趙春玲,周開梅,胡愛紅,魏 鵬

（湖北工業(yè)大學(xué)材料與化學(xué)工程學(xué)院，湖北 武漢 430068）

分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)課是化學(xué)類相關(guān)專業(yè)的學(xué)科基礎(chǔ)課程,它在培養(yǎng)學(xué)生的思維能力、動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力以及分析解決問題的能力等方面具有重要作用[1-3]。但是,目前分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程還存在一些問題,如學(xué)生高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)薄弱；部分學(xué)生被動(dòng)照搬實(shí)驗(yàn)步驟；考核結(jié)束后知識(shí)點(diǎn)的遺忘率高等等。特別引起我們注意的是,學(xué)生在后期參與科研活動(dòng)獨(dú)立完成定量測(cè)定任務(wù)時(shí),分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)技能運(yùn)用的往往不夠熟練。

當(dāng)前,在新工科建設(shè)及工程教育認(rèn)證的大趨勢(shì)下,如何提升學(xué)生的工程實(shí)踐能力已成為高校亟待解決的問題[4-6]。因此,為了適應(yīng)當(dāng)前人才培養(yǎng)的需要,突出對(duì)學(xué)生工程實(shí)踐能力的培養(yǎng),亟需改進(jìn)分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)方法。比較法應(yīng)用范圍廣,是一種重要的研究方法[7-8],適合分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程細(xì)節(jié)繁多、要求嚴(yán)格的特點(diǎn)。因此,本文結(jié)合教學(xué)和指導(dǎo)學(xué)生參與科研活動(dòng)的經(jīng)驗(yàn),將比較法應(yīng)用于分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)設(shè)計(jì),旨在實(shí)現(xiàn)高效課堂,培養(yǎng)和提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力。

1 稱量操作的比較法教學(xué)設(shè)計(jì)

稱量是分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)中重要的基礎(chǔ)操作之一。由于 “分析天平的稱量練習(xí)”是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn),容易讓學(xué)生感到在照搬實(shí)驗(yàn)步驟。而實(shí)際工作需要操作者根據(jù)不同稱量對(duì)象和要求做出正確的選擇。因此,面對(duì)缺乏工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的學(xué)生這一學(xué)習(xí)主體,以往經(jīng)典的教學(xué)方法不能完全滿足培養(yǎng)工程類人才能力的要求,需要不斷創(chuàng)新傳統(tǒng)的授課方式。

目前實(shí)驗(yàn)室常用的天平是電子分析天平和托盤天平(或普通電子天平）。教師在設(shè)計(jì)教學(xué)過程的時(shí)候,既要考慮學(xué)生是零起點(diǎn)且高中化學(xué)基礎(chǔ)差異較大,又要考慮讓他們對(duì) “稱量”有一個(gè)總體認(rèn)識(shí)。這樣才有利于學(xué)生在將來的實(shí)際工作中學(xué)會(huì)獨(dú)立思考、辨析問題本質(zhì)并獨(dú)立解決問題的能力。因此,教師講授的不僅是某個(gè)操作單元的要點(diǎn),而是要使學(xué)生能夠建立整體觀、課堂更加高效。改進(jìn)后的具體措施如下。

(1）比較不同種類天平的稱量對(duì)象。首先教師展示電子分析天平、托盤天平(或普通電子天平）,強(qiáng)調(diào)在實(shí)際工作中,應(yīng)根據(jù)不同稱量要求選擇不同的天平。稱量對(duì)象可選擇氫氧化鈉、鄰苯二甲酸氫鉀以及實(shí)際試樣如茶葉、Vc藥片、石灰石及水泥熟料等粉末物質(zhì)。教師以直觀的樣品進(jìn)行比較演示,很自然地引出為什么會(huì)有 “粗稱”和 “準(zhǔn)確稱取”。而對(duì)于茶葉粉末等實(shí)際試樣,則可以根據(jù)是否要求定量測(cè)定以及文獻(xiàn)資料中是否有 “準(zhǔn)確稱取”的要求等進(jìn)行判斷。同時(shí),也要強(qiáng)調(diào)各種天平共同需要注意的是都不能超出最大稱量,以保護(hù)儀器設(shè)備、培養(yǎng)學(xué)生的責(zé)任感。

(2）比較分析天平的兩種主要稱量方法:固定質(zhì)量稱樣法和差減稱樣法。因?yàn)橥斜P天平的操作相對(duì)比較簡(jiǎn)單,教師重點(diǎn)講解分析天平的相關(guān)稱量方法。大多數(shù)學(xué)生在高中階段接觸的是托盤天平,相比稱量瓶更習(xí)慣使用藥匙,可能就會(huì)出現(xiàn)一些不規(guī)范操作。所以需要引入新的教學(xué)設(shè)計(jì),引導(dǎo)學(xué)生積極主動(dòng)思考。演示對(duì)比兩種稱量方法在操作上非常特征的區(qū)別:前者采用藥匙,后者采用稱量瓶。固定質(zhì)量稱樣法的特點(diǎn)是:接收器皿如表面皿要參加稱量,必須是潔凈且干燥的；稱量的對(duì)象不易吸潮、在空氣中性質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定。差減稱樣法的特點(diǎn)是:接收容器如錐形瓶、燒杯不參加稱量；稱量瓶應(yīng)在干燥器內(nèi)保存；稱量的對(duì)象是易吸水、易與空氣反應(yīng)、易氧化的試樣。應(yīng)注意到固定質(zhì)量稱樣法(如采用表面皿）要進(jìn)行試樣的二次轉(zhuǎn)移,從這個(gè)角度上說差減稱樣法在應(yīng)用時(shí)更有優(yōu)勢(shì)。需要說明的是,差減稱樣法練習(xí)中要求采用潔凈且干燥的小燒杯作為接收容器,其主要目的是為了檢驗(yàn)操作的準(zhǔn)確度,而在實(shí)際工作中,因?yàn)槎繙y(cè)定任務(wù)一般都較繁重,錐形瓶或燒杯洗凈后只要外壁干燥沒有水分,就可以做接收試樣的容器。

因此,結(jié)合實(shí)際工作的真實(shí)情況進(jìn)行演示講解,有利于學(xué)生建立自主解決問題的信心,更有利于學(xué)生能根據(jù)實(shí)際工作的要求正確地選擇設(shè)備和方法,而不是簡(jiǎn)單地照搬實(shí)驗(yàn)步驟。

2 溶液配制方法的比較法教學(xué)設(shè)計(jì)

配制溶液是實(shí)用性非常強(qiáng)的重要操作。實(shí)驗(yàn)課前對(duì)部分新生的調(diào)查結(jié)果顯示:配制一瓶濃度大致為0.2 mol·L-1氫氧化鈉溶液時(shí),有人錯(cuò)誤地選擇了容量瓶,原因是他們認(rèn)為越精確的玻璃儀器越好。高中學(xué)對(duì)氫氧化鈉會(huì)腐蝕玻璃的性質(zhì)非常熟悉,但面對(duì)真實(shí)的配制過程,卻忽略了這一點(diǎn)。事實(shí)上,氫氧化鈉即使沒有腐蝕性,它的純度也決定了不需要用容量瓶配制,否則在實(shí)際工作中就是增加了不必要的步驟。書本知識(shí)較熟練但未與實(shí)踐相聯(lián)系的情況是比較常見的。因此,設(shè)計(jì)了兩種配制溶液方法的比較法教學(xué)過程,即粗配溶液以及準(zhǔn)確配制溶液的過程。

教師首先演示比較試劑瓶和容量瓶的精度,強(qiáng)調(diào)試劑瓶是容器而容量瓶是量器。盡管有的試劑瓶帶有刻度,粗配時(shí)先在小燒杯內(nèi)溶解,然后轉(zhuǎn)移至試劑瓶用水稀釋到刻度,但是這個(gè)體積是粗略的,不能因此誤認(rèn)為試劑瓶是量器,相比之下容量瓶才能真正起到 “定容”的作用。當(dāng)然也要認(rèn)識(shí)到容量瓶的這種定容作用是 “瞬時(shí)”完成的,此時(shí)的濃度已確定,即使不腐蝕玻璃也沒必要儲(chǔ)存溶液。

兩種不同的溶液配制方法各具特點(diǎn),理論基礎(chǔ)卻是同一個(gè)公式,即c(物質(zhì)的量濃度）=n(物質(zhì)的量）/V(溶液的體積）。試樣即溶質(zhì)如果純度達(dá)不到喲求,就意味著n是不確定的,所以在確定體積這一步過于追求精度的意義不大。對(duì)于基準(zhǔn)試劑來說一定的質(zhì)量就意味著n是確定的,所以對(duì)體積才有更高的要求,即要求在操作上采取 “定容”這一關(guān)鍵步驟。

另外,學(xué)生參加實(shí)際工作時(shí)對(duì)易水解鹽類的配制不熟練,表面原因是文獻(xiàn)資料上沒有寫明需要采取預(yù)先加酸等措施,實(shí)質(zhì)是理論知識(shí)和實(shí)驗(yàn)操作脫節(jié)造成的。教師可以演示溶質(zhì)水解和正常配制的現(xiàn)象加以比較。因此,配制溶液時(shí)應(yīng)關(guān)注溶質(zhì)的性質(zhì)和容器的特點(diǎn),才能順利完成任務(wù),也就落實(shí)了將工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)融入到教學(xué)中。

3 分光光度法實(shí)驗(yàn)的比較教學(xué)法設(shè)計(jì)

分光光度法的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)是 “鄰二氮雜菲分光光度法測(cè)定鐵”,由于學(xué)時(shí)限制,一次課上學(xué)生反復(fù)演練的時(shí)間短。跟蹤學(xué)生在后期其他課程實(shí)驗(yàn)、各類科研活動(dòng)中的實(shí)際表現(xiàn),尤其是當(dāng)儀器更換型號(hào)之后,學(xué)生自主應(yīng)用分光光度計(jì)的熟練程度還有所不足。學(xué)生通過理論課學(xué)習(xí)了朗伯-比爾定律,但還不能將自己對(duì)公式的認(rèn)知和現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的場(chǎng)景相聯(lián)系。新的比較法教學(xué)設(shè)計(jì)重點(diǎn)就是要引導(dǎo)學(xué)生如何快速把抽象符號(hào)轉(zhuǎn)化成現(xiàn)實(shí)操作。

首先,比較光強(qiáng)I、透光率T與吸光度A。教師要講解清楚分光光度計(jì)實(shí)質(zhì)直接測(cè)量的是光強(qiáng),儀器進(jìn)一步計(jì)算出透光率和吸光度。又因?yàn)樵跈z流計(jì)標(biāo)尺上,透光率的刻度才是均勻的,所以分光光度計(jì)在操作上的本質(zhì)是 “測(cè)I調(diào)T讀A”。然后再回歸教材講解如何調(diào)T=0以及調(diào)T=100%。因此,通過比較三個(gè)物理量,抓住了實(shí)驗(yàn)的理論知識(shí)點(diǎn)和操作要點(diǎn)。即使離開了書本和熟悉的儀器,也能夠做到心中有數(shù),提高應(yīng)變能力。

進(jìn)一步地,吸收曲線和標(biāo)準(zhǔn)曲線它們?cè)诓僮魃嫌泄餐c(diǎn):反復(fù)進(jìn)行 “調(diào)T讀A”。不同點(diǎn)是所需標(biāo)準(zhǔn)溶液的個(gè)數(shù):前者1個(gè),后者5個(gè)以上且具有濃度梯度；前者需要換波長(zhǎng),后者固定在某一波長(zhǎng)處。同時(shí),針對(duì)有少量學(xué)生會(huì)將比色皿的透光面和毛玻璃面放反的問題。教師同時(shí)演示兩只比色皿透光面和毛玻璃面造成的實(shí)驗(yàn)后果,比起以往只演示一只比色皿更為直觀有效。

拓展比較:演示比較玻璃和石英(注:紫外實(shí)驗(yàn)才用到）兩種材質(zhì)的比色皿。既可以避免應(yīng)用時(shí)出錯(cuò),也有利于培養(yǎng)學(xué)生的思辨能力和工程實(shí)踐能力。

4 結(jié) 語

綜上所述,將比較法教學(xué)設(shè)計(jì)應(yīng)用于分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué),具有以下幾個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)。

(1）新的比較法教學(xué)設(shè)計(jì)從實(shí)際工作角度出發(fā),以理論知識(shí)、具體操作和現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景的有機(jī)融合為原則,盡量實(shí)現(xiàn)化繁為簡(jiǎn),有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)他們積極主動(dòng)思考的能力。

(2）新的教學(xué)設(shè)計(jì)貼合初學(xué)者這一學(xué)習(xí)主體的認(rèn)知水平和特點(diǎn),有利于幫助學(xué)生建立自主學(xué)習(xí)的信心。

(3）實(shí)驗(yàn)過程中學(xué)生的大部分注意力都在具體步驟上,容易忽視實(shí)驗(yàn)原理。比較法教學(xué)可以有效地改善這一情況,能讓學(xué)生更深刻地感悟到,看似簡(jiǎn)單枯燥的公式原理卻具有指導(dǎo)實(shí)際操作的重要作用,從而訓(xùn)練他們敢于并善于去應(yīng)用所學(xué)知識(shí)的能力。

(4）新的比較法教學(xué)能更好地引導(dǎo)學(xué)生建立全局觀、大局觀和整體觀,防止片面看待問題。

和專業(yè)課程不同,基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程難以展開具體工程案例,但是分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)課應(yīng)用性很強(qiáng),與生產(chǎn)實(shí)際的聯(lián)系非常緊密。因此,教師應(yīng)重視這一特點(diǎn),利用好實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)逐步培養(yǎng)學(xué)生的工程思維,最終讓學(xué)生感受到 “學(xué)能所用”?？傊?新的教學(xué)方法可以強(qiáng)化對(duì)學(xué)生的工程思維和工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)。