基于“燃燒熱測定”實驗 談物化實驗教學改革

趙樸素 宋潔 劉炳華

摘要：以“燃燒熱測定”實驗為例，教會學生將理論知識與實驗內容相結合，訓練學生用計算機技術處理實驗數據，培養學生實事求是的科學精神，強化學生環保意識，提升學生創新及團結協作精神。

關鍵詞：燃燒熱測定；物理化學實驗；教學改革

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）51-0252-02

化學家戴安邦教授曾指出“全面的化學教育要求化學教學既傳授化學知識和技術，更訓練科學方法和思維，還培養科學精神和品德”[1]。根據戴先生的觀點，結合當前物化實驗教學改革現狀，加強對學生素質的培養仍然是一個重要課題。在普通高校，物化及實驗課程均在大學二年級開設，但是有許多大二學生對于大學的學習方法仍然沒有完全掌握。物化實驗中，他們只是機械地完成書上的步驟操作和數據處理，不能體會物化理論知識對于實驗的指導作用，更不知道自己做的實驗步驟設計有何依據和作用，以至于做實驗時，一旦有一個步驟稍與書上不同，就會將之前的數據廢掉，重新開始。至于在實驗中培養創新意識，對現有實驗內容和方法進行改進，將所學的計算機知識在物化實驗中加以應用，在實驗中培養相互間的團結合作精神，諸如此類的問題學生們就更不知道從何著手了。顯然，上述狀況如不加以扭轉，學生能力和素質的提高就成為一紙空談。而要改變這種狀況，僅靠學生自身的努力，是難以在短期內達到目的的，為此，實驗教師必須付出努力，多學習，多實踐。本文即以基礎實驗“燃燒熱測定”為例，談談筆者在教學過程中所做的一些努力。

一、實驗預習內容具體化——知識和技能傳授方法的改進

學生們做實驗前都會進行預習，但是他們的預習就是將書上的實驗目的、原理和步驟簡單抄一下，很少動腦筋思考三者之間的聯系。雖然老師上課時也會對有關問題加以講解，但是這樣的方式對學生學習能力的培養所起的作用并不明顯。為此，我們將實驗預習內容具體化，提出具體問題，事先交給學生，讓他們思考，并將答案寫在預習報告本上。例如，根據我們所用的教材[2]，對于“燃燒熱測定”實驗，部分預習的題目為：（1）結合氧彈量熱計的構造和使用方法，思考本實驗中，系統和環境分別是什么？二者間是否存在熱交換？如有熱交換，實驗結果會受什么影響？（2）氧彈量熱計得到的熱效應是何種熱效應？它和反應熱有何關系？（3）實驗中，苯甲酸有何作用？（4）待燃燒的樣品為何要壓成片狀？壓片應該松或緊？（5）點火絲長度是否越長越好？安裝點火絲時應注意什么？（6）反應熱測定對于溫度有何要求？本實驗中如何實現反應前后溫度一致？（7）為什么要進行溫度校正？如何校正？（8）本實驗需要記錄的數據有哪些？為什么？為了答對問題，學生們需要認真閱讀實驗教材，復習理論課上講過的理論知識。通過回答這些問題，一方面學生們學會了如何預習實驗，對將要做的“燃燒熱測定”實驗有了深入的理解，能夠充分了解實驗中關鍵步驟所在和注意事項，有利于實驗的成功實施；另一方面，這樣的訓練讓學生們認識到如何將理論與實驗相結合，從而對理論知識的學習產生興趣。

二、實驗內容和數據處理方法的改進——科學方法和思維的訓練

在實驗教學中加強對學生科學方法和思維的訓練，一直是大學化學實驗教學中值得關注的課題。為此，我們采取以下兩個做法。

1.總結“燃燒熱測定”實驗方法，要學生學會“舉一反三”。通過預習并結合課本上的實驗步驟，學生們基本上都能很好地完成萘燃燒熱的測定工作，在此基礎上，老師要求同學們思考這個實驗方法在現實中的作用，將這一實驗方法“舉一反三”。因為以前的實驗教學中，對學生沒有這樣的要求，所以，此工作開始實施時，許多同學不知道如何思考。這時，我們首先準備了“蔗糖”，要求學生設計實驗步驟，測定“蔗糖”的燃燒熱。有了具體的“蔗糖”為參考，學生們都能很快地設計出相應的實驗方案。接著，我們又要求學生們測定“活性炭”和“家用煤球”的燃燒熱。因為“活性炭”是干燥的粉狀物，不容易壓成片狀，而“家用煤球”中，除了可燃燒的碳，還有不可燃燒的泥土和水分，顯然，對這兩個物質燃燒熱的測定，要考慮的內容增加了。例如，為了將“活性炭”壓成片狀易于點燃，必須在“活性炭”中加點水，待將加水后的“活性炭”壓成片狀后，再于120oC烘干，最后，進行“活性炭”燃燒熱測定。至于加水量多少和烘干的時間長短，學生們也想出相應的辦法進行實驗設定。有了測定“活性炭”燃燒熱的訓練，對于“家用煤球”燃燒熱的測定，學生們在考慮實驗操作可行性的同時，進一步考慮如何將泥土的量除去以后計算燃燒熱，以及燃燒熱數據的表示方法等。當設計好實驗步驟后，許多學生都在實驗室開放時間到實驗室親自動手操作實驗，完成實驗后的喜悅掛在學生們臉上，他們的實驗能力得到了顯著提高。另外，為了訓練學生們的科學方法和思維，針對實驗課內容，我們還注意培養學生們查閱文獻的能力。針對“燃燒熱測定”實驗內容的改進，我們推薦學生參閱相關的參考文獻[3-5]，幫助他們學會思考，做到舉一反三、觸類旁通。

2.根據“燃燒熱測定”實驗結果，教會學生科學地處理數據。“燃燒熱測定”實驗中，學生記錄和處理的數據之一是反應物在燃燒過程使體系升高的溫度，溫差測量使用數字型電子貝克曼溫差溫度計，溫差為四位有效數字。為了準確判斷燃燒前后體系的溫差，在處理實驗結果時，需要用“雷諾校正”作圖的方法獲得實際的反應溫差，因此，如何將實驗溫差的準確度在作圖處理數據時得以保持就成了重要環節，也就是說，如何將測量數據的準確數字和最后一位不準確數字，都在坐標上表示出來[6]。這一環節，同學們經常考慮不周，從而大大降低了實驗結果的準確度和可信度，因此，教師必須教會學生在作圖時科學準確地設定坐標分度。例如，如何在直角坐標紙上準確表示3.426這個溫差數字等。我們還鼓勵學生使用Origin軟件進行數據的處理。在“燃燒熱測定”實驗中，結合文獻方法[7]，要求每組兩個學生分別負責“燃燒苯甲酸”和“燃燒萘”的數據處理，每組做兩幅圖，一個是手工繪制，一個是用軟件繪制，然后對比作圖過程中可能帶來的誤差。顯然，對于同一組數據，手工作圖時，不同的學生得到的結果可能不同，即使是同一個學生畫兩次，其結果也不會完全一致，而Origin軟件的使用則克服了上述缺陷，實驗數據處理更準確，可以很快地對實驗數據進行結果分析和討論，提高了效率。

三、堅持實事求是，加強合作和環保意識——科學精神和品德的培養

在“燃燒熱測定”實驗中，我們采取以下做法對學生進行科學精神和品德的培養。

1.堅持實事求是，如實記錄和處理實驗數據。實驗過程中，要求學生如實地記錄樣品質量及反應前后體系的溫度，數據要給老師簽字。在做實驗報告時，學生不能隨意地修改原始數據。比較燃燒熱的實測值與理論值后，必須對實驗結果進行分析和討論。這樣，促使學生認真操作、細致記錄并深入分析實驗結果，強化了學生對科學嚴謹性的認知。

2.發揚合作精神，分工完成實驗操作。由于設備條件的限制，“燃燒熱測定”實驗是兩個學生一組，共同完成實驗，我們給學生提出的要求是：兩人分工要明確，一人負責稱量、壓片，一個負責安裝氧彈。另外，兩人分別負責標準物苯甲酸和待測物萘燃燒時的相關實驗操作及數據記錄。兩個同學必須同心協力，才能獲得滿意的實驗數據，實驗數據處理時，為了保證實驗結果的一致性，兩個學生還必須進一步協同合作。老師在批改實驗報告時，也充分考慮兩個學生合作的情況，給予成績。整個過程的實施，讓學生體會到合作的意義，認識到團結協作在科學研究中的重要性。

3.加強環保意識，積極改進實驗。傳統的“燃燒熱測定”是測定萘的燃燒熱，在萘被燃燒前，要對其粗稱、壓片、精稱，整個操作過程中，萘都被暴露在空氣里，而萘易揮發，很容易擴散到大氣中，既污染實驗室環境，又危害學生健康。為了消除污染隱患，結合“綠色化學”[8]這個新興理念，提示學生將“燃燒熱測定”實驗進行“綠色化”實驗方法改革。如前文所述，我們提供“蔗糖”給學生們，用“蔗糖”取代“萘”進行實驗，由于“蔗糖”是生活中常見的食品，完全符合“綠色化學”的理念，既不再使用有毒、有害的物質，也不再產生廢物，把污染治理轉變為污染預防[3]。這樣的實驗改進，將環保的種子植于學生心中，有利于加強學生的環保意識。

總之，在“燃燒熱測定”實驗中，從預習、操作、數據記錄和處理以及實驗內容的改進等方面，我們有針對性地采取了一系列的改革措施，這些措施注重學思結合，營造了獨立思考、自由探索、勇于創新的良好環境，有助于學生又好又快地掌握化學知識和技術，達到了訓練學生科學思維及培養學生科學精神和品質的目的。

參考文獻：

[1]戴安邦.全面的化學教育和實驗室教學[J].大學化學，1989，4（1）：1.

[2]上官榮昌，皮光純，李康，等.物理化學實驗[M].第二版.北京：高等教育出版社，2003.

[3]黃致臻，楊喜平，安明月，等.大學物理化學實驗的綠色化改進[J].廣州化工，2013，41（5）：193.

[4]陳永寶，訾學紅，劉淑珍.物理化學實驗教學的創新研究[J].大學化學，2013，28（6）：17.

[5]過家好，陳俊明.物理化學實驗的綠色化改革與實踐[J].廣東化工，2010，37（12）：165.

[6]任聚杰，郭子成.談物理化學實驗的有效數字問題[J].實驗室科學，2013，16（1）：196.

[7]樊玲，尚貞鋒，武麗艷.Origin軟件在物理化學實驗中的應用[J].大學化學，2011，26（2）：41.

[8]Wardencki，W.，Curylo，J.，Namiesnik，J. Green Chemistry-Current and Future Issues. Department of Analytical Chemistry，Chemical Faculty，Gdansk University of Technology Narutowicza，2005：389.