基于热分析创新实验培养大学生科学思维能力

陈桂焕 隋坤艳 袁华 彭乔虹

摘要当今国际间竞争相当于科学技术、创新人才和国民科学素质的竞争。提高大学生科学思维能力，是提高我国公众科学素质的整体水平的关键，直接影响到我国未来的科技发展水平和实力。为了加强科学思维能力的培养，本文以大学热分析实验教学为例，通过提出问题、引导学生寻求解决方案并自主设计实验条件自由探索科学问题，经过独立思考和集体讨论得出相关结论，在此过程中培养学生的科学思维能力。

关键词 科学思维 自主设计 自由探索

中图分类号：G642文献标识码：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

科学技术的发展是社会进步的推动力。当今国际间竞争相当于科学技术、创新人才和国民科学素质的竞争。[1]规律是自然科学的核心，培根在《学习的进步》一书中强调，科学规律不能只是单纯的从自然界收集而来，而要通过试验方法进行归纳总结。[2]而对科学规律的归纳总结需要科学思维能力。科学思维是在科学认识活动中形成的、对科学认知行为具有指导作用、对所面对问题具有科学认识并提取有效信息的理论体系。思维模式对科学认知行为的影响作用，主要表现在对于有效信息的提取及解决问题的方式都更加科学、有效。大学教育是国家培养高科技人才的主要方式，大学生是获取专业知识，运用专业知识，推动科技进步的主力军，提高大学生科学思维能力，是提高我国公众科学素质的整体水平的关键，直接影响到我国未来的科技发展水平和实力。[3]

目前大学教育，在一定程度上仍过于注重对理论知识的积累，学生科学思维能力的培养受到忽视，人才培养的质量在一定程度上受到制约。著名科学家爱因斯坦曾经对大学教育表达过自己的观点，他认为学校最重要的任务应该是对学生独立思考和獨立判断能力的培养，而不单纯是专业知识的传授。大学教育应该对学生进行知识传授与能力培养的全面教育，既要注重专业科学知识的传授并立德树人，也要注重科学思维能力的培养。大学生的生理、心理、处理问题的能力、方式等都处于不成熟阶段，科学思维能力的欠缺，将直接影响学生创新能力与创新精神，进而影响解决实际问题的能力。[4]科学技术的发展与社会的进步对大学生的创新精神及解决问题的能力提出了更高的要求，大学生科学思维能力的培养迫切需要被融入大学教育体系。

实验教学是与理论知识相联系的实践性课程，是培养学生动手能力与创新精神的重要途径。相较于理论课，实验教学更容易开展科学思维、创新能力的培养。教学过程中要把实验教学与科学思维能力培养进行有机结合，在教学方式方法上进行创新，注重科学思维能力的培养。以高聚物的热分析实验为例，传统的热分析实验目的和实验内容都较单一。更注重让学生了解差热分析仪器的原理和操作过程，没有与理论知识的紧密结合，学生的独立思考、创新能力在单纯的模仿操作过程中没有得到有效锻炼。在这次实验教学中，一改传统实验教学中，学生按照老师设计好的实验条件进行实验的教学方式。在进行实验之前，老师提出跟实验相关的科学问题。学生在高分子化学和高分子物理理论知识的基础上，通过自主翻阅文献资料，设计实验条件，通过实验自由探索相关科学问题并得出相关结论。使实验教学与理论课紧密联系起来，能够使学生进一步理解相关理论知识点，根据老师的问题提示发现问题、结合理论知识分析问题、通过独立思考与团队协作解决问题，在此过程中培养学生解决复杂问题的能力和科学思维能力。另外，这种教学方法有利于促进大学生的团队协作精神，有利于发挥学生的创造性以及提高其课堂的参与度与上课积极性。

本文选取的热分析实验为差热分析法测聚合物PET（聚对苯二甲酸乙二醇脂）的热转变行为，差热分析技术可以测量与热量相关的物理化学变化。学生通过专业课程相关知识的学习，应该对PET的物理化学性能有了充分的了解，如玻璃化转变、结晶以及熔融等。玻璃化转变温度是聚合物的重要特征温度，在指导专业生产和科学研究方面都有重要作用，玻璃化转变跟热量相关的物理变化是比热容的变化，由于玻璃化转变是相对聚合物的未结晶部分而言的，所以测试样品的结晶度、热历史效应对玻璃化转变温度有重要影响。冷结晶和熔融也是高聚物重要的热转变行为，是制定加工条件的重要参考数据。本次实验着重探索不同的测试条件对PET的差热分析结果的影响，结合相关理论知识和对差热分析仪基本原理的理解，学生通过自主学习，自由讨论，设计实验如下：

1样品质量对差热分析数据的影响

设计实验条件：分别取样品质量为4mg、10mg、17mg、26mg样品，在保证其他实验条件一致的情况下分别测试其50-300℃的热转变行为。实验结果如图1。

由图1可知，试样量为4mg时，差热峰形状较平滑，灵敏度较低。随着试样质量的增加，差热峰高度逐渐增加，同时可以看到峰顶温度向高温移动，即出现温度滞后现象，并随着质量的增加移动距离更明显，但灵敏度逐渐提高。在这里引导学生思考为什么会出现这种现象，经过学生独立思考和集体讨论，学生得到如下结论：在加热过程中试样的表面和中心受热程度不一样因而存在温度梯度，试样越多传热距离越长，温度梯度也越大，导致峰的宽度增加，进而推测可以通过减小试样颗粒改善导热条件。

2升温速率对差热分析数据的影响

设计实验条件：选取质量为8mg的样品，在保证其他条件不变的条件下，升温速率分别设置为5℃/min、10℃/ min、20℃/min和40℃/min。实验结果如图2：

由图2可知，升温速率为5℃/分钟时，差热峰信号较弱，灵敏度较低。随着升温速率增大，峰高增加，结晶峰峰顶温度也相应提高，峰面积有一定程度的增大，而速率过高时，会导致分辨率下降。同时观察到，升温速率造成的温度滞后对玻璃化转变和结晶峰的影响较大，而对熔融峰的影响较小。

3热历史对差热分析数据的影响

实验设计：取去两个8mg样品，第一个样品没有经过退火处理；第二个样品首先在136℃保温30分钟，待样品温度降到室温后进行二次升温，再次升温时与第一个样品升温速率相同。实验结果如图3：

如图3所示，下面未经退火处理的PET的差热分析曲线在75℃附近发生玻璃化转变，130℃附近出现再结晶的放热峰，240℃左右开始出现熔融峰。上面的曲线是经过在结晶温度附近退火之后样品二次升温的差热分析曲线，相较于一次升温曲线，其玻璃化转变信号很微弱，升温过程中的再结晶峰消失。在这里引导学生结合理论知识思考出现这种差别的原因。经过独立思考和集体讨论，得出的结论是：在PET的结晶温度附近进行退火，会使PET未结晶部分得到充分结晶，使聚合物整体的结晶度充分提高，再次升温时，由于聚合物结晶度较高，非晶区链断的运动就会受到限制，使玻璃化转变信号变得非常微弱，由于结晶比较充分，再次升温过程中也不会出现再结晶峰。

科学思维主要包括发散思维、问题思维、分解思维、联想思维、辩证思维及组合思维等。本次实验教学中引导学生把差热分析测试结果的影响因素分解成三个需要探索的问题，根据科学问题自主设计实验条件，进行问题探索，培养了学生的问题思维和分解思维。在探索样品量因素的影响时，引导学生发散思维，思考在高聚物的热分析实验中所用样品量多少的优缺点，对其他样品的测试有何启发？经过数据分析、独立思考和集体讨论，学生给出讨论结果：样品量较少时，可得到较高的分辨率，从定性角度来说能得到较好的效果，同时样品量较少有利于与周围气氛充分接触，裂解产物更容易释放出来获得较高的转变能量；但试样用量较小带来的缺点是灵敏度会降低，以至于影响微弱信号的测试。试样量大的优点是可以检测到微弱的热转变信号，定量结果较为精确，如果需要其他方法进行配合分析，则需要用较多的样品进行测试，以获得足够的配合检测产物；但样品量大的缺点是温度滞后现象严重。在这个问题分析和讨论过程中，有意培养了学生的发散思维、联想思维及辩证思维。在对实验数据整合分析过程中，学生发现：检测样品用量的增加对分辨率影响较小而对灵敏度影响较大，而升温速率无论是对分辨率还是灵敏度影响都很大。在此引导学生思考：如何平衡这两个因素来达到最佳的测试效果？学生通过辩证思考，给出结论：为了保持较好的分辨率，可以选择较慢的升温速率，而通过适当的增加测试样品量来提高测试灵敏度。在这个过程中学生的辩证思维、组合思维能力得到了有效提升。本实验教学过程实际上已经把专业的科学研究方法引入教育内容，即在研究某个因素对实验结果的影响时，固定其他影响因素，最后综合分析，得出相关结论。在本实验中，学生不仅能夠掌握最基本的实验操作技能，了解仪器工作原理，通过实验结果综合分析，对差热分析曲线的影响因素以及PET材料性能有了更深刻的认识。通过提出科学问题-寻求解决方案-实验条件设计-独立思考-集体讨论得出相关结论的实验教学模式，提高学生的科学素养，培养学生形成良好的科学思维模式，提高科学思维能力。

4结语

为了满足社会发展对科技人才的需求，提高我国在国际大环境中的竞争力，培养大学生良好的科学思维能力应该是大学教育的重要内容之一。大学的实验教学应从传统的按部就班向注重科学思维能力培养转变，通过问题引导-自主设计实验条件-独立思考-综合分析过程，培养学生的科学思维能力。并对教学方法和手段进行持续创新和改革，努力培养具有国际竞争力的科技人才。

*通讯作者：隋坤艳

基金项目：青岛大学2020年创新型教学实验室研究重点项目“金课背景下‘海洋生物质纤维成型’实验线上线下教学模式构建”（编号：CXSYZD202005），青岛大学2020年创新型教学实验室研究一般项目“超声法制备Bi2S3基复合纳米材料及其电催化性能的研究”（编号：CXSYYB202016），“关于溶液缩聚反应合成聚酯的本科高分子创新实验开发”（编号：CXSYYB202018），“结合色那蒙法和贝瑞克法研究纤维取向度”（编号：CXSYYB202019），“多功能氮化硼材料的制备及应用”（编号：CXSYYB202017）

参考文献

[1]刘火雄.科学技术是第一生产力.党史博采，2019，（7）：4-8.

[2]盛国荣.弗兰西斯·培根的技术哲学思想探微.自然辩证法研究， 2008，24（2）：54-58.

[3]李守超.大学生创新意识与创业能力的教育实践模式研究，2020，（11）：39-41.

[4]马心英.大学生科学素质培养初探.菏泽学院学报， 2016，38 （1）： 130-133.