談基礎化學實驗教學改革觀念

莊京彭卿 王訓

(清華大學化學系 北京100084)

教學研究與改革

談基礎化學實驗教學改革觀念

莊京*彭卿 王訓

(清華大學化學系 北京100084)

教育改革成功的關鍵是改革者教育觀念的改革，基礎化學實驗教學的改革應首先從教師的教育觀念和教學方式的改變入手。明確基礎化學實驗教育的目的是為創(chuàng)新打好堅實的實驗素質基礎，在實驗過程中于細節(jié)處滲透知識點、培養(yǎng)問題意識，同時應提高教師自身的科研素質。

化學是一門以實驗為基礎的科學，化學中很多新領域的發(fā)展源于實驗過程中新現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)與捕捉，現(xiàn)有的化學理論與規(guī)律大部分也都是從實驗中總結出來的［1－4］。如惰性氣體的發(fā)現(xiàn)最初始于Cavendish與Rayleigh實驗過程中殘存的微小氣泡與不同氮源氮氣毫克級的質量差別;碳富勒烯則是Kroto等人研究星際空間冷暗云中富含碳的星辰實驗過程中的一個意外發(fā)現(xiàn)。正是由于化學家們艱苦不懈的努力，在實驗過程中善于對各種新的實驗現(xiàn)象進行總結、提煉、抽象而后規(guī)律化，才有了化學科學的誕生與發(fā)展。

培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力的高素質人才是高等教育改革的主題，而教育改革成功的關鍵是教育觀念的改革。從事基礎化學實驗教學的教師如何使自己的教育觀念適應當今高等教育形勢的發(fā)展和要求，是值得我們深思和探討的一個問題。

目前的實驗教學并未充分發(fā)揮出其應有的作用，以無機及分析化學實驗課為例，實驗課程中存在的主要問題是:①目前普遍使用的實驗教材的教學內容以驗證性實驗為主，主要圍繞學生課堂所學知識展開，缺乏對實驗背景知識及相關領域進展的介紹;②在無機化學實驗中，學生把全部精力都放在對已有理論結果的驗證以及方程式的書寫上，而忽略了實驗過程中現(xiàn)象的觀察;③在定量化學分析實驗中，學生的基本操作不規(guī)范，尚缺良好的科學素養(yǎng)。這些對學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)是不利的，想要解決這些問題，首先應該從改革教師的教育觀念和明確基礎實驗教學的作用入手。

1 明確目標——為創(chuàng)新打好堅實的實驗素質平臺

對基礎實驗教學進行改革的前提是要明確基礎實驗教學在創(chuàng)新教育中所起的作用和承擔的角色，并在教學中融會貫通，讓學生明確實驗教學的作用，讓大學低年級的學生體會到“創(chuàng)新”并不是一個空泛和遙不可及的詞語。

基礎化學實驗教學的目的是使學生在教師的指導下訓練基本操作技能、掌握經典化學知識;同時，使學生不僅可以對化學產生基本的感性認識，更重要的是通過對各種實驗現(xiàn)象的觀察，培養(yǎng)學生對問題的敏感性，激發(fā)其求知欲以及鍛煉其總結歸納的能力，培養(yǎng)創(chuàng)新意識和良好的思維習慣，為創(chuàng)新能力的獲得打好基礎，使其具備基本的科學素養(yǎng)。實驗能夠大大提高學生的動手能力，實驗中的操作、數(shù)據(jù)記錄、誤差分析等環(huán)節(jié)能很好地起到培養(yǎng)學生嚴謹?shù)目茖W態(tài)度和實事求是、一絲不茍的科學作風以及獨立分析、解決問題的能力的作用。因此，我們認為系統(tǒng)、扎實的訓練及實驗技能和科研素質的培養(yǎng)應該是基礎實驗教學的重中之重。

如果面向大學低年級學生開設的基礎化學實驗只停留在通過開設新的、有趣的實驗來引起學生興趣是片面的，應該把精力更多地投注在教師教學觀念以及教學方式的改革上。

2 細節(jié)中滲透知識點——培養(yǎng)問題意識

近代英國科學哲學家波普爾說:“科學只能從問題開始”，“科學知識的增長永遠始于問題，終于問題——越來越深化的問題、越來越能觸發(fā)新問題的問題”。作為任課教師，如何利用實驗課堂來培養(yǎng)學生的問題意識，并以此激發(fā)學生的求知欲望，最終使他們獲得解決問題的能力，這是一個值得研究的課題。

以無機元素化學實驗為例，學生都做過KMnO4在不同pH條件下參與反應生成產物各不相同的實驗——酸性時生成Mn2+，中性時生成MnO2，堿性時生成MnO2－4。如果學生在實驗操作中不注意藥品加入的次序，將反應物混合后才調節(jié)體系的pH，則只能得到MnO2一種產物。這不僅僅是一個藥品加入次序的問題，更涉及到熱力學穩(wěn)定與動力學可能性。因此，在實驗過程中可以給學生提出一個具有啟發(fā)性的問題:如果將反應物KMnO4與Na2SO3先混合再調節(jié)pH，充分放置陳化，最終的反應產物會是什么?像這類例子在無機實驗中還有很多，都是培養(yǎng)學生細致觀察和發(fā)現(xiàn)問題的好機會。

再比如，為了書寫方便，我們將Sn4+與OH－的反應物寫成Sn(OH)4，但實際上4價錫的氫氧化物結構非常復雜，一般認為新制備的為α－錫酸H2SnO3，長時間放置則轉化為β－錫酸，二者存在結晶性的差異，性質也有很明顯的區(qū)別。如α－錫酸具有兩性，在Sn(Ⅳ)氫氧化物酸堿性質實驗過程中，若Sn(Ⅳ)溶液為新配制，則得到的Sn(Ⅳ)氫氧化物沉淀顯示兩性，因此學生很容易得出結論:Sn(Ⅳ)的氫氧化物具有兩性。但實驗過程中往往并非如此，如果Sn(Ⅳ)溶液經過長時間放置，即使是新鮮制備的Sn(Ⅳ)氫氧化物也不會呈現(xiàn)兩性，溶于酸但不溶于堿，大部分學生會對此感到疑惑:明明是新鮮制備的α－錫酸，為什么仍然不溶?這要從微觀角度去分析，同樣是澄清的Sn(Ⅳ)溶液，從宏觀上看不出區(qū)別，但由于Sn(Ⅳ)容易水解，會生成很多非常細小的晶核，對于長時間放置的Sn(Ⅳ)溶液，這些晶核實際上已經轉換為β－錫酸，并在實驗過程中起誘導晶體生長的作用，因而大量生成β－錫酸，而不是α－錫酸。經過上述引導，學生對晶體生長的微觀機制、納米化學等問題產生了濃厚的興趣。更應該指出的是，人們對物質的認識是永無止境的，如至今仍未制得純的α－錫酸，其精確結構的描述仍有待科學技術手段的進步。

與Sn(Ⅳ)的氫氧化物類似，F(xiàn)e的氫氧化物常被寫作Fe(OH)3，但實際上Fe的氫氧化物和Al(OH)3等3價金屬氫氧化物不同，F(xiàn)e(OH)3并不存在，迄今也不為人所知，更精確的描述應為FeOOH，而且FeOOH又可分為α－FeOOH、β－FeOOH及γ－FeOOH。Fe3+在不同pH范圍內的水解反應非常復雜，也可以生成α－Fe2O3，并非一成不變的FeOOH。JP Jolivet等人研究發(fā)現(xiàn)［5］，在接近中性時，F(xiàn)e3+一般水解得到α－Fe2O3，在酸性、堿性條件下易得到α－FeOOH。不同種類氫氧化物的生成與體系中的離子強度也有密切關系:如在較高溫度Fe(Ⅲ)水解生成α－Fe2O3的過程中，在較低氯離子條件下，F(xiàn)e(Ⅲ)經由6－line ferrihydrite水解生成α－Fe2O3;而在高氯離子條件下，則經過介穩(wěn)態(tài)的β－FeOOH，然后生成α－Fe2O3。這些看似普通的問題背后蘊藏著豐富的知識，一定程度上的引導可以讓學生認識到即使是經典的元素化學部分也還有廣闊的未知領域等待大家去探索，可以此激發(fā)學生的求知欲望。此外，我們還將一些科研工作中常用、但基礎教學基本不涉及的知識與技術介紹給學生。比如為了弄清Sn(OH)4與FeOOH的晶體結構，可以通過X射線衍射儀對其進行分析。

3 提高實驗課教師的科研素質

作為教師，思考最多的應該是:不論授課的對象是化學專業(yè)還是非化學專業(yè)的學生，通過這門實驗課的學習能夠留給他們哪些終身受益的東西。創(chuàng)新過程包括兩方面，一是提出問題，二是解決問題?，F(xiàn)行的教學模式多是應試教育，只注重學生學到的知識量，但學不能致用，不能很好地將書本上的知識與現(xiàn)實中的現(xiàn)象聯(lián)系起來，這也是為何我們的學生普遍具有良好的理論知識與數(shù)理基礎，但進入研究生階段后，創(chuàng)新能力反而不足的原因之一。另外，從創(chuàng)新角度看，提出問題更為重要。因此，在教學過程中，應該更多地去培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題的能力。教師在這個過程中理應承擔起自己的責任，傳授的不僅是具體的知識，更應該是思維方式，要注重提升自身的素質，尤其是科研素質。很難想象一個自身對化學的發(fā)展沒有任何了解、只局限于實驗教材內容的教師能夠培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識。因此，在提高任課教師自身素質的基礎上，改革教學方式是較之實驗教材、教學內容改革更加刻不容緩的事情。在教學過程中，應以引導和啟發(fā)為主，同時將化學領域內的最新進展介紹給學生，以激發(fā)學生的創(chuàng)新欲望。

實驗課教師應該參與科研工作，這不僅能更新自己原有的知識，而且能夠了解化學的發(fā)展以及相關領域的最新進展，并把這些信息融入到實驗教學中，以彌補在教材中缺乏對實驗背景知識及相關領域進展介紹的不足。

對于無機化學實驗中的化合物，學生的印象只是各種顏色的沉淀，只能獲取一些表觀印象。但實際上，無機化合物具備多種功能，有著廣泛的實際應用。以KMnO4與Na2SO3的反應為例，中性條件下反應產物為MnO2。二氧化錳是一種有重要工業(yè)應用的化合物，結構非常復雜，在自然界中存在多種晶型，如α、β、γ等。不同晶型具有不同的理化性質與用途，如α可用于分子篩，β可用于催化領域，γ可用于電極材料，δ可用于多孔材料等。清華大學化學系無機化學研究所在納米材料合成上具有豐富經驗，曾基于KMnO4與MnSO4之間的簡單氧化還原反應，以水熱法控制不同反應條件分別合成了α、β、γ、δ不同晶型的二氧化錳納米線、納米帶、納米管等材料。在實驗課教學過程中，對這些知識點的簡單介紹，可使學生不僅對二氧化錳這種化合物本身有更深的認識，還能對納米科技領域建立初步概念;更重要的是認識到許多重要的無機功能材料就是通過一些非常簡單的無機化學反應得到的。簡單的無機化學反應背后蘊藏著豐富的物理、化學、材料研究內容，任何一個新的現(xiàn)象都有可能成為新的科學發(fā)現(xiàn)的起點。從紛繁復雜的表象背后看到問題的實質，從簡單的化學反應背后看到豐富的物理化學研究內容，可以逐漸幫助學生樹立起正確的科學研究觀念。

一代藝術巨匠達芬奇的繪畫生涯是從畫蛋開始的。當他感到乏味的時候，他的老師佛羅基奧對他說:“不要以為畫蛋容易。要知道，一千個蛋當中從來沒有兩個是形狀完全相同的，即使是同一個蛋，只要變換一下角度去看，形狀也就不同了?！弊鳛榛瘜W實驗課教師，我們真的應該捫心自問，我們是否給自己的學生充分展示了“畫蛋”的奧妙呢?在化學發(fā)展史上，居里夫人的女兒能夠獲得諾貝爾化學獎，與她母親的善于指導與示范作用密不可分;卡文迪許實驗室成立以來連續(xù)培養(yǎng)了20多位諾貝爾獎得主，毫無疑問與該實驗室長期建立起來的良好學術氛圍與傳統(tǒng)密切相關。盡管我們達不到像佛羅基奧與居里夫人那樣的名師的高度，但從自身做起，盡量提高自身素質，是每一位教育工作者的職責。對于基礎實驗教學的教師，我們應該讓學生在普通的教學實驗室中感受到化學發(fā)展最前沿的氣息，并適時展示化學領域最為激動人心的成果，讓學生知道他們現(xiàn)在所做的類似于“畫蛋”的枯燥實驗正是在為以后創(chuàng)作“蒙娜麗莎”奠定基礎。

［1］ 田曙堅，廖一平，焦書明.大學化學，2005，20(1):25

［2］ 袁書玉，丁廷楨.高等工程教育研究，1995(4):82

［3］ 陳慧蘭，吳琴媛，徐培珍.大學化學，1994，9(3):13

［4］ 陸靖，馬林，趙濱，等.實驗技術與管理，2002，19(3):91

［5］ Jolivet JP，Chanéac C，Tronc E.Chem Commun，2004，481