在基础物理化学实验中培养学生的科学思维能力

2021-07-08赵明李珊珊郭彩红李宏刚王健礼

科学大众·教师版 2021年5期

赵明李珊珊郭彩红李宏刚王健礼

摘要：基础物理化学实验是一门涉及多学科的综合性课程，通过对物质的物理化学性质及化学反应性能的测量，掌握物理化学实验的基础研究方法和实验技能。在基础实验教学中，通过预习中提出疑问，实验过程中引导发现问题、解决问题，实验后分析总结问题的过程，达到有效培养学生积极思考的习惯以及善于发现问题和解决问题的能力。在基础实验中培养学生科学思维能力和持续获得知识的能力。

关键词：基础物化实验; 实验过程; 能力培养; 科学思维

中图分类号：G642.43 文献标识码：A 文章编号：1006-3315（2021）5-178-002

物理化学实验是化学化工类及相关专业如环境、高分子材料、食品科学、材料科学、药学等专业的学科基础课[1]，大部分内容是经典实验。很多学生在进行物理化学基础实验时仍然是“照方抓药”进行实验，没有对“实验原理-实验仪器-实验操作-实验结果”之间的关系做到完整准确的理解，既没有理解化学原理表现出的可测物理量特性、检测仪器的物理化学理论依据、实验结果的关联性等问题。如何通过这些基础经典的实验课教学有效激发学生的兴趣，引导主动学习，使学生扎实熟练地掌握实验原理和实验技能，并在此基础上培养学生积极思考的习惯以及善于发现问题和解决问题的能力，在基础实验中培养学生科研思维能力是非常必要的[2-4]。多年来，很多学校在实验教学改革中作了许多有益的探索，如更新实验教学内容、改革实验教学模式和教学方法[5-7]，在實验体系上相应增加了设计实验、创新实验和综合实验等，目的在于培养学生的创新意识、创新能力以及综合运用各科知识的能力，并在这些方面已取得了一定的成效，但对基础实验的教学关注度还不够。学生的创新思维和科研能力不仅需要在设计实验、创新实验和综合实验中得到锻炼，而且从基础实验开始就要培养学生积极思考的习惯以及善于发现问题和解决问题的能力，养成系统性思维的习惯[8-10]。本文通过在预习中提出疑问，实验过程中引导发现及解决问题，实验后分析总结问题的过程[11]培养学生积极思考的习惯以及综合处理问题的能力，逐步完成从基础实验到独立科研的过渡，为今后的学习和科学研究工作奠定坚实的基础。

一、在预习中培养科学思维能力

成功的实验，离不开实验前的预习。预习过程中，除了要求学生了解实验目的，掌握实验原理，熟悉实验操作方法、步骤，系统性分析该套实验的设计思路和依据的化学原理，各个化学性质与仪器检测之间的关系等问题。还应该要求学生分析实验成功的关键，找到操作的注意事项，分析可以引起误差的因素。通过这样的预习，学生便会带着许多疑问进入实验室，预习是引导学生发现问题的重要过程，更是培养问题意识的良好方法。对于高年级同学，预习过程是系统性学习和梳理思路的过程，例如燃烧焓测定这个经典实验，实验原理及仪器操作等涉及步骤比较多，学生在预习的时候需要拓展相应的知识，如热电偶的组成、原理、分类及使用等;温度的测量手段及原理等;氧弹式量热计的结构、各部分的作用以及使用方法等;通过预习还必须掌握恒容燃烧和恒压燃烧的差异和互换关系，学习知识的迁移使用，思考液体物质的燃烧的测定，该实验方法还可以在哪些领域使用等等问题。如果对每个实验在预习时都带着问题意识，养成思考的习惯，久而久之，就会形成良好的科学思维模式。预习过程养成的思维习惯为以后的科研工作中实验方案的设计奠定了良好的基础。

二、在实验过程中培养科学思维能力

物理化学实验多数情况下是两位同学一组共同完成实验，照着实验方案进行操作，验证理论知识。学生需对整个实验的设计、采用的方法以及实验原理等有充分的理解和掌握，在实验过程如出现问题能初步判断原因。如在二级反应—乙酸乙酯皂化反应中，有个别同学在两种溶液混合后，电导率的变化不大，针对这个问题，拿出来同学们讨论分析原因，引导他们对化学本质和实验体系的认识。二级反应按一级反应处理必须使一个反应物浓度大大过量，由于该反应测量溶液电导率，电导率变化体现的是溶液中NaOH浓度的变化，如果NaOH过量，溶液电导率基本不发生改变，则无法测定反应速率常数，根据这种分析同学们就会判断实验在哪一步骤可能出现了问题，并找出解决的办法。在实验过程中培养学生的探究、思考能力，边做边思考该实验为什么要如此设计，基于物质的什么性质来选择检测仪器，实验条件的限制的目的是什么等等，定量和定性地分析各种现象，寻找变量之间的相关性和因果关系。在实验中探究科学本源，训练科学思维、夯实学科基础;培养科研素养，提升分析、解决问题的能力，增加对科学研究的兴趣。

三、通过撰写实验报告培养科学思维能力

撰写实验报告是实验教学过程中的重要环节，是衡量实验效果的重要依据，它综合反映学生的理论知识和实验技能的掌握程度、观察分析能力、归纳总结能力以及专业语言的表达能力，规范撰写实验报告对于学生将来总结研究资料、撰写毕业论文或学术论文是非常必要的训练。实验报告应包含实验目的要求，实验依据的化学原理，实验所用的仪器设备及试剂，实验条件的选择和限制，实验步骤的描述，原始数据的体现和对数据的处理，得出实验结果并对结果进行分析讨论。撰写过程应该是对知识点进行梳理、总结过程，要求学生写实验原理时做到使每步操作都有据可依，这对学生来说也是一个深化学习、能力提升的过程。在撰写报告的过程中思考抽象的物理化学性质如何被表达出来的，如热量、焓、反应速率、活化能等不能直接测定的量如何通过实验设计和数据处理而表达出来，用表格或图形的形式如何表达物理化学实验数据结果及规律性。加强对现象背后问题的思考，如在“多相催化—甲醇分解”实验报告的撰写过程中学会思考催化剂的作用本质是什么，催化反应过程如何进行，催化剂流失对结果有无影响，反应活化能如何计算等等科学问题的探索[12]。在报告撰写过程中，对一些实验限定条件进行挖掘，找出其科学依据。比如在“流动吸附法测定多孔性物质的比表面积”实验中，在恒温条件下吸附量与吸附质平衡压力间的关系式使用条件是吸附质比压P/P*在0.05—0.35的范围内，为什么要有这个条件限制呢，同学们就会对吸附等温线进行复习思考，发现比压在此范围内的线性关系才能成立，用作直线的方法便可以求出单分子层的吸附量。通过类似问题的思考，对实验所涉及的内容回顾、反思、总结、归纳，对实验现象和数据，特别是对一些反常的结果进行方法学和实验原理的探讨，大大提高了同学们分析解决问题的能力。通过撰写报告，培养了学生们实事求是的科学态度和作风，帮助他们树立了学术意识，开拓学生创新思维，提高学生的科学素养，培养科学思维能力，这对提高实验教学质量具有积极促进作用。

四、结语

通过课前预习发现问题、查阅相关资料，熟悉并理解实验的设计思路，提高学生发现分析问题的能力，结合实验过程中的应对练习和实验后的科学总结，培养学生的科学研究思维，经过多次完整的实验训练，学生的科学创新意识得到加强，科研综合能力得到提升，在基础物理化学实验中培养学生的科学思维能力。

基金资助：2017-2019，四川大学新世纪高等教育教学改革工程（第八期）研究项目：基于培养学生创新创造能力的化学综合性实验教学改革，项目编号：SCU8154

參考文献：

[1]王健礼，赵明.物理化学实验[M]第2版.北京：化学工业出版社，2015：6

[2]王丽莎，曹晓燕，姬泓巍，包木太，李先国.物理化学实验与科研训练结合的教学模式探索[J]实验科学与技术，2017，15（5）：103-105

[3]宰建陶，陈虹锦.大学基础化学实验教学中学生科研素养的培养[J]实验室研究与探索，2018，37（9）：227-230

[4]李元元.以新思路新模式促进创新人才培养[J]中国高等教育，2010，（12）：23-25

[5]张晔.基础实验中科研能力的培养[J]实验室研究与探索， 2012，31（12）：90-92

[6]郭丽，周志强，曹晶晶，陈大树，韩福芹.基于专业课程培养本科生创新精神和科研能力[J]大学化学，2020，35（3）：8-12

[7]张树永，侯文华，刁国旺，物理化学教学研究会第三次会议纪要[J]大学化学，2017，32（9）：1-4

[8]李光提，尹克荣，李玉道，束钰，张广玲.拓宽实践环节提升学生创新能力的途径与探索[J]实验科学与技术，2018，16（6）：89-92