李煒林，劉紅瑜，金谷，姚奇志，李嬌，李玲玲

1化學(xué)國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心(中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué))，合肥 230026

2中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，合肥 230026

分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)是我校化學(xué)專(zhuān)業(yè)本科生的必修實(shí)驗(yàn)課，面對(duì)的學(xué)生是大二本科生，學(xué)生已有的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)是：無(wú)機(jī)化學(xué)理論、無(wú)機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)。通過(guò)大一無(wú)機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)，學(xué)生了解并掌握了完成定性化學(xué)實(shí)驗(yàn)的基本操作，學(xué)生初步具有了獨(dú)立開(kāi)展驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的能力。在此基礎(chǔ)上，如何進(jìn)一步提升學(xué)生定量分析的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?、自主探究?shí)驗(yàn)的能力及自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的高階創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)?zāi)芰κ欠治龌瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)需要達(dá)成的教學(xué)目標(biāo)。

我校分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)分為I、II兩種類(lèi)型，分兩個(gè)學(xué)期來(lái)完成。I型實(shí)驗(yàn)以定量分析為主，讓學(xué)生通過(guò)基本的滴定分析方法掌握定量分析的基本原理、基本操作，學(xué)會(huì)處理分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，讓學(xué)生初步具有分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。II型實(shí)驗(yàn)以研究型探究實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)為主，研究型探究實(shí)驗(yàn)側(cè)重培養(yǎng)學(xué)生的科研思維和小組協(xié)作能力，創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)則更加側(cè)重學(xué)生自主設(shè)計(jì)、開(kāi)展實(shí)驗(yàn)課題的能力，讓學(xué)生在模擬科研的情境下完成一次科研體驗(yàn)[1-4]。

1 做好l、ll型實(shí)驗(yàn)的銜接

如何做好I、II型實(shí)驗(yàn)的銜接，關(guān)鍵是如何完成從基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)到綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)酥磷灾髟O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)模式轉(zhuǎn)變(表1為I、II型實(shí)驗(yàn)內(nèi)容)。I型實(shí)驗(yàn)前七個(gè)實(shí)驗(yàn)都是驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)，第八個(gè)實(shí)驗(yàn)是綜合探究實(shí)驗(yàn)、第九個(gè)是自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)都是為II型實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展做鋪墊，如何做好兩個(gè)不同層次的實(shí)驗(yàn)的銜接是需要在教學(xué)中深入探索的問(wèn)題。

表1 I、II型實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)都是基于已知實(shí)驗(yàn)條件，學(xué)生按部就班地開(kāi)展實(shí)驗(yàn)就可以，因此課堂教學(xué)還是以傳統(tǒng)的啟發(fā)式講授為主、基于問(wèn)題的研討式為輔的教學(xué)模式(表2)。這樣的教學(xué)模式并不適合綜合探究式實(shí)驗(yàn)教學(xué)，因?yàn)樘骄渴綄?shí)驗(yàn)是在基于已知的基本原理和實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)的基礎(chǔ)上，學(xué)生需要自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)條件，基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，不斷優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件的設(shè)計(jì)和選取。因此需要側(cè)重課前的文獻(xiàn)調(diào)研，課中更應(yīng)該以翻轉(zhuǎn)課堂的探究式教學(xué)模式來(lái)讓學(xué)生成為課堂的主角(表3)。

表2 I型基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

(續(xù)表2)

表3 II型綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

2 以“SDS在Al2O3表面的自組裝、表征及用于銅離子的分離、富集和測(cè)定”實(shí)驗(yàn)為例

表面活性劑自組裝形成的分子有序組合體，屬于超分子領(lǐng)域，是眾多研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)，該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目被選為國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心示范實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。未改性的氧化鋁雖可吸附金屬離子，但吸附效率很差，難以應(yīng)用，通過(guò)對(duì)其表面改性，可以提高其吸附效率。通過(guò)調(diào)節(jié)溶液的pH使氧化鋁表面帶正電，這樣就可以和陰離子表面活性劑十二烷基硫酸鈉(SDS)通過(guò)靜電作用實(shí)現(xiàn)對(duì)氧化鋁的表面改性。改性后的氧化鋁表面變?yōu)槭杷?，所以難以直接吸附銅離子。因此需要對(duì)銅離子也進(jìn)行處理，通過(guò)二乙基氨基二硫代甲酸鈉(銅試劑)和銅離子作用形成弱極性的絡(luò)合物，就非常容易吸附在氧化鋁表面的SDS柵欄層中。如果有干擾離子存在，則通過(guò)調(diào)節(jié)溶液的pH來(lái)調(diào)控金屬離子和銅試劑的結(jié)合能力，從而達(dá)到分離的目的。該體系不僅可以分離、富集銅離子，也可用于處理廢水中的其他重金屬離子，分離效果通過(guò)分光光度法就可以進(jìn)行表征。該實(shí)驗(yàn)是非常典型的前沿綜合探究實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，涉及到了很多學(xué)生在理論課上并沒(méi)有學(xué)到的知識(shí)，實(shí)驗(yàn)原理及流程如圖1所示。

圖1 SDS在Al2O3表面的自組裝、表征及用于銅離子的分離、富集和測(cè)定實(shí)驗(yàn)原理

本實(shí)驗(yàn)分為兩次，第一次是在給定實(shí)驗(yàn)條件下開(kāi)展實(shí)驗(yàn)(改性時(shí)pH為2，測(cè)定銅離子標(biāo)準(zhǔn)曲線時(shí)pH為4)，如圖2所示。通過(guò)第一次實(shí)驗(yàn)探究，學(xué)生發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中有很多異?，F(xiàn)象，基于實(shí)驗(yàn)原理并結(jié)合這些異常實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，我們鼓勵(lì)并引導(dǎo)學(xué)生在第一次實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行進(jìn)一步探究。比如針對(duì)以下實(shí)驗(yàn)條件及實(shí)驗(yàn)中的異常實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行了探究。

圖2 SDS在Al2O3表面的自組裝、表征及用于銅離子的分離、富集和測(cè)定實(shí)驗(yàn)流程

(1) 在進(jìn)行最后一步銅離子的吸附和分析實(shí)驗(yàn)時(shí)，出現(xiàn)樣品的吸光度為負(fù)的情況，我們并沒(méi)有直接告訴學(xué)生是什么原因，而是引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合分光光度法的原理進(jìn)行思考，學(xué)生通過(guò)查閱資料分析，造成這種情況的主要原因?yàn)椋涸谖舛葴y(cè)量過(guò)程中，空白組存在氣泡而導(dǎo)致吸光度增大，造成空白組的吸光度比樣品組的大；離心分離時(shí)有部分氧化鋁沒(méi)有離心下來(lái)，造成空白組的吸光度比樣品組的大；樣品中，銅離子和銅試劑絡(luò)合消耗了一定量的銅試劑，而參比中并沒(méi)有銅離子，因此參比的吸光度可能大于樣品的。就第三種原因，學(xué)生將參比換為繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線中的第二份溶液(加0.2 mL銅離子標(biāo)準(zhǔn)溶液)，再次進(jìn)行測(cè)定，吸光度值變?yōu)檎?.006了。

(2) 在繪制銅離子吸光度標(biāo)準(zhǔn)曲線過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題(比如出現(xiàn)負(fù)值、濃度較大的溶液吸光度反而較小等問(wèn)題)，雖然重配后繪制出了曲線，但也可能還存在較大誤差?？紤]到各組實(shí)驗(yàn)使用的緩沖溶液都是各自配制，pH也會(huì)存在一定差異，而在配制標(biāo)準(zhǔn)溶液時(shí)就會(huì)使用到緩沖溶液，那么溶液的pH是否會(huì)影響溶液的吸光度呢？為此，學(xué)生設(shè)計(jì)了一系列不同pH條件下的銅離子標(biāo)準(zhǔn)曲線測(cè)定實(shí)驗(yàn)，以此來(lái)考查pH對(duì)標(biāo)準(zhǔn)曲線的影響。該實(shí)驗(yàn)第一次實(shí)驗(yàn)時(shí)繪制出的標(biāo)準(zhǔn)曲線可以作為一組數(shù)據(jù)充當(dāng)對(duì)照，分別在配制標(biāo)準(zhǔn)溶液時(shí)加入酸、堿、蒸餾水測(cè)定吸光度，得到新的標(biāo)準(zhǔn)曲線與之比較。最后通過(guò)探究實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著加入的緩沖溶液的pH逐漸升高，溶液的吸光度逐漸增大，線性關(guān)系都挺好(如表4所示)，銅試劑為二乙基二硫代氨基甲酸鈉，化學(xué)式為(C2H5)2NCSSNa，其水溶液呈堿性，遇酸會(huì)分解，因此當(dāng)溶液的pH較低時(shí)不利于銅試劑的穩(wěn)定性。

表4 pH對(duì)Cu2+標(biāo)準(zhǔn)曲線的影響

(3) 改性pH對(duì)吸附銅離子效率的影響：該實(shí)驗(yàn)的原理是利用改性后的Al2O3表面的柵欄層吸附銅試劑的配合物，從而達(dá)到集聚、分離、富集銅離子的目的。對(duì)Al2O3改性效果直接影響到銅離子最終吸附及分離的效率。又因在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中改性溶液pH均在1左右，而已知Al2O3在pH = 2的溶液環(huán)境下改性效果最好，故通過(guò)設(shè)計(jì)一系列pH梯度來(lái)探究Al2O3改性效果及最后的吸附結(jié)果。探究結(jié)果如表5所示，可見(jiàn)pH 2.22左右吸附效率最高，這也可以從實(shí)驗(yàn)原理來(lái)進(jìn)行解釋?zhuān)琒DS是一種陰離子型表面活性劑，如果pH過(guò)低，SDS會(huì)結(jié)合氫離子形成對(duì)應(yīng)的酸，導(dǎo)致其無(wú)法和Al2O3作用，使得改性效果變差，從而降低了對(duì)銅離子的吸附效率；當(dāng)pH過(guò)高時(shí)，Al2O3表面帶的正電荷過(guò)少，從而減弱了其和SDS的作用，進(jìn)而降低了對(duì)銅離子的吸附效率。

表5 改性pH對(duì)Cu2+吸附效率的影響

3 結(jié)語(yǔ)

探究學(xué)習(xí)是一種通過(guò)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題后對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行拓展探究的學(xué)習(xí)方式，教學(xué)中我們采用這樣的教學(xué)模式能充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，通過(guò)實(shí)施這樣的教學(xué)模式，學(xué)生在探究中不斷提升了發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，而創(chuàng)新能力的培養(yǎng)也是遵循這樣的規(guī)律。這也充分體現(xiàn)了教師的“導(dǎo)”是充分為學(xué)生的“學(xué)”服務(wù)的教學(xué)理念。因此為了達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的目的，在化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中開(kāi)展探究式教學(xué)模式非常有必要也非常有效[5,6]。