學，預習過程是系統性學習和梳理思路的過程，例如燃燒焓測定這個經典實驗，實驗原理及儀器操作等涉及步驟比較多，學生在預習的時候需要拓展相應的知識，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;氧彈式量熱計的結構、各部分的作用以及使用方法等;通過預習還必須掌握恒容燃燒和恒壓燃燒的差異和互換關系，學習知識的遷移使用，思考液體物質的燃燒的測定，該實驗方法還可以在哪些領域使用等等問題。如果對每個實驗在預習時都帶著問題意識，養成思考的習慣，久而久之，就會形成良好的科學思維模式。預習過程養成的思維習慣為以后的科研工作中實驗方案的設計奠定了良好的基礎。

二、在實驗過程中培養科學思維能力

物理化學實驗多數情況下是兩位同學一組共同完成實驗，照著實驗方案進行操作，驗證理論知識。學生需對整個實驗的設計、采用的方法以及實驗原理等有充分的理解和掌握，在實驗過程如出現問題能初步判斷原因。如在二級反應—乙酸乙酯皂化反應中，有個別同學在兩種溶液混合后，電導率的變化不大，針對這個問題，拿出來同學們討論分析原因，引導他們對化學本質和實驗體系的認識。二級反應按一級反應處理必須使一個反應物濃度大大過量，由于該反應測量溶液電導率，電導率變化體現的是溶液中NaOH濃度的變化，如果NaOH過量，溶液電導率基本不發生改變，則無法測定反應速率常數，根據這種分析同學們就會判斷實驗在哪一步驟可能出現了問題，并找出解決的辦法。在實驗過程中培養學生的探究、思考能力，邊做邊思考該實驗為什么要如此設計，基于物質的什么性質來選擇檢測儀器，實驗條件的限制的目的是什么等等，定量和定性地分析各種現象，尋找變量之間的相關性和因果關系。在實驗中探究科學本源，訓練科學思維、夯實學科基礎;培養科研素養，提升分析、解決問題的能力，增加對科學研究的興趣。

三、通過撰寫實驗報告培養科學思維能力

撰寫實驗報告是實驗教學過程中的重要環節，是衡量實驗效果的重要依據，它綜合反映學生的理論知識和實驗技能的掌握程度、觀察分析能力、歸納總結能力以及專業語言的表達能力，規范撰寫實驗報告對于學生將來總結研究資料、撰寫畢業論文或學術論文是非常必要的訓練。實驗報告應包含實驗目的要求，實驗依據的化學原理，實驗所用的儀器設備及試劑，實驗條件的選擇和限制，實驗步驟的描述，原始數據的體現和對數據的處理，得出實驗結果并對結果進行分析討論。撰寫過程應該是對知識點進行梳理、總結過程，要求學生寫實驗原理時做到使每步操作都有據可依，這對學生來說也是一個深化學習、能力提升的過程。在撰寫報告的過程中思考抽象的物理化學性質如何被表達出來的，如熱量、焓、反應速率、活化能等不能直接測定的量如何通過實驗設計和數據處理而表達出來，用表格或圖形的形式如何表達物理化學實驗數據結果及規律性。加強對現象背后問題的思考，如在“多相催化—甲醇分解”實驗報告的撰寫過程中學會思考催化劑的作用本質是什么，催化反應過程如何進行，催化劑流失對結果有無影響，反應活化能如何計算等等科學問題的探索[12]。在報告撰寫過程中，對一些實驗限定條件進行挖掘，找出其科學依據。比如在“流動吸附法測定多孔性物質的比表面積”實驗中，在恒溫條件下吸附量與吸附質平衡壓力間的關系式使用條件是吸附質比壓P/P*在0.05—0.35的范圍內，為什么要有這個條件限制呢，同學們就會對吸附等溫線進行復習思考，發現比壓在此范圍內的線性關系才能成立，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，對實驗所涉及的內容回顧、反思、總結、歸納，對實驗現象和數據，特別是對一些反常的結果進行方法學和實驗原理的探討，大大提高了同學們分析解決問題的能力。通過撰寫報告，培養了學生們實事求是的科學態度和作風，幫助他們樹立了學術意識，開拓學生創新思維，提高學生的科學素養，培養科學思維能力，這對提高實驗教學質量具有積極促進作用。

四、結語

通過課前預習發現問題、查閱相關資料，熟悉并理解實驗的設計思路，提高學生發現分析問題的能力，結合實驗過程中的應對練習和實驗后的科學總結，培養學生的科學研究思維，經過多次完整的實驗訓練，學生的科學創新意識得到加強，科研綜合能力得到提升，在基礎物理化學實驗中培養學生的科學思維能力。

基金資助：2017-2019，四川大學新世紀高等教育教學改革工程（第八期）研究項目：基于培養學生創新創造能力的化學綜合性實驗教學改革，項目編號：SCU8154

參考文獻：

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