陳桂煥 隋坤艷 袁華 彭喬虹

摘要當(dāng)今國際間競爭相當(dāng)于科學(xué)技術(shù)、創(chuàng)新人才和國民科學(xué)素質(zhì)的競爭。提高大學(xué)生科學(xué)思維能力，是提高我國公眾科學(xué)素質(zhì)的整體水平的關(guān)鍵，直接影響到我國未來的科技發(fā)展水平和實力。為了加強科學(xué)思維能力的培養(yǎng)，本文以大學(xué)熱分析實驗教學(xué)為例，通過提出問題、引導(dǎo)學(xué)生尋求解決方案并自主設(shè)計實驗條件自由探索科學(xué)問題，經(jīng)過獨立思考和集體討論得出相關(guān)結(jié)論，在此過程中培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力。

關(guān)鍵詞 科學(xué)思維 自主設(shè)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(xué)技術(shù)的發(fā)展是社會進步的推動力。當(dāng)今國際間競爭相當(dāng)于科學(xué)技術(shù)、創(chuàng)新人才和國民科學(xué)素質(zhì)的競爭。[1]規(guī)律是自然科學(xué)的核心，培根在《學(xué)習(xí)的進步》一書中強調(diào)，科學(xué)規(guī)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(jié)。[2]而對科學(xué)規(guī)律的歸納總結(jié)需要科學(xué)思維能力?？茖W(xué)思維是在科學(xué)認識活動中形成的、對科學(xué)認知行為具有指導(dǎo)作用、對所面對問題具有科學(xué)認識并提取有效信息的理論體系。思維模式對科學(xué)認知行為的影響作用，主要表現(xiàn)在對于有效信息的提取及解決問題的方式都更加科學(xué)、有效。大學(xué)教育是國家培養(yǎng)高科技人才的主要方式，大學(xué)生是獲取專業(yè)知識，運用專業(yè)知識，推動科技進步的主力軍，提高大學(xué)生科學(xué)思維能力，是提高我國公眾科學(xué)素質(zhì)的整體水平的關(guān)鍵，直接影響到我國未來的科技發(fā)展水平和實力。[3]

目前大學(xué)教育，在一定程度上仍過于注重對理論知識的積累，學(xué)生科學(xué)思維能力的培養(yǎng)受到忽視，人才培養(yǎng)的質(zhì)量在一定程度上受到制約。著名科學(xué)家愛因斯坦曾經(jīng)對大學(xué)教育表達過自己的觀點，他認為學(xué)校最重要的任務(wù)應(yīng)該是對學(xué)生獨立思考和獨立判斷能力的培養(yǎng)，而不單純是專業(yè)知識的傳授。大學(xué)教育應(yīng)該對學(xué)生進行知識傳授與能力培養(yǎng)的全面教育，既要注重專業(yè)科學(xué)知識的傳授并立德樹人，也要注重科學(xué)思維能力的培養(yǎng)。大學(xué)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(xué)思維能力的欠缺，將直接影響學(xué)生創(chuàng)新能力與創(chuàng)新精神，進而影響解決實際問題的能力。[4]科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與社會的進步對大學(xué)生的創(chuàng)新精神及解決問題的能力提出了更高的要求，大學(xué)生科學(xué)思維能力的培養(yǎng)迫切需要被融入大學(xué)教育體系。

實驗教學(xué)是與理論知識相聯(lián)系的實踐性課程，是培養(yǎng)學(xué)生動手能力與創(chuàng)新精神的重要途徑。相較于理論課，實驗教學(xué)更容易開展科學(xué)思維、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。教學(xué)過程中要把實驗教學(xué)與科學(xué)思維能力培養(yǎng)進行有機結(jié)合，在教學(xué)方式方法上進行創(chuàng)新，注重科學(xué)思維能力的培養(yǎng)。以高聚物的熱分析實驗為例，傳統(tǒng)的熱分析實驗?zāi)康暮蛯嶒瀮?nèi)容都較單一。更注重讓學(xué)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(jié)合，學(xué)生的獨立思考、創(chuàng)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(xué)中，一改傳統(tǒng)實驗教學(xué)中，學(xué)生按照老師設(shè)計好的實驗條件進行實驗的教學(xué)方式。在進行實驗之前，老師提出跟實驗相關(guān)的科學(xué)問題。學(xué)生在高分子化學(xué)和高分子物理理論知識的基礎(chǔ)上，通過自主翻閱文獻資料，設(shè)計實驗條件，通過實驗自由探索相關(guān)科學(xué)問題并得出相關(guān)結(jié)論。使實驗教學(xué)與理論課緊密聯(lián)系起來，能夠使學(xué)生進一步理解相關(guān)理論知識點，根據(jù)老師的問題提示發(fā)現(xiàn)問題、結(jié)合理論知識分析問題、通過獨立思考與團隊協(xié)作解決問題，在此過程中培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜問題的能力和科學(xué)思維能力。另外，這種教學(xué)方法有利于促進大學(xué)生的團隊協(xié)作精神，有利于發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)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(zhuǎn)變行為，差熱分析技術(shù)可以測量與熱量相關(guān)的物理化學(xué)變化。學(xué)生通過專業(yè)課程相關(guān)知識的學(xué)習(xí)，應(yīng)該對PET的物理化學(xué)性能有了充分的了解，如玻璃化轉(zhuǎn)變、結(jié)晶以及熔融等。玻璃化轉(zhuǎn)變溫度是聚合物的重要特征溫度，在指導(dǎo)專業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究方面都有重要作用，玻璃化轉(zhuǎn)變跟熱量相關(guān)的物理變化是比熱容的變化，由于玻璃化轉(zhuǎn)變是相對聚合物的未結(jié)晶部分而言的，所以測試樣品的結(jié)晶度、熱歷史效應(yīng)對玻璃化轉(zhuǎn)變溫度有重要影響。冷結(jié)晶和熔融也是高聚物重要的熱轉(zhuǎn)變行為，是制定加工條件的重要參考數(shù)據(jù)。本次實驗著重探索不同的測試條件對PET的差熱分析結(jié)果的影響，結(jié)合相關(guān)理論知識和對差熱分析儀基本原理的理解，學(xué)生通過自主學(xué)習(xí)，自由討論，設(shè)計實驗如下：

1樣品質(zhì)量對差熱分析數(shù)據(jù)的影響

設(shè)計實驗條件：分別取樣品質(zhì)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(zhuǎn)變行為。實驗結(jié)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(zhì)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(xiàn)溫度滯后現(xiàn)象，并隨著質(zhì)量的增加移動距離更明顯，但靈敏度逐漸提高。在這里引導(dǎo)學(xué)生思考為什么會出現(xiàn)這種現(xiàn)象，經(jīng)過學(xué)生獨立思考和集體討論，學(xué)生得到如下結(jié)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(dǎo)致峰的寬度增加，進而推測可以通過減小試樣顆粒改善導(dǎo)熱條件。

2升溫速率對差熱分析數(shù)據(jù)的影響

設(shè)計實驗條件：選取質(zhì)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(shè)置為5℃/min、10℃/ min、20℃/min和40℃/min。實驗結(jié)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(jié)晶峰峰頂溫度也相應(yīng)提高，峰面積有一定程度的增大，而速率過高時，會導(dǎo)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(zhuǎn)變和結(jié)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(shù)據(jù)的影響

實驗設(shè)計：取去兩個8mg樣品，第一個樣品沒有經(jīng)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(jié)果如圖3：

如圖3所示，下面未經(jīng)退火處理的PET的差熱分析曲線在75℃附近發(fā)生玻璃化轉(zhuǎn)變，130℃附近出現(xiàn)再結(jié)晶的放熱峰，240℃左右開始出現(xiàn)熔融峰。上面的曲線是經(jīng)過在結(jié)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(zhuǎn)變信號很微弱，升溫過程中的再結(jié)晶峰消失。在這里引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合理論知識思考出現(xiàn)這種差別的原因。經(jīng)過獨立思考和集體討論，得出的結(jié)論是：在PET的結(jié)晶溫度附近進行退火，會使PET未結(jié)晶部分得到充分結(jié)晶，使聚合物整體的結(jié)晶度充分提高，再次升溫時，由于聚合物結(jié)晶度較高，非晶區(qū)鏈斷的運動就會受到限制，使玻璃化轉(zhuǎn)變信號變得非常微弱，由于結(jié)晶比較充分，再次升溫過程中也不會出現(xiàn)再結(jié)晶峰。

科學(xué)思維主要包括發(fā)散思維、問題思維、分解思維、聯(lián)想思維、辯證思維及組合思維等。本次實驗教學(xué)中引導(dǎo)學(xué)生把差熱分析測試結(jié)果的影響因素分解成三個需要探索的問題，根據(jù)科學(xué)問題自主設(shè)計實驗條件，進行問題探索，培養(yǎng)了學(xué)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(dǎo)學(xué)生發(fā)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(yōu)缺點，對其他樣品的測試有何啟發(fā)？經(jīng)過數(shù)據(jù)分析、獨立思考和集體討論，學(xué)生給出討論結(jié)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(chǎn)物更容易釋放出來獲得較高的轉(zhuǎn)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(yōu)點是可以檢測到微弱的熱轉(zhuǎn)變信號，定量結(jié)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(chǎn)物；但樣品量大的缺點是溫度滯后現(xiàn)象嚴重。在這個問題分析和討論過程中，有意培養(yǎng)了學(xué)生的發(fā)散思維、聯(lián)想思維及辯證思維。在對實驗數(shù)據(jù)整合分析過程中，學(xué)生發(fā)現(xiàn)：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(dǎo)學(xué)生思考：如何平衡這兩個因素來達到最佳的測試效果？學(xué)生通過辯證思考，給出結(jié)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(dāng)?shù)脑黾訙y試樣品量來提高測試靈敏度。在這個過程中學(xué)生的辯證思維、組合思維能力得到了有效提升。本實驗教學(xué)過程實際上已經(jīng)把專業(yè)的科學(xué)研究方法引入教育內(nèi)容，即在研究某個因素對實驗結(jié)果的影響時，固定其他影響因素，最后綜合分析，得出相關(guān)結(jié)論。在本實驗中，學(xué)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(jié)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(xué)問題-尋求解決方案-實驗條件設(shè)計-獨立思考-集體討論得出相關(guān)結(jié)論的實驗教學(xué)模式，提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，培養(yǎng)學(xué)生形成良好的科學(xué)思維模式，提高科學(xué)思維能力。

4結(jié)語

為了滿足社會發(fā)展對科技人才的需求，提高我國在國際大環(huán)境中的競爭力，培養(yǎng)大學(xué)生良好的科學(xué)思維能力應(yīng)該是大學(xué)教育的重要內(nèi)容之一。大學(xué)的實驗教學(xué)應(yīng)從傳統(tǒng)的按部就班向注重科學(xué)思維能力培養(yǎng)轉(zhuǎn)變，通過問題引導(dǎo)-自主設(shè)計實驗條件-獨立思考-綜合分析過程，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力。并對教學(xué)方法和手段進行持續(xù)創(chuàng)新和改革，努力培養(yǎng)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(xué)2020年創(chuàng)新型教學(xué)實驗室研究重點項目“金課背景下‘海洋生物質(zhì)纖維成型’實驗線上線下教學(xué)模式構(gòu)建”（編號：CXSYZD202005），青島大學(xué)2020年創(chuàng)新型教學(xué)實驗室研究一般項目“超聲法制備Bi2S3基復(fù)合納米材料及其電催化性能的研究”（編號：CXSYYB202016），“關(guān)于溶液縮聚反應(yīng)合成聚酯的本科高分子創(chuàng)新實驗開發(fā)”（編號：CXSYYB202018），“結(jié)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(yīng)用”（編號：CXSYYB202017）

參考文獻

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