韋源青

南京中醫(yī)藥大學藥學院，南京 210023

許多本科畢業(yè)生盡管完成了學位授予所需的全部課程，但仍缺乏對不同類別信息之間聯(lián)系的認知[1]。筆者在以南京中醫(yī)藥大學藥學院學生為樣本的抽樣調查中，發(fā)現(xiàn)盡管90%的學生知曉實驗原理，但仍有68%的學生很難梳理出原理與實驗的深層聯(lián)系，這其中有更多的學生認為實驗教學僅是鍛煉實驗操作的培訓。相比于事實本身，事實之間的聯(lián)系更為重要。這個問題影響到學生后續(xù)的生產(chǎn)實踐活動，而解決這個問題的關鍵在于培養(yǎng)學生的核心學習能力?，F(xiàn)在“以學生為中心”的教育理念的實質也是以提高學生的能力為中心[2]，學習遷移能力是核心能力之一，布魯納把學習遷移分為具體知識的特殊遷移和態(tài)度、方法及原理的一般遷移，因此筆者認為學生在學習特定知識的同時也應不斷提升自身的學習及應用能力，即基于理論的應用能力[3]。本文擬就本科分析化學課程的教學實踐與案例，對如何在教學過程中融入培養(yǎng)學生基于理論的應用能力進行探討。

1 理論與實踐的融合教學

分析化學是研究物質的組成和結構，確定物質在不同狀態(tài)和演變過程中化學成分、含量和時空分布的測量科學，因此分析化學的理論與實驗實踐是密不可分的[4]。然而在實際的教學過程中，理論課更注重一般性的規(guī)律，而實驗課則更注重具體的操作技術。誠然，這可以歸因于理論教材的通用性，但在事實上造成了理論與實踐的割裂，學生在完成教學實驗時，更多的是知道書本上的操作方法可以完成實驗，很少去思考沒有解釋的操作原理。即使學生能夠出色地完成實驗，得到漂亮的數(shù)據(jù)，但這樣的結果僅完成了知識與技巧的傳遞，沒有培養(yǎng)學生的核心學習能力。筆者認為，理論課應更多地以對應的實驗為例進行闡述，這就要求教師需要預先對課程包含的實驗進行解構，盡可能地將細節(jié)分散在理論案例中，學生在理論課程的學習過程中就能體會到理論是如何聯(lián)系實踐的，從而進一步完成后續(xù)的知識遷移。

一般高校授課安排往往是先理論、后實驗的教學順序，其原因在于有了一定的理論基礎作指導，所對應的實踐課程或者實驗操作會變得更為輕松、更有方向和更具意義[5]；也有實驗與理論相結合的授課方式，這可以充分發(fā)揮學生的主體作用，把教學的重點放在引導學生理論聯(lián)系實際上[6]。教學有法，但無定法，要做到因材施教，不僅要考慮到學生的專業(yè)與基礎水平，同時也要考慮到行業(yè)對需求人才能力的期望。對于認知能力較強的學生，先理論、后實驗的教學安排往往能更高效地完成教學任務；而對于認知能力一般的學生，實驗與理論結合，或者先實驗、后理論的教學方式則更符合理論源于實踐的認知過程。

學生明確教學目標后，通過實驗操作，能更好地知覺具體事物，知道“是這樣”，但是不清楚“為什么”。此時，教師應適當引導學生主動探索，激發(fā)學生內(nèi)部學習動機，在理論課上幫助學生理解事物的特點和聯(lián)系并形成概念，這種聯(lián)系不局限于實驗與理論的聯(lián)系，更可以包含不同課程之間的聯(lián)系[7]。比如在多元弱酸滴定的實驗中，學生能夠很容易地觀察到酚酞在待測液中由無色轉變?yōu)榈凵默F(xiàn)象，基于該現(xiàn)象，理論課中進一步闡釋滴定終點與計量點的關系、終點誤差、準確滴定的判據(jù)等知識點，甚至可以進一步結合有機化學闡釋變色的原因，為后續(xù)儀器分析的基本理論做好鋪墊。

配位滴定是分析化學中相對較難的內(nèi)容，下面將基于該部分內(nèi)容作為理論與實踐融合教學的案例進行探討。

2 教學過程及討論

2.1 EDTA標定、水硬度測定實驗中的疏漏點

水硬度是水質評價的重要指標，測定水硬度可為確定用水質量和進行水的處理提供依據(jù)，化學分析法測定水硬度具有準確度高、經(jīng)濟方便等優(yōu)勢，因此EDTA標準溶液的配制與標定及水硬度的測定往往成為配位滴定章節(jié)的常用配套實驗[8]。由于課時限制，高校一般會提前準備好實驗所需配制的溶液，如標準溶液、指示劑等，這在事實上減少了學生對各物質性狀的觀察和理解，除了在對應的理論課給予適當延伸外，實驗準備流程也可進行適當修改。

EDTA (H4Y)是白色粉末狀固體，由于是內(nèi)鹽在水中溶解度不高，室溫下約0.2 g·L-1(0.7 mmol·L-1)，不滿足應用要求，而Na2H2Y·2H2O溶解度較高，室溫下約111 g·L-1(0.3 mol·L-1)，滿足EDTA標準溶液的濃度要求。為提高學生的實驗操作能力，EDTA標準溶液可由學生提前共同配制。

若以ZnO為基準物質對EDTA標準溶液進行標定，指示劑可選擇鉻黑T (Eriochrome Black T，EBT)或者二甲酚橙，這是由于ZnY足夠穩(wěn)定，在輔助絡合劑的幫助下配位滴定的適宜酸度較寬(pH = 4-11)；但測定水硬度時，由于MgY并不穩(wěn)定，必須在弱堿性(pH = 10)的溶液中滴定，指示劑一般選擇鉻黑T。如果標定和滴定實驗選擇不同指示劑方法，同時配制溶液的水中含有少量其他金屬離子，由于某些金屬離子在不同pH條件下與EDTA的反應情況不同從而引入測定誤差。在相同方法下標定和測定則可以消除該誤差，因此，標定和測定在實際操作中都選擇鉻黑T指示劑法。

鉻黑T是黑色粉末，易溶于水和乙醇等溶劑，實驗中鉻黑T指示液由三乙醇胺作為溶劑配制，三乙醇胺的堿性可滿足鉻黑T的顯色范圍(6.3 ＜ pH ＜ 11.6)，其還原性可防止鉻黑T的氧化聚合，因此能有較長保存期，指示液中另加乙醇可降低三乙醇胺的黏度。在滴定實驗中，三乙醇胺可以掩蔽微量干擾離子Fe3+、Al3+對鉻黑T指示劑的封閉作用。

鹽酸溶液、氨試液與氨性緩沖溶液是實驗中調節(jié)和穩(wěn)定體系pH的重要試劑，關系到滴定主反應的進行，但是這些試劑的添加并不需要精密稱量，因此可以指導學生對溶液體系進行估算，如各組分濃度、副反應系數(shù)、條件平衡常數(shù)等。學生進行估算訓練可以提升實驗設計能力，從而構建學科整體觀。

2.2 基于實驗問題的PBL

PBL (Problem-based learning，問題驅動教學法)是以問題為焦點、學生根據(jù)對問題的討論為主體、教師主導問題的討論為教學方法，從提高教學實用性的角度來調動學生學習積極性[9]。PBL模式下的問題設計應基于學生的興趣和需求，實驗中的各種現(xiàn)象、操作及問題正是引發(fā)學生興趣與需求的良好媒介。筆者設計了如下問題，在理論教學之前發(fā)布給學生思考，并在課程中或者講授完畢后進行探討。

EDTA標準溶液配制與標定及水硬度測定的實驗中：

(1) 滴定過程的主反應是什么？如何得知待測物質的量？

(2) 滴定操作何時停止？此時是化學計量點嗎？滴定誤差如何產(chǎn)生？

(3) 描述鉻黑T指示劑的顯色原理及過程。為什么測定水硬度時有時需加入少量Mg-EDTA絡合物？

(4) 三乙醇胺在配位滴定中有哪些作用？本次實驗中將鉻黑T溶于三乙醇胺的具體作用是什么？為什么分析時間控制在5 min內(nèi)為宜？

(5) 標定實驗中NH3-NH4Cl緩沖溶液的具體作用有哪些？它們會因與Zn2+的配位影響標定實驗的進行嗎？

(6) 標定與滴定實驗的適宜酸度分別是多少？為何水硬度測定實驗需要在pH = 10的條件下進行？

問題(1)：通過直接提問實驗的理論基礎強化理論與實踐融合的教學目的，如果學生只籠統(tǒng)地回答配位反應是不夠的，需要進一步引導將答案具體化。在標定過程中是Zn2+和EDTA的配位反應，在水硬度測定中是Ca2+、Mg2+和EDTA的配位反應；通過EDTA及其螯合物的結構特征使學生理解該配位反應的計量比是1 : 1，并進一步通過化學方程式定量。

問題(2)：強化滴定終點和計量點的差異和關聯(lián)。滴定終點是實踐性的，計量點是理論性的，在實驗操作中學生能理解化學分析更容易達到滴定終點而不是計量點，準確把握滴定終點是實驗操作成功的關鍵因素之一，然而定量時用的是終點而不是計量點的量，因此才產(chǎn)生滴定誤差。該問題可根據(jù)實際學情進一步拓展，如誤差公式的推導、pMsp與pMep相對pH的變化關系等，并進一步拓展如何尋找理論上的最佳pH，即實驗上的誤差最小點的pH。

問題(3)：需要學生在滴定前、終點前、終點時和終點后分別對待測溶液體系中的主成分及指示劑狀態(tài)進行分析，深入理解實驗中觀察到的顏色及其變化所代表的溶液狀態(tài)或者反應過程。基于此，進一步理解pMep在顏色變化方面的內(nèi)涵。Ca2+、Mg2+與鉻黑T形成的配合物lgK分別為5.4和7.0，CaEBT的穩(wěn)定性較弱，MgEBT的穩(wěn)定性較強，如果待測水樣中Mg2+很少，指示劑的顏色變化就可能不顯著，加入MgEDTA后與EBT形成復合指示劑，可指導學生參照乙二酸二乙胺合銅-吡啶偶氮萘酚(CuYPAN)的復合指示劑原理解釋加入MgEDTA后的顯色過程。

問題(4)：三乙醇胺的分子結構和性質關系緊密。小分子量的多羥基化合物增加了分子間氫鍵的形成，從而在宏觀上體現(xiàn)出粘稠液體的性狀；N原子的孤對電子賦予其堿性與配位性能，因此三乙醇胺可作為緩沖劑、掩蔽劑、輔助絡合劑在配位滴定中使用。三乙醇胺的還原性主要來源于三價氮和羥甲基，因此在指示液中可以一定程度地防止鉻黑T的氧化，而在滴定體系中，三乙醇胺濃度大幅降低，鉻黑T指示劑在光照、空氣中長時間暴露容易發(fā)生氧化，從而影響終點的判斷。學生在一個個實例中逐步理解“結構決定性質，性質決定用途”，在體會到理論確實能指導實踐后，可以更自然地學以致用。

問題(5)：緩沖溶液作為酸堿滴定中的重要內(nèi)容學生都已經(jīng)掌握，在實驗中由于使用鹽酸溶液溶解ZnO以及氨試液調節(jié)pH，溶液體系中實際上已經(jīng)存在氨性緩沖溶液。借此可引導學生通過緩沖容量估算并解釋額外添加高濃度氨性緩沖溶液的原因，這也是培養(yǎng)學生實驗設計能力的重要環(huán)節(jié)之一。此外，由于Zn2+和氨分子容易形成多級配合物，通過副反應系數(shù)、條件平衡常數(shù)等的計算理解復雜溶液的狀態(tài)，論證氨分子在標定實驗中輔助絡合劑的作用，借此訓練學生整體性思維和對復雜問題的簡化能力。

問題(6)：酸度控制源于準確滴定的要求，在實踐中是需要多方面綜合考慮的問題，一般流程為通過滿足最低lgK′MY的αY(H)算得對應的最低pH，再通過開始產(chǎn)生氫氧化物沉淀的最低[OH-]算得對應的最高pH。標定實驗中Zn2+比較特殊，氨作為輔助絡合劑可以防止其水解，因此具有較寬的適宜酸度，在酸性條件下可使用二甲酚橙或者CuY-PAN，在堿性條件下可使用鉻黑T作為指示劑，并注意在選定指示劑后綜合考慮指示劑本身的適宜pH。通過lgK′ZnY對pH的作圖可發(fā)現(xiàn)在氨存在的情況下，lgK′ZnY曲線在pH = 10附近具有平臺，意味著主反應穩(wěn)定。水硬度測定中，氨性緩沖溶液不再具有輔助絡合劑的功效，對適宜酸度的計算則更為簡單。

2.3 理論課程授課綱要

不同教材[10,11]對配位滴定的章節(jié)劃分略有不同，但授課安排仍應遵循認知規(guī)律與科學邏輯。如圖1所示，授課綱要中展示了配位滴定章節(jié)理論講授的一般流程，同時標注了可結合的實驗內(nèi)容。

圖1 配位滴定章節(jié)授課綱要

1) 配合物。無機化學中已經(jīng)學過相關內(nèi)容，因此可以作為課程導入快速引出EDTA及其配合物的結構、性質，同時結合其溶解性討論EDTA標準溶液的配制方法與過程。

2) 配位反應。主要包含配位反應的平衡常數(shù)、分布分數(shù)、副反應系數(shù)及條件平衡常數(shù)，這些溶液參數(shù)反映了滴定過程中的溶液狀態(tài)和性質。在配位平衡常數(shù)中引入累積穩(wěn)定常數(shù)后，即可用公式表達出配合物各形態(tài)的分布分數(shù)，此前在酸堿滴定中詳述過由酸平衡常數(shù)表達的分布分數(shù)公式，在實驗中，氨性緩沖溶液的配制方法可以用兩種方式計算其中各組分的分布分數(shù)，學生在計算過程中更容易理解這兩種方式是等價的。副反應系數(shù)與條件平衡常數(shù)的計算一直是配位滴定的難點，在標定實驗中，Zn2+溶液經(jīng)氨試液調節(jié)pH，討論αZn(OH)與αZn(NH3)如何隨著pH變化，是以實踐中產(chǎn)生的問題為案例的教學方法，這為學生學習復雜理論提供了更明確的學習目的與動機，期間可插入2.2節(jié)PBL問題(1)的討論。

3) 配位滴定。該部分內(nèi)容本身與實驗結合較為緊密，非常適合展現(xiàn)從實踐中抽象為理論的過程。配位滴定的過程是用滴定劑Y滴加至待測溶液M中，因此可以用M的濃度對添加滴定劑Y的量作圖得到滴定曲線。同時，滴定劑Y的量與溶液體系中的滴定百分數(shù)具有線性關系，用滴定百分數(shù)作為橫坐標替換滴定劑Y的量可重新得到更具一般性的滴定曲線。根據(jù)學生的掌握情況，可適當?shù)赝卣?，指導學生推導出pM′與滴定百分數(shù)的關系式，并結合溶液實際狀態(tài)描述滴定百分數(shù)在0%、100%、200%等特殊點的內(nèi)涵。結合滴定過程與滴定曲線，以實驗中使用的金屬指示劑鉻黑T為案例闡釋指示劑原理，此時仍應闡明滴定終點與計量點的關系和差異。以標定實驗的兩種指示劑方法為例，討論指示劑的選擇原則，并簡單介紹常用的金屬指示劑，期間可插入2.2節(jié)PBL問題(2)、(3)的討論。

4) 準確滴定與選擇性滴定。可仿照酸堿滴定中的誤差分析，由滴定曲線中計量點與終點的差異引入配位滴定誤差的概念及表達式，結合對滴定誤差的要求及人眼的分辨能力，推導出準確滴定的判據(jù)式。基于準確滴定的判據(jù)，推導出lgK′MY與αY(H)的關系式，引出最高酸度的概念，由金屬離子的水解引出最低酸度，并進一步結合緩沖體系的應用闡明如何控制滴定體系的pH。同樣可以根據(jù)準確滴定的判據(jù)推導出分步滴定的判據(jù)，同時介紹分步滴定的其他措施，并以由水硬度測定中鈣鎂含量的分別檢測為例進行討論。之后可插入2.2節(jié)PBL問題(4)、(5)、(6)的討論。

5) 配位滴定的應用。經(jīng)過前期討論，學生很容易理解水硬度測定是直接滴定法，但對其他配位滴定方法不熟悉，在舉例的時候，需要闡明待測物與滴定劑直接存在的問題，如何利用物質性質解決這些問題，從而采用不同的滴定方法。

2.4 教學實施與效果

由于PBL對學生課前學習要求較高，為提高課堂教學效率，應告知學生在課前5分鐘進行測驗，以章節(jié)內(nèi)出現(xiàn)的重要事實性知識點進行考查，形式為判斷和選擇為主。大多數(shù)高校在配位滴定章節(jié)分配6學時課程，引入基于實驗問題的PBL討論勢必占用部分課時。一些與實驗問題相關性不大的內(nèi)容可作為指導性自學內(nèi)容，如銅氨配合物的分布分數(shù)、平均配位數(shù)等；一些在水硬度測定中沒有使用的試劑可以略講，如二甲酚橙、PAN、CuY-PAN指示劑等；還有一些拓展性內(nèi)容可針對有需求的學生進行課外指導，如最佳酸度的確定、控制酸度進行選擇性滴定的可行性判斷等。原本的例題可作為課后作業(yè)的一部分，同時鼓勵學生用課上討論的實驗設計方法進行實驗設計練習。對實驗設計能力的考核方式可采取課程報告、方案設計乃至開卷考試等形式。筆者在課程結束后進行了針對融合教學的問卷調查，調查對象為生物制藥專業(yè)學生104人(實驗組，采用融合教學)，食品專業(yè)學生92人(對照組，不采用融合教學)，問卷包含藥品中碳酸鈣含量檢測的實驗設計及自我評價。實驗設計調查顯示，實驗組中12%的學生具備較好的實驗設計能力，49%的學生初步掌握實驗設計能力，對照組中6%的學生具備較好的實驗設計能力，44%的學生初步掌握實驗設計能力。自我評價調查顯示，實驗組的學生認為課程中以下能力獲得了鍛煉：邏輯(89%)、計算(88%)、認知(94%)、自學(86%)、實驗設計(87%)、實驗操作(96%)；對照組的學生認為課程中以下能力獲得了鍛煉：邏輯(93%)、計算(87%)、認知(90%)、自學(81%)、實驗設計(82%)、實驗操作(91%)?；诖?，理論與實踐的融合教學策略在客觀與主觀上均對學生能力培養(yǎng)起到一定提升作用。

3 結語

授人以魚不如授人以漁，對于學生而言，掌握一門學科的知識可能在一段時間內(nèi)受用，而掌握學習的方法則終身受益。利用實踐與理論融合的授課方式，幫助學生掌握分析化學原理，連通科學原理與實驗實踐，構建認知體系，提升學習、探索與創(chuàng)新能力，在做中學，學以致用。