基于熱分析創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)大學(xué)生科學(xué)思維能力

陳桂煥 隋坤艷 袁華 彭喬虹

摘要當(dāng)今國(guó)際間競(jìng)爭(zhēng)相當(dāng)于科學(xué)技術(shù)、創(chuàng)新人才和國(guó)民科學(xué)素質(zhì)的競(jìng)爭(zhēng)。提高大學(xué)生科學(xué)思維能力，是提高我國(guó)公眾科學(xué)素質(zhì)的整體水平的關(guān)鍵，直接影響到我國(guó)未來(lái)的科技發(fā)展水平和實(shí)力。為了加強(qiáng)科學(xué)思維能力的培養(yǎng)，本文以大學(xué)熱分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)為例，通過(guò)提出問(wèn)題、引導(dǎo)學(xué)生尋求解決方案并自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)條件自由探索科學(xué)問(wèn)題，經(jīng)過(guò)獨(dú)立思考和集體討論得出相關(guān)結(jié)論，在此過(guò)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(jì) 自由探索

中圖分類號(hào)：G642文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(huì)進(jìn)步的推動(dòng)力。當(dāng)今國(guó)際間競(jìng)爭(zhēng)相當(dāng)于科學(xué)技術(shù)、創(chuàng)新人才和國(guó)民科學(xué)素質(zhì)的競(jìng)爭(zhēng)。[1]規(guī)律是自然科學(xué)的核心，培根在《學(xué)習(xí)的進(jìn)步》一書(shū)中強(qiáng)調(diào)，科學(xué)規(guī)律不能只是單純的從自然界收集而來(lái)，而要通過(guò)試驗(yàn)方法進(jìn)行歸納總結(jié)。[2]而對(duì)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(rèn)識(shí)活動(dòng)中形成的、對(duì)科學(xué)認(rèn)知行為具有指導(dǎo)作用、對(duì)所面對(duì)問(wèn)題具有科學(xué)認(rèn)識(shí)并提取有效信息的理論體系。思維模式對(duì)科學(xué)認(rèn)知行為的影響作用，主要表現(xiàn)在對(duì)于有效信息的提取及解決問(wèn)題的方式都更加科學(xué)、有效。大學(xué)教育是國(guó)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(shí)，運(yùn)用專業(yè)知識(shí)，推動(dòng)科技進(jìn)步的主力軍，提高大學(xué)生科學(xué)思維能力，是提高我國(guó)公眾科學(xué)素質(zhì)的整體水平的關(guān)鍵，直接影響到我國(guó)未來(lái)的科技發(fā)展水平和實(shí)力。[3]

目前大學(xué)教育，在一定程度上仍過(guò)于注重對(duì)理論知識(shí)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(ài)因斯坦曾經(jīng)對(duì)大學(xué)教育表達(dá)過(guò)自己的觀點(diǎn)，他認(rèn)為學(xué)校最重要的任務(wù)應(yīng)該是對(duì)學(xué)生獨(dú)立思考和獨(dú)立判斷能力的培養(yǎng)，而不單純是專業(yè)知識(shí)的傳授。大學(xué)教育應(yīng)該對(duì)學(xué)生進(jìn)行知識(shí)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(shí)的傳授并立德樹(shù)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(wèn)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(jìn)而影響解決實(shí)際問(wèn)題的能力。[4]科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與社會(huì)的進(jìn)步對(duì)大學(xué)生的創(chuàng)新精神及解決問(wèn)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(shí)驗(yàn)教學(xué)是與理論知識(shí)相聯(lián)系的實(shí)踐性課程，是培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力與創(chuàng)新精神的重要途徑。相較于理論課，實(shí)驗(yàn)教學(xué)更容易開(kāi)展科學(xué)思維、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。教學(xué)過(guò)程中要把實(shí)驗(yàn)教學(xué)與科學(xué)思維能力培養(yǎng)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，在教學(xué)方式方法上進(jìn)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(shí)驗(yàn)為例，傳統(tǒng)的熱分析實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蛯?shí)驗(yàn)內(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(guò)程，沒(méi)有與理論知識(shí)的緊密結(jié)合，學(xué)生的獨(dú)立思考、創(chuàng)新能力在單純的模仿操作過(guò)程中沒(méi)有得到有效鍛煉。在這次實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，一改傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)生按照老師設(shè)計(jì)好的實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的教學(xué)方式。在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)之前，老師提出跟實(shí)驗(yàn)相關(guān)的科學(xué)問(wèn)題。學(xué)生在高分子化學(xué)和高分子物理理論知識(shí)的基礎(chǔ)上，通過(guò)自主翻閱文獻(xiàn)資料，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)條件，通過(guò)實(shí)驗(yàn)自由探索相關(guān)科學(xué)問(wèn)題并得出相關(guān)結(jié)論。使實(shí)驗(yàn)教學(xué)與理論課緊密聯(lián)系起來(lái)，能夠使學(xué)生進(jìn)一步理解相關(guān)理論知識(shí)點(diǎn)，根據(jù)老師的問(wèn)題提示發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、結(jié)合理論知識(shí)分析問(wèn)題、通過(guò)獨(dú)立思考與團(tuán)隊(duì)協(xié)作解決問(wèn)題，在此過(guò)程中培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜問(wèn)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(jìn)大學(xué)生的團(tuán)隊(duì)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(shí)驗(yàn)為差熱分析法測(cè)聚合物PET（聚對(duì)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(cè)量與熱量相關(guān)的物理化學(xué)變化。學(xué)生通過(guò)專業(yè)課程相關(guān)知識(shí)的學(xué)習(xí)，應(yīng)該對(duì)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(duì)聚合物的未結(jié)晶部分而言的，所以測(cè)試樣品的結(jié)晶度、熱歷史效應(yīng)對(duì)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(shí)驗(yàn)著重探索不同的測(cè)試條件對(duì)PET的差熱分析結(jié)果的影響，結(jié)合相關(guān)理論知識(shí)和對(duì)差熱分析儀基本原理的理解，學(xué)生通過(guò)自主學(xué)習(xí)，自由討論，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)如下：

1樣品質(zhì)量對(duì)差熱分析數(shù)據(jù)的影響

設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)條件：分別取樣品質(zhì)量為4mg、10mg、17mg、26mg樣品，在保證其他實(shí)驗(yàn)條件一致的情況下分別測(cè)試其50-300℃的熱轉(zhuǎn)變行為。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1。

由圖1可知，試樣量為4mg時(shí)，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(shí)可以看到峰頂溫度向高溫移動(dòng)，即出現(xiàn)溫度滯后現(xiàn)象，并隨著質(zhì)量的增加移動(dòng)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(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象，經(jīng)過(guò)學(xué)生獨(dú)立思考和集體討論，學(xué)生得到如下結(jié)論：在加熱過(guò)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(zhǎng)，溫度梯度也越大，導(dǎo)致峰的寬度增加，進(jìn)而推測(cè)可以通過(guò)減小試樣顆粒改善導(dǎo)熱條件。

2升溫速率對(duì)差熱分析數(shù)據(jù)的影響

設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2：

由圖2可知，升溫速率為5℃/分鐘時(shí)，差熱峰信號(hào)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(guò)高時(shí)，會(huì)導(dǎo)致分辨率下降。同時(shí)觀察到，升溫速率造成的溫度滯后對(duì)玻璃化轉(zhuǎn)變和結(jié)晶峰的影響較大，而對(duì)熔融峰的影響較小。

3熱歷史對(duì)差熱分析數(shù)據(jù)的影響

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：取去兩個(gè)8mg樣品，第一個(gè)樣品沒(méi)有經(jīng)過(guò)退火處理；第二個(gè)樣品首先在136℃保溫30分鐘，待樣品溫度降到室溫后進(jìn)行二次升溫，再次升溫時(shí)與第一個(gè)樣品升溫速率相同。實(shí)驗(yàn)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(kāi)始出現(xiàn)熔融峰。上面的曲線是經(jīng)過(guò)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(hào)很微弱，升溫過(guò)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(shí)思考出現(xiàn)這種差別的原因。經(jīng)過(guò)獨(dú)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(jìn)行退火，會(huì)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(shí)，由于聚合物結(jié)晶度較高，非晶區(qū)鏈斷的運(yùn)動(dòng)就會(huì)受到限制，使玻璃化轉(zhuǎn)變信號(hào)變得非常微弱，由于結(jié)晶比較充分，再次升溫過(guò)程中也不會(huì)出現(xiàn)再結(jié)晶峰。

科學(xué)思維主要包括發(fā)散思維、問(wèn)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(shí)驗(yàn)教學(xué)中引導(dǎo)學(xué)生把差熱分析測(cè)試結(jié)果的影響因素分解成三個(gè)需要探索的問(wèn)題，根據(jù)科學(xué)問(wèn)題自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)條件，進(jìn)行問(wèn)題探索，培養(yǎng)了學(xué)生的問(wèn)題思維和分解思維。在探索樣品量因素的影響時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)散思維，思考在高聚物的熱分析實(shí)驗(yàn)中所用樣品量多少的優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)其他樣品的測(cè)試有何啟發(fā)？經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)分析、獨(dú)立思考和集體討論，學(xué)生給出討論結(jié)果：樣品量較少時(shí)，可得到較高的分辨率，從定性角度來(lái)說(shuō)能得到較好的效果，同時(shí)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(lái)獲得較高的轉(zhuǎn)變能量；但試樣用量較小帶來(lái)的缺點(diǎn)是靈敏度會(huì)降低，以至于影響微弱信號(hào)的測(cè)試。試樣量大的優(yōu)點(diǎn)是可以檢測(cè)到微弱的熱轉(zhuǎn)變信號(hào)，定量結(jié)果較為精確，如果需要其他方法進(jìn)行配合分析，則需要用較多的樣品進(jìn)行測(cè)試，以獲得足夠的配合檢測(cè)產(chǎn)物；但樣品量大的缺點(diǎn)是溫度滯后現(xiàn)象嚴(yán)重。在這個(gè)問(wèn)題分析和討論過(guò)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(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整合分析過(guò)程中，學(xué)生發(fā)現(xiàn)：檢測(cè)樣品用量的增加對(duì)分辨率影響較小而對(duì)靈敏度影響較大，而升溫速率無(wú)論是對(duì)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(gè)因素來(lái)達(dá)到最佳的測(cè)試效果？學(xué)生通過(guò)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(guò)適當(dāng)?shù)脑黾訙y(cè)試樣品量來(lái)提高測(cè)試靈敏度。在這個(gè)過(guò)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(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程實(shí)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(gè)因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響時(shí)，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(shí)驗(yàn)中，學(xué)生不僅能夠掌握最基本的實(shí)驗(yàn)操作技能，了解儀器工作原理，通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果綜合分析，對(duì)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(rèn)識(shí)。通過(guò)提出科學(xué)問(wèn)題-尋求解決方案-實(shí)驗(yàn)條件設(shè)計(jì)-獨(dú)立思考-集體討論得出相關(guān)結(jié)論的實(shí)驗(yàn)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(yǔ)

為了滿足社會(huì)發(fā)展對(duì)科技人才的需求，提高我國(guó)在國(guó)際大環(huán)境中的競(jìng)爭(zhēng)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(shí)驗(yàn)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(guò)問(wèn)題引導(dǎo)-自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)條件-獨(dú)立思考-綜合分析過(guò)程，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力。并對(duì)教學(xué)方法和手段進(jìn)行持續(xù)創(chuàng)新和改革，努力培養(yǎng)具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的科技人才。

*通訊作者：隋坤艷

基金項(xiàng)目：青島大學(xué)2020年創(chuàng)新型教學(xué)實(shí)驗(yàn)室研究重點(diǎn)項(xiàng)目“金課背景下‘海洋生物質(zhì)纖維成型’實(shí)驗(yàn)線上線下教學(xué)模式構(gòu)建”（編號(hào)：CXSYZD202005），青島大學(xué)2020年創(chuàng)新型教學(xué)實(shí)驗(yàn)室研究一般項(xiàng)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(hào)：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(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)”（編號(hào)：CXSYYB202018），“結(jié)合色那蒙法和貝瑞克法研究纖維取向度”（編號(hào)：CXSYYB202019），“多功能氮化硼材料的制備及應(yīng)用”（編號(hào)：CXSYYB202017）

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