王薇，周寶晗，孫丹，任家強(qiáng)

1湖北工業(yè)大學(xué)材料與化學(xué)工程學(xué)院，武漢 430068

2湖北大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，武漢 430062

人們對(duì)化學(xué)或化工行業(yè)普遍存在“高危”“劇毒”“工作環(huán)境惡劣”等刻板印象。隨著高中教學(xué)改革的推進(jìn)，化學(xué)已成為選修科目。綜合這些因素，未來進(jìn)入化學(xué)及相關(guān)專業(yè)的大一新生，其化學(xué)學(xué)習(xí)基礎(chǔ)及專業(yè)選擇意愿將有下降趨勢(shì)。大一新生對(duì)化學(xué)、化工行業(yè)的認(rèn)知和認(rèn)同度亟待提高，因此基礎(chǔ)化學(xué)課程，尤其是無機(jī)化學(xué)的授課教師已面臨前所未有的困難和挑戰(zhàn)。

作為一門“承上啟下”的專業(yè)基礎(chǔ)課程，無機(jī)化學(xué)的學(xué)習(xí)體驗(yàn)直接影響到大一新生對(duì)后續(xù)基礎(chǔ)化學(xué)和專業(yè)課程學(xué)習(xí)的興趣及專業(yè)的認(rèn)同度。而理論課程的興趣驅(qū)動(dòng)力又很大程度上取決于實(shí)驗(yàn)課程中的獲得感。

無機(jī)元素化學(xué)實(shí)驗(yàn)易呈現(xiàn)多變的溶液顏色和物質(zhì)性狀的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣具有一定的促進(jìn)作用。對(duì)于高中較少接觸操作訓(xùn)練的學(xué)生來說，得到與理論現(xiàn)象不一致的實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)更容易激發(fā)其求知欲。

以美育豐富內(nèi)涵中“培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)美的能力”這一點(diǎn)為切入[1-3]，引導(dǎo)學(xué)生在反復(fù)探求美的結(jié)果的過程中，自主而迫切地訓(xùn)練和提高基本操作技能。同時(shí)激發(fā)學(xué)生主動(dòng)思考，樹立積極求索、不畏艱難的科學(xué)精神。由此實(shí)現(xiàn)美育的遷移作用，達(dá)到潤(rùn)物細(xì)無聲的效果。

1 無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)難點(diǎn)

1.1 學(xué)習(xí)意愿低

我校化工類專業(yè)以第一志愿招收到的學(xué)生占比歷來偏低。以2020級(jí)化工類3個(gè)平行班的調(diào)查數(shù)據(jù)來看，第一志愿比例僅在17.1%-33.3% (圖1)。

1.2 學(xué)習(xí)起點(diǎn)低

目前高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)開課率普遍較低，從調(diào)查數(shù)據(jù)來看(圖2)，2020級(jí)化工類專業(yè)學(xué)生在高中階段進(jìn)行3次以上實(shí)驗(yàn)操作訓(xùn)練的占比不到20%，大多數(shù)學(xué)生只是通過觀看教師演示實(shí)驗(yàn)來感知實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。學(xué)生往往理論知識(shí)較為扎實(shí)，但遇到操作中的實(shí)際問題時(shí)常常不知所措，有時(shí)甚至十分慌亂，從而會(huì)加劇整個(gè)課程學(xué)習(xí)過程中的緊張和畏難情緒。

圖2 2020級(jí)化工類專業(yè)1、2、3班高中階段實(shí)驗(yàn)開課情況調(diào)查

2 無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)突破口

雖然學(xué)生在高中階段接受的實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練相對(duì)薄弱，這是大學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)面臨的一個(gè)難點(diǎn)，但正因?yàn)榻佑|較少，因而實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)更能喚起新生的新奇感。借助無機(jī)化學(xué)元素實(shí)驗(yàn)中多變的物質(zhì)性狀和色彩，激發(fā)學(xué)生對(duì)化學(xué)原理的探知興趣和熱情，可為理論課的學(xué)習(xí)提供內(nèi)驅(qū)力。

無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)目的之一是要求訓(xùn)練學(xué)生正確、規(guī)范地使用玻璃儀器(比如試管、滴瓶等)。但教師在實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)過程中不能只是簡(jiǎn)單糾正“錯(cuò)誤”，更應(yīng)該敏感捕捉錯(cuò)誤下隱藏的“趣味”。在“美麗的錯(cuò)誤”的引導(dǎo)和啟發(fā)下，學(xué)生不再害怕出錯(cuò)，而是更樂于思考和鉆研。

3 無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革示例——“雞尾酒”實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及學(xué)時(shí)安排

“實(shí)驗(yàn)十七 鉻、錳、鐵、鈷、鎳”(教材內(nèi)容節(jié)選[4])：“鐵、鈷、鎳的配合物——取幾滴0.1 mol·L-1CoCl2溶液，加幾滴1 mol·L-1NH4Cl溶液，然后滴加6 mol·L-1NH3·H2O溶液，觀察現(xiàn)象。搖蕩后在空氣中放置，觀察溶液顏色的變化。寫出相關(guān)的反應(yīng)方程式。”

教師使用的實(shí)驗(yàn)教案(部分展示)如圖3所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)教案(部分)

本次實(shí)驗(yàn)安排為4學(xué)時(shí)，全部為驗(yàn)證性內(nèi)容。第一學(xué)期的基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)，一般不要求學(xué)生當(dāng)堂完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告，給基本操作訓(xùn)練留足時(shí)間。講解實(shí)驗(yàn)原理時(shí)，建議學(xué)生將鈷的配合物這一實(shí)驗(yàn)內(nèi)容放在最后進(jìn)行(如圖3所示，本次實(shí)驗(yàn)一共有6大步驟)，根據(jù)個(gè)人實(shí)驗(yàn)進(jìn)度調(diào)整“雞尾酒”實(shí)驗(yàn)的操作時(shí)間。教師不提前告知實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和操作技巧，要求學(xué)生自行總結(jié)并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果拍照分享。

3.2 教學(xué)目標(biāo)

1) 知識(shí)目標(biāo)：掌握鉻、錳、鐵、鈷、鎳元素及其化合物的相關(guān)化學(xué)性質(zhì)。

2) 能力目標(biāo)：訓(xùn)練試管和滴瓶的規(guī)范使用。

① 滴管垂直向試管內(nèi)滴加試劑，要求不能將滴管伸入試管口，且手不可抖動(dòng)。

② 滴管每滴加一滴試劑，須利用手腕力量搖勻試管內(nèi)溶液，使其充分反應(yīng)。

3) 素質(zhì)目標(biāo)：實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度；鍥而不舍的探索精神。

3.3 理論實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及實(shí)驗(yàn)原理

Co2+能與過量的氨水反應(yīng)生成[Co(NH3)6]2+(土黃色)，[Co(NH3)6]2+容易被空氣中的O2氧化為[Co(NH3)6]3+(紅色)[4]。

相應(yīng)反應(yīng)方程式[5]：

3.4 實(shí)際實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及實(shí)驗(yàn)原理

當(dāng)逐一滴加所需試劑時(shí)，每滴加一滴就充分搖勻溶液，則溶液迅速產(chǎn)生沉淀，沉淀由墨綠色轉(zhuǎn)變?yōu)榘底厣?。上層清液為紅棕色。溶液和沉淀分界不明顯，不易觀察(圖4)。

圖4 規(guī)范操作下的實(shí)際實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

根據(jù)物質(zhì)顏色和性狀判斷，上層清液主要成分應(yīng)為[Co(NH3)6]3+(紅棕色)。下層沉淀應(yīng)為Co2O3·xH2O (暗棕色)。其產(chǎn)生的原因是，當(dāng)加入氨水過量，溶液堿性較強(qiáng)時(shí)，Co2+直接生成Co(OH)2。在劇烈搖動(dòng)試管的過程中，Co(OH)2迅速被空氣中的O2氧化成暗棕色的水合物沉淀Co2O3·xH2O。其方程式為[5]：

3.5 錯(cuò)誤操作引起的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

由于無機(jī)實(shí)驗(yàn)多為定性研究，還未要求建立嚴(yán)格“量”的概念。因而實(shí)驗(yàn)教材中對(duì)加入的試劑的量往往只作大體說明，比如“數(shù)滴”“幾滴”等。學(xué)生在實(shí)際操作過程中，往往會(huì)因?yàn)閷?duì)具體量把握不準(zhǔn)，導(dǎo)致某種試劑加入過多過快，而引起奇特、多變的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

本實(shí)驗(yàn)步驟中的NH4Cl溶液和NH3·H2O均只說明了濃度，而未規(guī)定加入的嚴(yán)格體積。原實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖峭ㄟ^NH4Cl來抑制NH3·H2O的解離，使得大部分Co2+與NH3發(fā)生配位作用。若NH4Cl溶液加入量較少，不足以抑制NH3·H2O的解離，或加入氨水速度過快，則溶液中就會(huì)存在較多OH-。因此，Co2+會(huì)部分結(jié)合OH-形成沉淀。

此外，由于大一新生普遍在高中階段較少有實(shí)際動(dòng)手操作的機(jī)會(huì)，即便熟知規(guī)范操作的理論，但在實(shí)際操作時(shí)，往往無法做到知行合一。當(dāng)學(xué)生在滴加各種試劑時(shí)，不注意及時(shí)搖勻試管。等到所有試劑全部滴加完，溶液就會(huì)因?yàn)楦鞣N沉淀的密度不同而分層，且呈現(xiàn)不同的顏色，十分像調(diào)制好的“雞尾酒”(圖5L)。

圖5 錯(cuò)誤操作下的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象(L)及教師模仿學(xué)生做的“雞尾酒”實(shí)驗(yàn)(H)

實(shí)際的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象色彩絢麗，不同顏色分層明顯，更便于觀察和描述。鈷離子配合物的顏色描述以及反應(yīng)的原理在理論教材上均有詳細(xì)的說明，但真正通過自己的揣摩和反復(fù)嘗試，得到這種美麗的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，學(xué)生仍然倍感欣喜，足以讓他們感覺眼前一亮。教師臨時(shí)給這個(gè)實(shí)驗(yàn)起了一個(gè)美麗的名字——“雞尾酒”實(shí)驗(yàn)。

當(dāng)錯(cuò)誤操作導(dǎo)致了意外的結(jié)果，學(xué)生倍感新奇但不得其解，便求助于教師。教師不必急于分析，而是提議師生一起效仿，并看誰調(diào)制出的“雞尾酒”最美，由此極大調(diào)動(dòng)了實(shí)驗(yàn)課堂氣氛，學(xué)生們摩拳擦掌，躍躍欲試。

為了得到更豐富的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，教師嘗試使用較高濃度(0.5 mol·L-1)的鈷離子溶液重復(fù)該實(shí)驗(yàn)(圖5H)。得出的結(jié)論是，高濃度的鈷離子溶液反應(yīng)較快，顏色更為明亮，但分層較困難，易混溶。

絕大多數(shù)學(xué)生都能通過反復(fù)探索、嘗試加入的方法或不同濃度的溶液，得到較為理想的分層效果(圖6)。在這個(gè)師生“比拼”過程中，學(xué)生投入實(shí)驗(yàn)的熱情和展現(xiàn)的毅力超乎教師預(yù)期。多次的失敗并沒有讓學(xué)生氣餒。相反，他們一次次認(rèn)真總結(jié)，再一次次細(xì)心嘗試，并且整個(gè)過程都十分享受，課堂氣氛十分活躍。有些學(xué)生甚至重復(fù)了15次以上才得到了自己滿意的結(jié)果。同樣使用高濃度鈷離子溶液，學(xué)生得到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象也比教師的更明顯、更漂亮(圖6H)，由此獲得的成就感是學(xué)生從未體驗(yàn)過的。

圖6 其他學(xué)生的“雞尾酒”實(shí)驗(yàn)展示

3.6 實(shí)際實(shí)驗(yàn)原理的總結(jié)

學(xué)生根據(jù)實(shí)際實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，查找教材和資料[5,6]，總結(jié)了對(duì)應(yīng)的實(shí)際實(shí)驗(yàn)原理(表1)。

表1 實(shí)驗(yàn)總結(jié)歸納

由于試管保持靜止，緩慢滴加NH3·H2O時(shí)，上方溶液中的OH-始終比下方溶液中含量高，因而Co(OH)2集中在溶液上方生成，接觸空氣后迅速轉(zhuǎn)變?yōu)榘底厣獵o2O3·xH2O沉淀。該沉淀正好覆蓋住下方形成的藍(lán)色Co(OH)Cl沉淀，使其免于接觸空氣，因而較能穩(wěn)定存在。

4 實(shí)驗(yàn)小結(jié)

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，教師不要急于糾正或批評(píng)學(xué)生在操作中的錯(cuò)誤，而應(yīng)敏銳地捕捉“異象”，鼓勵(lì)學(xué)生去探索背后的本質(zhì)。教師和學(xué)生一起分析導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果的原因，讓實(shí)驗(yàn)中的“美麗錯(cuò)誤”引導(dǎo)學(xué)生體會(huì)化學(xué)中更深層的“樂趣”。

4.1 操作技巧

圍繞如何才能得到更為明顯的分層現(xiàn)象，學(xué)生們嘗試了各種加入試劑的方法。剛開始只是明白了試管的晃動(dòng)不利于分層的產(chǎn)生。為避免晃動(dòng)，可將試管放在試管架上。但這種方法雖然有效避免了試管的晃動(dòng)，但后續(xù)滴加試劑時(shí)，溶液容易濺起，干擾分層，影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

于是學(xué)生又嘗試左手握住試管上端，并與實(shí)驗(yàn)臺(tái)面傾斜30°-45°置于其上，右手垂直捏住滴管，沿試管壁逐滴加入試劑，得到較為理想的分層效果。

最后，為了精益求精，學(xué)生又嘗試每滴加一滴試劑，靜置10-20 s，得到的分層更為明顯。

4.2 學(xué)生獲取的能力

大多數(shù)大一新生對(duì)試管和滴瓶的使用是感覺陌生的，常常對(duì)試劑的用量和操作滴管的規(guī)范動(dòng)作把握不準(zhǔn)。本實(shí)驗(yàn)中，對(duì)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)操作的改革，使得學(xué)生在操作滴管時(shí)克服了緊張情緒，投入更加專注，因此手的抖動(dòng)明顯緩解了。反復(fù)揣摩實(shí)驗(yàn)技巧的過程中，學(xué)生主動(dòng)加大滴管的使用頻率，操作熟練程度迅速提高。

在反復(fù)實(shí)踐的過程中，學(xué)生對(duì)藥品的用量有了深刻的認(rèn)識(shí)，明白了得到理想實(shí)驗(yàn)結(jié)果不是用的藥品越多越好的道理。并且也體會(huì)到，同樣的物質(zhì)，濃度不同對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果也會(huì)有較大的影響。

4.3 本實(shí)驗(yàn)持續(xù)改進(jìn)措施

總結(jié)出實(shí)驗(yàn)操作技巧和實(shí)驗(yàn)原理后，“雞尾酒”實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象雖能穩(wěn)定呈現(xiàn)，但分層效果仍然有一定差別。在本屆學(xué)生總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，教師擬提出下一屆學(xué)生需要進(jìn)一步研究的影響因素：

1) 滴加NH4Cl溶液時(shí)是否搖勻；

2) NH4Cl溶液和NH3·H2O加入的量的配比；

3) 只加NH3·H2O，不加NH4Cl溶液；

4) 用NaOH代替NH3·H2O。

4.4 實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練的衍生效果

學(xué)生在這種仔細(xì)觀察、反復(fù)嘗試和重復(fù)訓(xùn)練的過程中，不僅不感覺枯燥和倦怠，反而學(xué)習(xí)熱情高漲，并能觸類旁通、舉一反三。在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生開始利用手機(jī)及時(shí)記錄實(shí)驗(yàn)過程中的“美”和“趣”(圖7)，并能在智慧教學(xué)平臺(tái)[7]上積極分享收獲、討論原理，樂此不疲。

圖7 學(xué)生利用手機(jī)拍攝硫酸亞鐵銨晶體形成過程(“慢攝快放”視頻截圖)

5 結(jié)語

基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)雖然是較為成熟和經(jīng)典的設(shè)計(jì)方案，但由于初學(xué)者的誤解和操作失誤，卻能呈現(xiàn)意想不到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。學(xué)生們深刻體會(huì)到，化學(xué)中不是缺乏“美”，而是缺乏發(fā)現(xiàn)美的“細(xì)心”；化學(xué)知識(shí)并不枯燥，而是缺乏感受樂趣的“耐心”；化學(xué)學(xué)習(xí)并不難，而是缺乏學(xué)好化學(xué)的“恒心”。

人們對(duì)美的向往是出乎于本性，當(dāng)在學(xué)習(xí)過程中發(fā)現(xiàn)了“美”，就會(huì)對(duì)結(jié)果孜孜以求。在感受和求索的過程中，能力和素養(yǎng)便自然而然地逐漸養(yǎng)成。