“试错法”在物理化学实验教学中的应用初探

韩 霞，邬时清，宋江闯，赵会玲

（华东理工大学化学与分子工程学院，上海 200237）

0 引言

物理化学实验，是物理化学理论教学的重要补充和组成部分，是四大基础化学实验之一。不同于无机化学、分析化学和有机化学实验中的性质验证实验，物理化学实验涉及热力学、动力学、电化学、胶体界面化学和结构化学等相关内容，是通过实验手段来研究物质的物理化学性质及其性能间关系的，是一门理论与实践紧密相连的综合性课程［1］，其教学目的在于通过实验对化学原理的有关概念及其应用加深理解；它在整个大学化学实验课程体系中起着承上启下的作用，对学生动手能力、实验设计、科学思维和创新能力的培养等起着不可代替的作用［2-4］。

随着国家“双一流”和“双万计划”的启动以及新工科背景下［5］，对本科教学提出了更高的要求。除引入各类学科竞赛和自主创新实践等课外活动以外，从基础实验教学中发掘和探索学生自主能力和创新精神培养的方式则更为高效和便捷，也符合本科教学指导原则“加强基础，促进交叉，尊重选择，卓越教学”［6］。为了让学生养成主动观察与思考，独立分析问题和解决问题的能力，结合国外高校实验教学的方式［7］，本文以物理化学实验中的氨基甲酸铵分解平衡常数测定实验为例，采用“试错法”教学方式，做一些尝试和探索，以期逐步培养学生的创新综合素质和自主学习能力。

1 物理化学实验课的传统教学方式

传统的物理化学实验教学中，教师主要采取“填鸭式”教学模式，学生主要采取验证型学习模式，教师“手把手”讲解演示实验操作流程，学生“按方抓药”、机械重复实验步骤［8］，这样，学生可以快速高效地完成实验过程，达到该实验的实验目标。具体就氨基甲酸铵分解平衡常数测定这一实验的教学来说，一般包含课前预习、课堂讲解、操作演示、实验过程、数据记录、课后完成实验报告和网上思考题等环节。

氨基甲酸铵分解平衡常数测定实验是一个经典的化学平衡实验［9-10］。学生在预习过程中需要了解实验目的、实验原理、实验仪器和实验步骤等，在传统教学模式中，大多数学生会可能无法真正理解实验设计的原理，而仅是模仿老师的实验流程完成实验步骤，当遇到问题时就无法进行有效地自主解决，也难以达到预期的教学目标［11］。

2 “试错法”教学方式

“试错法”的根本原则是学生作为实验的主导［12］，学生根据实验原理去自行设计、自行尝试、自行分析，从而，提高学生的自主动手和自主思考能力。具体就氨基甲酸铵分解平衡常数测定这一实验的教学来说，一般过程为课前预习、课堂仪器展示、试错式实验过程、错误分析（寻求帮助）、获取正确路线、获取数据记录、实验改进建议、课后完成实验报告和网上思考题等环节。每次的实验步骤不同，可能导致的实验结果有差异，或许会一次次地碰壁，遇到困难，这样学生就会有效提问，教师也可以有的放矢地指导；也提升了学生的预习效果，使学生的实验能力得到培养、提升，加深对实验背后的知识、实验原理理解与把握，了解实验装置仪器设计的原理。最后，在试错—分析—纠错的过程中，实现实验与理论教学内容的融合，提炼出实验中的知识脉络［13］，不仅有助于实验的理解，更有利于理论知识的具体化，理论与实验相辅相成［14］，激发学生的创新意识，提高学生的问题分析与解决能力。

3 两种教学方式效果对比

表1 所示为传统教学与试错法在氨基甲酸铵分解平衡常数测定实验教学中学生的易错点比较。

表1 传统教学与“试错法”教学中学生的易错点比较

由表1 可见，两种教学方式所导致学生的易错点发生了变化，传统教学班中，系统检漏和压差计置零这两种错误几乎没有，而旋塞的使用错误却相当高，这是由于教师讲解演示时，首先进行的是检漏和置零，这两个步骤非常简单，而且是所有实验步骤的最前面，学生模仿实验时不易忘记。当实验进行至后面的旋塞调节步骤时，由于旋塞数量多，且一会儿需要打开，一会儿需要关闭，如果学生不能很好地理解实验过程中旋塞开关的用途，那么他们就很容易搞乱和混淆，因此，会出现较高的错误率。与此不同的是，“试错法”教学班中，系统检漏和压差计置零这步操作忘记的同学显著高于传统教学班，这是由于这两步操作与后面的反应和压力测试关联性不强，学生容易将注意点放在旋塞调节步骤中，这也直接导致“试错法”教学班中返工次数较多（见表2）。尽管如此，在后续的关键实验步骤中“试错法”教学班同学的出错率显著低于传统教学班的同学。因此，实验原理的理解和实验装置的设计对于实验的成功与否至关重要。

由表2 可见，传统教学和“试错法”教学方式虽然在教师讲解演示的时间上存在明显差异，前者学生的返工次数略少于后者，但在学生总体的实验时长上却没有显著差异，说明教师演示的作用不明显，这可能是由于实验的操作步骤比较复杂，细节较多，学生难以通过老师的一遍演示就迅速掌握实验流程，另一方面，如果没有很好地理解实验原理，也难以融会贯通，遇到情况无法灵活应变。对于“试错法”教学班来说，学生的实验时长和结果准确度区间要比传统教学班的分布宽，这是由于学生对实验的理解能力的差异造成的，这提醒教师对于“试错法”教学不能一概而论，而是要进行差异化教学，采取多层次针对性教学方式［15］。对于自学能力和动手能力较强的同学，可以放手让他们自己主动尝试，让他们去设计实验和装置；而对有一些理解力较弱或工科思维欠缺的学生，更适于采用先讲解再试错的方法；还有一大部分学生则可以让他们尝试“讲解—理解—动手尝试—再理解—再讲解”的方法。

表2 传统教学与“试错法”教学的教学效果比较

两种教学方式中差异最大的是学生对预习作用的评价，传统教学班学生大多数人认为预习就是简单完成要求的几项任务，其他的上课老师会讲，不必理解，因此，只要上课听老师讲解演示就能很好地完成实验。而对“试错法”教学班来说，上课时，老师提出实验目的和要求，并展示一下仪器装置，其他的不再讲解。如果预习时没有很好地理解和查阅相关的资料及仪器使用说明，开始实验时就会脑子里一片空白，完全不知从何做起，甚至有些学生要重新做预习的工作。因此，“试错法”教学班学生的差异显著。另外，“试错法”教学班大部分学生认为预习帮助很大，对少部分认为预习帮助不大的同学进行调研发现，他们认为预习帮助不大的原因主要有3 个：①原理图和实际装置之间的差异，②实验步骤不够简单明了，③没有多媒体预习资料或实验演示。2020 年初的新冠肺炎疫情期间实施的远程教学提出了制作实验多媒体资料的要求，这也是实验教学改革中迫切需要加强的。可喜的是，我校在这方面的工作已经热火朝天地开展起来，大家充分利用新冠疫情期间网络教学的经验，将物理化学基础实验的原理、仪器讲解等多媒体化，用于学生的预习，这将大大提高学生的实验预习效果。

4 “试错法”教学效果提升

两种教学方式班级学生自评对实验理解度差异并不大，但是，传统教学班中教师是主体，主导学生实验；而“试错法”教学班则是学生为主导，学生自主探索实验。在一个实验中可能很难以区分两种教学方式的差异，但“试错法”教学显然更有利于学生的自主能力、动手能力及创新能力的培养［16］，该教学班的学生会提出更有深度的问题，能更生动清晰地讲解实验，并给出实验设计的建议。

（1）问题导向的探索，提升学生思考的积极性。提出如下问题：为什么不能用图1（a）所示的初始装置直接测试氨基甲酸铵分解生成气体的压力？为什么要用U 型管？为什么用双旋塞（2、3）（4、5）分别控制毛细管E、F？为什么有的人转动旋塞的次数少，有的人需要多次转动？为什么会存在误差？误差的主要来源是什么？平衡常数跟什么有关系？氨基甲酸铵固体量多少会影响平衡吗？会影响测得的分压和平衡常数吗？样品瓶大小、管路粗细长短会影响平衡吗？会影响测得的分压和平衡常数吗？化学平衡实验与化学动力学实验有什么不同？

图1 氨基甲酸铵分解平衡常数测定实验装置的设计图

（2）生动清晰地讲解与实践，激发学生发散思维和逻辑思维能力。首先是实验目标设定，通过一步步的设问，学生之间相互激发，寻求实验目标达成的可能路径，尝试一步步地回答并解决问题，从而实现实验目标的达成。在此过程中尝试提炼问题的精髓，并利用动画示意图简洁明了的表达（见图2）。通过这种简洁明了的示意图，学生自己就可以将这个实验原理和方法理解并讲清楚，实现了教师引导的翻转课堂教学效果。

图2 化学平衡与压力平衡的转换示意图

（3）构建条理清晰的知识框架脉络（见图3），使学生理解理论与实践的关联。充分理解化学平衡的概念，在一定的条件下，系统中反应物和产物的种类和数量宏观上不随时间改变；从理论上是研究平衡时温度、压力与系统组成的关系。实验中是通过一定的仪器手段固定温度，测定平衡时系统压力的改变，即获得温度与压力之间的关系；理论上可由平衡压力计算该温度下的标准平衡常数，从而得到温度与平衡常数及热力学函数之间的关系。标准平衡常数是化学平衡的重要特征，可用来判断反应的方向与限度，而实验测定是获得平衡常数的重要方法，同时也可以由热性质数据计算得到。

图3 氨基甲酸铵分解平衡常数测定实验的知识框架图

5 结语

为适应新工科发展的新需求，培养创新型复合人才，充分利用和挖掘现有基础实验的潜力，探索与尝试新的教学模式，提高实践教学质量。通过“试错法”教学，启发学生思考，使学生能从解决错误的问题中高效学习，提高学生的学习主动性，加强学生分析问题和解决问题的能力，提升学生解决复杂工程问题的能力，培养学生的探索精神、逻辑思维和科学研究能力，逐步完成从基础实验到独立科研间的过渡，为其高阶课程的学习和科研工作的开展奠定坚实的基础。

·名人名言·

伟大人物最明显的标志，就是他坚强的意志。

——爱迪生