韓 霞，鄔時清，宋江闖，趙會玲

（華東理工大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院，上海 200237）

0 引言

物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)，是物理化學(xué)理論教學(xué)的重要補(bǔ)充和組成部分，是四大基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)之一。不同于無機(jī)化學(xué)、分析化學(xué)和有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的性質(zhì)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)涉及熱力學(xué)、動力學(xué)、電化學(xué)、膠體界面化學(xué)和結(jié)構(gòu)化學(xué)等相關(guān)內(nèi)容，是通過實(shí)驗(yàn)手段來研究物質(zhì)的物理化學(xué)性質(zhì)及其性能間關(guān)系的，是一門理論與實(shí)踐緊密相連的綜合性課程［1］，其教學(xué)目的在于通過實(shí)驗(yàn)對化學(xué)原理的有關(guān)概念及其應(yīng)用加深理解；它在整個大學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程體系中起著承上啟下的作用，對學(xué)生動手能力、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、科學(xué)思維和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)等起著不可代替的作用［2-4］。

隨著國家“雙一流”和“雙萬計(jì)劃”的啟動以及新工科背景下［5］，對本科教學(xué)提出了更高的要求。除引入各類學(xué)科競賽和自主創(chuàng)新實(shí)踐等課外活動以外，從基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中發(fā)掘和探索學(xué)生自主能力和創(chuàng)新精神培養(yǎng)的方式則更為高效和便捷，也符合本科教學(xué)指導(dǎo)原則“加強(qiáng)基礎(chǔ)，促進(jìn)交叉，尊重選擇，卓越教學(xué)”［6］。為了讓學(xué)生養(yǎng)成主動觀察與思考，獨(dú)立分析問題和解決問題的能力，結(jié)合國外高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)的方式［7］，本文以物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的氨基甲酸銨分解平衡常數(shù)測定實(shí)驗(yàn)為例，采用“試錯法”教學(xué)方式，做一些嘗試和探索，以期逐步培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新綜合素質(zhì)和自主學(xué)習(xí)能力。

1 物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)課的傳統(tǒng)教學(xué)方式

傳統(tǒng)的物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師主要采取“填鴨式”教學(xué)模式，學(xué)生主要采取驗(yàn)證型學(xué)習(xí)模式，教師“手把手”講解演示實(shí)驗(yàn)操作流程，學(xué)生“按方抓藥”、機(jī)械重復(fù)實(shí)驗(yàn)步驟［8］，這樣，學(xué)生可以快速高效地完成實(shí)驗(yàn)過程，達(dá)到該實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)。具體就氨基甲酸銨分解平衡常數(shù)測定這一實(shí)驗(yàn)的教學(xué)來說，一般包含課前預(yù)習(xí)、課堂講解、操作演示、實(shí)驗(yàn)過程、數(shù)據(jù)記錄、課后完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告和網(wǎng)上思考題等環(huán)節(jié)。

氨基甲酸銨分解平衡常數(shù)測定實(shí)驗(yàn)是一個經(jīng)典的化學(xué)平衡實(shí)驗(yàn)［9-10］。學(xué)生在預(yù)習(xí)過程中需要了解實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)儀器和實(shí)驗(yàn)步驟等，在傳統(tǒng)教學(xué)模式中，大多數(shù)學(xué)生會可能無法真正理解實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的原理，而僅是模仿老師的實(shí)驗(yàn)流程完成實(shí)驗(yàn)步驟，當(dāng)遇到問題時就無法進(jìn)行有效地自主解決，也難以達(dá)到預(yù)期的教學(xué)目標(biāo)［11］。

2 “試錯法”教學(xué)方式

“試錯法”的根本原則是學(xué)生作為實(shí)驗(yàn)的主導(dǎo)［12］，學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理去自行設(shè)計(jì)、自行嘗試、自行分析，從而，提高學(xué)生的自主動手和自主思考能力。具體就氨基甲酸銨分解平衡常數(shù)測定這一實(shí)驗(yàn)的教學(xué)來說，一般過程為課前預(yù)習(xí)、課堂儀器展示、試錯式實(shí)驗(yàn)過程、錯誤分析（尋求幫助）、獲取正確路線、獲取數(shù)據(jù)記錄、實(shí)驗(yàn)改進(jìn)建議、課后完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告和網(wǎng)上思考題等環(huán)節(jié)。每次的實(shí)驗(yàn)步驟不同，可能導(dǎo)致的實(shí)驗(yàn)結(jié)果有差異，或許會一次次地碰壁，遇到困難，這樣學(xué)生就會有效提問，教師也可以有的放矢地指導(dǎo)；也提升了學(xué)生的預(yù)習(xí)效果，使學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ玫脚囵B(yǎng)、提升，加深對實(shí)驗(yàn)背后的知識、實(shí)驗(yàn)原理理解與把握，了解實(shí)驗(yàn)裝置儀器設(shè)計(jì)的原理。最后，在試錯—分析—糾錯的過程中，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)與理論教學(xué)內(nèi)容的融合，提煉出實(shí)驗(yàn)中的知識脈絡(luò)［13］，不僅有助于實(shí)驗(yàn)的理解，更有利于理論知識的具體化，理論與實(shí)驗(yàn)相輔相成［14］，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識，提高學(xué)生的問題分析與解決能力。

3 兩種教學(xué)方式效果對比

表1 所示為傳統(tǒng)教學(xué)與試錯法在氨基甲酸銨分解平衡常數(shù)測定實(shí)驗(yàn)教學(xué)中學(xué)生的易錯點(diǎn)比較。

表1 傳統(tǒng)教學(xué)與“試錯法”教學(xué)中學(xué)生的易錯點(diǎn)比較

由表1 可見，兩種教學(xué)方式所導(dǎo)致學(xué)生的易錯點(diǎn)發(fā)生了變化，傳統(tǒng)教學(xué)班中，系統(tǒng)檢漏和壓差計(jì)置零這兩種錯誤幾乎沒有，而旋塞的使用錯誤卻相當(dāng)高，這是由于教師講解演示時，首先進(jìn)行的是檢漏和置零，這兩個步驟非常簡單，而且是所有實(shí)驗(yàn)步驟的最前面，學(xué)生模仿實(shí)驗(yàn)時不易忘記。當(dāng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行至后面的旋塞調(diào)節(jié)步驟時，由于旋塞數(shù)量多，且一會兒需要打開，一會兒需要關(guān)閉，如果學(xué)生不能很好地理解實(shí)驗(yàn)過程中旋塞開關(guān)的用途，那么他們就很容易搞亂和混淆，因此，會出現(xiàn)較高的錯誤率。與此不同的是，“試錯法”教學(xué)班中，系統(tǒng)檢漏和壓差計(jì)置零這步操作忘記的同學(xué)顯著高于傳統(tǒng)教學(xué)班，這是由于這兩步操作與后面的反應(yīng)和壓力測試關(guān)聯(lián)性不強(qiáng)，學(xué)生容易將注意點(diǎn)放在旋塞調(diào)節(jié)步驟中，這也直接導(dǎo)致“試錯法”教學(xué)班中返工次數(shù)較多（見表2）。盡管如此，在后續(xù)的關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)步驟中“試錯法”教學(xué)班同學(xué)的出錯率顯著低于傳統(tǒng)教學(xué)班的同學(xué)。因此，實(shí)驗(yàn)原理的理解和實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)對于實(shí)驗(yàn)的成功與否至關(guān)重要。

由表2 可見，傳統(tǒng)教學(xué)和“試錯法”教學(xué)方式雖然在教師講解演示的時間上存在明顯差異，前者學(xué)生的返工次數(shù)略少于后者，但在學(xué)生總體的實(shí)驗(yàn)時長上卻沒有顯著差異，說明教師演示的作用不明顯，這可能是由于實(shí)驗(yàn)的操作步驟比較復(fù)雜，細(xì)節(jié)較多，學(xué)生難以通過老師的一遍演示就迅速掌握實(shí)驗(yàn)流程，另一方面，如果沒有很好地理解實(shí)驗(yàn)原理，也難以融會貫通，遇到情況無法靈活應(yīng)變。對于“試錯法”教學(xué)班來說，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)時長和結(jié)果準(zhǔn)確度區(qū)間要比傳統(tǒng)教學(xué)班的分布寬，這是由于學(xué)生對實(shí)驗(yàn)的理解能力的差異造成的，這提醒教師對于“試錯法”教學(xué)不能一概而論，而是要進(jìn)行差異化教學(xué)，采取多層次針對性教學(xué)方式［15］。對于自學(xué)能力和動手能力較強(qiáng)的同學(xué)，可以放手讓他們自己主動嘗試，讓他們?nèi)ピO(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)和裝置；而對有一些理解力較弱或工科思維欠缺的學(xué)生，更適于采用先講解再試錯的方法；還有一大部分學(xué)生則可以讓他們嘗試“講解—理解—動手嘗試—再理解—再講解”的方法。

表2 傳統(tǒng)教學(xué)與“試錯法”教學(xué)的教學(xué)效果比較

兩種教學(xué)方式中差異最大的是學(xué)生對預(yù)習(xí)作用的評價(jià)，傳統(tǒng)教學(xué)班學(xué)生大多數(shù)人認(rèn)為預(yù)習(xí)就是簡單完成要求的幾項(xiàng)任務(wù)，其他的上課老師會講，不必理解，因此，只要上課聽老師講解演示就能很好地完成實(shí)驗(yàn)。而對“試錯法”教學(xué)班來說，上課時，老師提出實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵?，并展示一下儀器裝置，其他的不再講解。如果預(yù)習(xí)時沒有很好地理解和查閱相關(guān)的資料及儀器使用說明，開始實(shí)驗(yàn)時就會腦子里一片空白，完全不知從何做起，甚至有些學(xué)生要重新做預(yù)習(xí)的工作。因此，“試錯法”教學(xué)班學(xué)生的差異顯著。另外，“試錯法”教學(xué)班大部分學(xué)生認(rèn)為預(yù)習(xí)幫助很大，對少部分認(rèn)為預(yù)習(xí)幫助不大的同學(xué)進(jìn)行調(diào)研發(fā)現(xiàn)，他們認(rèn)為預(yù)習(xí)幫助不大的原因主要有3 個：①原理圖和實(shí)際裝置之間的差異，②實(shí)驗(yàn)步驟不夠簡單明了，③沒有多媒體預(yù)習(xí)資料或?qū)嶒?yàn)演示。2020 年初的新冠肺炎疫情期間實(shí)施的遠(yuǎn)程教學(xué)提出了制作實(shí)驗(yàn)多媒體資料的要求，這也是實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革中迫切需要加強(qiáng)的?？上驳氖?，我校在這方面的工作已經(jīng)熱火朝天地開展起來，大家充分利用新冠疫情期間網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的經(jīng)驗(yàn)，將物理化學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的原理、儀器講解等多媒體化，用于學(xué)生的預(yù)習(xí)，這將大大提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)效果。

4 “試錯法”教學(xué)效果提升

兩種教學(xué)方式班級學(xué)生自評對實(shí)驗(yàn)理解度差異并不大，但是，傳統(tǒng)教學(xué)班中教師是主體，主導(dǎo)學(xué)生實(shí)驗(yàn)；而“試錯法”教學(xué)班則是學(xué)生為主導(dǎo)，學(xué)生自主探索實(shí)驗(yàn)。在一個實(shí)驗(yàn)中可能很難以區(qū)分兩種教學(xué)方式的差異，但“試錯法”教學(xué)顯然更有利于學(xué)生的自主能力、動手能力及創(chuàng)新能力的培養(yǎng)［16］，該教學(xué)班的學(xué)生會提出更有深度的問題，能更生動清晰地講解實(shí)驗(yàn)，并給出實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的建議。

（1）問題導(dǎo)向的探索，提升學(xué)生思考的積極性。提出如下問題：為什么不能用圖1（a）所示的初始裝置直接測試氨基甲酸銨分解生成氣體的壓力？為什么要用U 型管？為什么用雙旋塞（2、3）（4、5）分別控制毛細(xì)管E、F？為什么有的人轉(zhuǎn)動旋塞的次數(shù)少，有的人需要多次轉(zhuǎn)動？為什么會存在誤差？誤差的主要來源是什么？平衡常數(shù)跟什么有關(guān)系？氨基甲酸銨固體量多少會影響平衡嗎？會影響測得的分壓和平衡常數(shù)嗎？樣品瓶大小、管路粗細(xì)長短會影響平衡嗎？會影響測得的分壓和平衡常數(shù)嗎？化學(xué)平衡實(shí)驗(yàn)與化學(xué)動力學(xué)實(shí)驗(yàn)有什么不同？

圖1 氨基甲酸銨分解平衡常數(shù)測定實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)圖

（2）生動清晰地講解與實(shí)踐，激發(fā)學(xué)生發(fā)散思維和邏輯思維能力。首先是實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)設(shè)定，通過一步步的設(shè)問，學(xué)生之間相互激發(fā)，尋求實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)達(dá)成的可能路徑，嘗試一步步地回答并解決問題，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)的達(dá)成。在此過程中嘗試提煉問題的精髓，并利用動畫示意圖簡潔明了的表達(dá)（見圖2）。通過這種簡潔明了的示意圖，學(xué)生自己就可以將這個實(shí)驗(yàn)原理和方法理解并講清楚，實(shí)現(xiàn)了教師引導(dǎo)的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)效果。

圖2 化學(xué)平衡與壓力平衡的轉(zhuǎn)換示意圖

（3）構(gòu)建條理清晰的知識框架脈絡(luò)（見圖3），使學(xué)生理解理論與實(shí)踐的關(guān)聯(lián)。充分理解化學(xué)平衡的概念，在一定的條件下，系統(tǒng)中反應(yīng)物和產(chǎn)物的種類和數(shù)量宏觀上不隨時間改變；從理論上是研究平衡時溫度、壓力與系統(tǒng)組成的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)中是通過一定的儀器手段固定溫度，測定平衡時系統(tǒng)壓力的改變，即獲得溫度與壓力之間的關(guān)系；理論上可由平衡壓力計(jì)算該溫度下的標(biāo)準(zhǔn)平衡常數(shù)，從而得到溫度與平衡常數(shù)及熱力學(xué)函數(shù)之間的關(guān)系。標(biāo)準(zhǔn)平衡常數(shù)是化學(xué)平衡的重要特征，可用來判斷反應(yīng)的方向與限度，而實(shí)驗(yàn)測定是獲得平衡常數(shù)的重要方法，同時也可以由熱性質(zhì)數(shù)據(jù)計(jì)算得到。

圖3 氨基甲酸銨分解平衡常數(shù)測定實(shí)驗(yàn)的知識框架圖

5 結(jié)語

為適應(yīng)新工科發(fā)展的新需求，培養(yǎng)創(chuàng)新型復(fù)合人才，充分利用和挖掘現(xiàn)有基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的潛力，探索與嘗試新的教學(xué)模式，提高實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量。通過“試錯法”教學(xué)，啟發(fā)學(xué)生思考，使學(xué)生能從解決錯誤的問題中高效學(xué)習(xí)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性，加強(qiáng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力，提升學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生的探索精神、邏輯思維和科學(xué)研究能力，逐步完成從基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)到獨(dú)立科研間的過渡，為其高階課程的學(xué)習(xí)和科研工作的開展奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

·名人名言·

偉大人物最明顯的標(biāo)志，就是他堅(jiān)強(qiáng)的意志。

——愛迪生