“試錯法”在物理化學實驗教學中的應用初探

韓 霞，鄔時清，宋江闖，趙會玲

（華東理工大學化學與分子工程學院，上海 200237）

0 引言

物理化學實驗，是物理化學理論教學的重要補充和組成部分，是四大基礎化學實驗之一。不同于無機化學、分析化學和有機化學實驗中的性質驗證實驗，物理化學實驗涉及熱力學、動力學、電化學、膠體界面化學和結構化學等相關內容，是通過實驗手段來研究物質的物理化學性質及其性能間關系的，是一門理論與實踐緊密相連的綜合性課程［1］，其教學目的在于通過實驗對化學原理的有關概念及其應用加深理解；它在整個大學化學實驗課程體系中起著承上啟下的作用，對學生動手能力、實驗設計、科學思維和創新能力的培養等起著不可代替的作用［2-4］。

隨著國家“雙一流”和“雙萬計劃”的啟動以及新工科背景下［5］，對本科教學提出了更高的要求。除引入各類學科競賽和自主創新實踐等課外活動以外，從基礎實驗教學中發掘和探索學生自主能力和創新精神培養的方式則更為高效和便捷，也符合本科教學指導原則“加強基礎，促進交叉，尊重選擇，卓越教學”［6］。為了讓學生養成主動觀察與思考，獨立分析問題和解決問題的能力，結合國外高校實驗教學的方式［7］，本文以物理化學實驗中的氨基甲酸銨分解平衡常數測定實驗為例，采用“試錯法”教學方式，做一些嘗試和探索，以期逐步培養學生的創新綜合素質和自主學習能力。

1 物理化學實驗課的傳統教學方式

傳統的物理化學實驗教學中，教師主要采取“填鴨式”教學模式，學生主要采取驗證型學習模式，教師“手把手”講解演示實驗操作流程，學生“按方抓藥”、機械重復實驗步驟［8］，這樣，學生可以快速高效地完成實驗過程，達到該實驗的實驗目標。具體就氨基甲酸銨分解平衡常數測定這一實驗的教學來說，一般包含課前預習、課堂講解、操作演示、實驗過程、數據記錄、課后完成實驗報告和網上思考題等環節。

氨基甲酸銨分解平衡常數測定實驗是一個經典的化學平衡實驗［9-10］。學生在預習過程中需要了解實驗目的、實驗原理、實驗儀器和實驗步驟等，在傳統教學模式中，大多數學生會可能無法真正理解實驗設計的原理，而僅是模仿老師的實驗流程完成實驗步驟，當遇到問題時就無法進行有效地自主解決，也難以達到預期的教學目標［11］。

2 “試錯法”教學方式

“試錯法”的根本原則是學生作為實驗的主導［12］，學生根據實驗原理去自行設計、自行嘗試、自行分析，從而，提高學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測定這一實驗的教學來說，一般過程為課前預習、課堂儀器展示、試錯式實驗過程、錯誤分析（尋求幫助）、獲取正確路線、獲取數據記錄、實驗改進建議、課后完成實驗報告和網上思考題等環節。每次的實驗步驟不同，可能導致的實驗結果有差異，或許會一次次地碰壁，遇到困難，這樣學生就會有效提問，教師也可以有的放矢地指導；也提升了學生的預習效果，使學生的實驗能力得到培養、提升，加深對實驗背后的知識、實驗原理理解與把握，了解實驗裝置儀器設計的原理。最后，在試錯—分析—糾錯的過程中，實現實驗與理論教學內容的融合，提煉出實驗中的知識脈絡［13］，不僅有助于實驗的理解，更有利于理論知識的具體化，理論與實驗相輔相成［14］，激發學生的創新意識，提高學生的問題分析與解決能力。

3 兩種教學方式效果對比

表1 所示為傳統教學與試錯法在氨基甲酸銨分解平衡常數測定實驗教學中學生的易錯點比較。

表1 傳統教學與“試錯法”教學中學生的易錯點比較

由表1 可見，兩種教學方式所導致學生的易錯點發生了變化，傳統教學班中，系統檢漏和壓差計置零這兩種錯誤幾乎沒有，而旋塞的使用錯誤卻相當高，這是由于教師講解演示時，首先進行的是檢漏和置零，這兩個步驟非常簡單，而且是所有實驗步驟的最前面，學生模仿實驗時不易忘記。當實驗進行至后面的旋塞調節步驟時，由于旋塞數量多，且一會兒需要打開，一會兒需要關閉，如果學生不能很好地理解實驗過程中旋塞開關的用途，那么他們就很容易搞亂和混淆，因此，會出現較高的錯誤率。與此不同的是，“試錯法”教學班中，系統檢漏和壓差計置零這步操作忘記的同學顯著高于傳統教學班，這是由于這兩步操作與后面的反應和壓力測試關聯性不強，學生容易將注意點放在旋塞調節步驟中，這也直接導致“試錯法”教學班中返工次數較多（見表2）。盡管如此，在后續的關鍵實驗步驟中“試錯法”教學班同學的出錯率顯著低于傳統教學班的同學。因此，實驗原理的理解和實驗裝置的設計對于實驗的成功與否至關重要。

由表2 可見，傳統教學和“試錯法”教學方式雖然在教師講解演示的時間上存在明顯差異，前者學生的返工次數略少于后者，但在學生總體的實驗時長上卻沒有顯著差異，說明教師演示的作用不明顯，這可能是由于實驗的操作步驟比較復雜，細節較多，學生難以通過老師的一遍演示就迅速掌握實驗流程，另一方面，如果沒有很好地理解實驗原理，也難以融會貫通，遇到情況無法靈活應變。對于“試錯法”教學班來說，學生的實驗時長和結果準確度區間要比傳統教學班的分布寬，這是由于學生對實驗的理解能力的差異造成的，這提醒教師對于“試錯法”教學不能一概而論，而是要進行差異化教學，采取多層次針對性教學方式［15］。對于自學能力和動手能力較強的同學，可以放手讓他們自己主動嘗試，讓他們去設計實驗和裝置；而對有一些理解力較弱或工科思維欠缺的學生，更適于采用先講解再試錯的方法；還有一大部分學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 傳統教學與“試錯法”教學的教學效果比較

兩種教學方式中差異最大的是學生對預習作用的評價，傳統教學班學生大多數人認為預習就是簡單完成要求的幾項任務，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驗。而對“試錯法”教學班來說，上課時，老師提出實驗目的和要求，并展示一下儀器裝置，其他的不再講解。如果預習時沒有很好地理解和查閱相關的資料及儀器使用說明，開始實驗時就會腦子里一片空白，完全不知從何做起，甚至有些學生要重新做預習的工作。因此，“試錯法”教學班學生的差異顯著。另外，“試錯法”教學班大部分學生認為預習幫助很大，對少部分認為預習幫助不大的同學進行調研發現，他們認為預習幫助不大的原因主要有3 個：①原理圖和實際裝置之間的差異，②實驗步驟不夠簡單明了，③沒有多媒體預習資料或實驗演示。2020 年初的新冠肺炎疫情期間實施的遠程教學提出了制作實驗多媒體資料的要求，這也是實驗教學改革中迫切需要加強的。可喜的是，我校在這方面的工作已經熱火朝天地開展起來，大家充分利用新冠疫情期間網絡教學的經驗，將物理化學基礎實驗的原理、儀器講解等多媒體化，用于學生的預習，這將大大提高學生的實驗預習效果。

4 “試錯法”教學效果提升

兩種教學方式班級學生自評對實驗理解度差異并不大，但是，傳統教學班中教師是主體，主導學生實驗；而“試錯法”教學班則是學生為主導，學生自主探索實驗。在一個實驗中可能很難以區分兩種教學方式的差異，但“試錯法”教學顯然更有利于學生的自主能力、動手能力及創新能力的培養［16］，該教學班的學生會提出更有深度的問題，能更生動清晰地講解實驗，并給出實驗設計的建議。

（1）問題導向的探索，提升學生思考的積極性。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）分別控制毛細管E、F？為什么有的人轉動旋塞的次數少，有的人需要多次轉動？為什么會存在誤差？誤差的主要來源是什么？平衡常數跟什么有關系？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嗎？樣品瓶大小、管路粗細長短會影響平衡嗎？會影響測得的分壓和平衡常數嗎？化學平衡實驗與化學動力學實驗有什么不同？

圖1 氨基甲酸銨分解平衡常數測定實驗裝置的設計圖

（2）生動清晰地講解與實踐，激發學生發散思維和邏輯思維能力。首先是實驗目標設定，通過一步步的設問，學生之間相互激發，尋求實驗目標達成的可能路徑，嘗試一步步地回答并解決問題，從而實現實驗目標的達成。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（見圖2）。通過這種簡潔明了的示意圖，學生自己就可以將這個實驗原理和方法理解并講清楚，實現了教師引導的翻轉課堂教學效果。

圖2 化學平衡與壓力平衡的轉換示意圖

（3）構建條理清晰的知識框架脈絡（見圖3），使學生理解理論與實踐的關聯。充分理解化學平衡的概念，在一定的條件下，系統中反應物和產物的種類和數量宏觀上不隨時間改變；從理論上是研究平衡時溫度、壓力與系統組成的關系。實驗中是通過一定的儀器手段固定溫度，測定平衡時系統壓力的改變，即獲得溫度與壓力之間的關系；理論上可由平衡壓力計算該溫度下的標準平衡常數，從而得到溫度與平衡常數及熱力學函數之間的關系。標準平衡常數是化學平衡的重要特征，可用來判斷反應的方向與限度，而實驗測定是獲得平衡常數的重要方法，同時也可以由熱性質數據計算得到。

圖3 氨基甲酸銨分解平衡常數測定實驗的知識框架圖

5 結語

為適應新工科發展的新需求，培養創新型復合人才，充分利用和挖掘現有基礎實驗的潛力，探索與嘗試新的教學模式，提高實踐教學質量。通過“試錯法”教學，啟發學生思考，使學生能從解決錯誤的問題中高效學習，提高學生的學習主動性，加強學生分析問題和解決問題的能力，提升學生解決復雜工程問題的能力，培養學生的探索精神、邏輯思維和科學研究能力，逐步完成從基礎實驗到獨立科研間的過渡，為其高階課程的學習和科研工作的開展奠定堅實的基礎。

·名人名言·

偉大人物最明顯的標志，就是他堅強的意志。

——愛迪生