結(jié)合實例淺談化學(xué)實驗課筆試命題新思路

許海 劉曉冬 王寶珍

(吉林大學(xué)化學(xué)學(xué)院 吉林長春 130012)

教學(xué)研究與改革

結(jié)合實例淺談化學(xué)實驗課筆試命題新思路

許海 劉曉冬 王寶珍

(吉林大學(xué)化學(xué)學(xué)院 吉林長春 130012)

摘要結(jié)合無機化學(xué)實驗與物理化學(xué)實驗考試的兩個實際題目，討論化學(xué)實驗課筆試命題設(shè)計的新思路。實驗筆試命題的設(shè)計主要考查學(xué)生對實驗原理的理解程度和運用所學(xué)實驗技能解決實際問題的能力。

關(guān)鍵詞無機化學(xué)實驗 物理化學(xué)實驗 筆試 命題 素質(zhì)教育

化學(xué)實驗是高等教育化學(xué)化工及相關(guān)專業(yè)學(xué)生的必修課程。目前，很多高校已經(jīng)把化學(xué)學(xué)科的各專業(yè)實驗單獨設(shè)課，單獨進行成績評定。通常，實驗課的考核評價辦法可分為操作考試、命題筆試，以及二者結(jié)合評價等幾種類別[1-6]。為了能夠基本實現(xiàn)實驗課成績反映學(xué)生綜合實驗技能與實驗理論知識掌握水平的目的，我們設(shè)計了一套全面兼顧的考核評價體系[7-8]。其中，作為考核評價的一部分，實驗課筆試的命題內(nèi)容應(yīng)該能夠準(zhǔn)確反映學(xué)生對所學(xué)知識的掌握程度。我們?yōu)榇诉m量選取了應(yīng)用所學(xué)知識設(shè)計實驗的題目，以考查學(xué)生解決實際問題的能力。對學(xué)生成績分析的結(jié)果顯示，我們的預(yù)期目標(biāo)基本得以實現(xiàn)?？梢娺@種命題改革的思路基本可行，值得推廣。下面以兩個實際考題為例，談?wù)勎覀冊谠O(shè)計化學(xué)實驗課筆試命題過程中的一點體會，與同行共享交流。

1 化學(xué)實驗課筆試的命題原則

化學(xué)實驗課的教學(xué)目的是培養(yǎng)學(xué)生善于觀察記錄、綜合分析數(shù)據(jù)、正確得出結(jié)論的能力，同時還能加深學(xué)生對理論知識的理解和掌握。除此之外，我們還特別強調(diào)要通過實際動手操作培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計可行方案解決具體問題的能力[9-10]。為此，我們在實驗課筆試命題時，加入了一定比例的綜合應(yīng)用所學(xué)實驗手段去設(shè)計解決實際問題的題目。考慮到目前我們的實驗課考核評價體系正處于起步階段，教師和學(xué)生對適應(yīng)這一改革都需要有循序漸進、逐步摸索完善的過程，因此我們在設(shè)計綜合應(yīng)用類題目時不但注意控制其數(shù)量和比例，而且還相應(yīng)控制了難度，可以針對不同層次的學(xué)生選擇不同的題型和側(cè)重點。

2 實驗課筆試綜合應(yīng)用題實例

2.1 無機化學(xué)實驗考試實例

無機化學(xué)實驗是本科生入校后的第一門化學(xué)實驗課，此時學(xué)生的動手能力和知識結(jié)構(gòu)都比較薄弱。針對這一特點，我們的命題主要以客觀試題為主。例如我校2011級醫(yī)學(xué)7年制學(xué)生的無機化學(xué)實驗考試有如下一道綜合設(shè)計實驗題：

“假定某營養(yǎng)藥物的主要成分包括：① 碳酸鈣；② 硬脂酸鐵(橙黃色粉末，難溶于水，遇強酸分解為鐵鹽和硬脂酸，硬脂酸不溶于水)；③ 乳酸鋅(白色粉末，易溶于熱水，在冷水中溶解度較小，遇強酸分解為鋅鹽和乳酸，乳酸溶于熱水，在冷水中溶解度較小)；④ 亞硒酸鈉(白色粉末，易溶于水，與鹽酸反應(yīng)生成單質(zhì)硒沉淀)等，其余成分暫且忽略不計。請用所學(xué)知識設(shè)計實驗過程測定該營養(yǎng)藥物中鈣、鐵、鋅的含量。(請將題后正確選項的序號填入相應(yīng)的空白處，每個選項可重復(fù)多次填入，每個空白亦可填入多個選項。)

鐵的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為：

Ⅰ.蒸餾水；Ⅱ.鹽酸；Ⅲ.NaOH溶液；Ⅳ.EDTA二鈉鹽標(biāo)準(zhǔn)溶液(濃度為c(EDTA))；Ⅴ.氨水；Ⅵ.HAc-NaAc緩沖溶液(pH=4.3)；Ⅶ.NH3-NH4Cl緩沖溶液(pH=10)；Ⅷ.甲基橙；Ⅸ.酚酞；Ⅹ.PAN；Ⅺ.鉻黑T；Ⅻ.室溫常壓過濾；.冰水冷卻減壓過濾；.趁熱減壓過濾；ⅩⅤ.紅色；ⅩⅥ.橙色；ⅩⅦ.黃色；ⅩⅧ.綠色；ⅩⅨ.藍(lán)色；ⅩⅩ.藍(lán)紫色；ⅩⅪ. 紫紅色；ⅩⅫ.無色；Ⅹ.Fe(OH)3；ⅩⅩⅣ.Ca(OH)2；ⅩⅩⅤ.Zn(OH)2；ⅩⅩⅥ.Fe3+；ⅩⅩⅦ.Ca2+；ⅩⅩⅧ.Zn2+；ⅩⅩⅨ.[Fe(NH3)6]3+；ⅩⅩⅩ.[Ca(NH3)6]2+；ⅩⅩⅪ.[Zn(NH3)4]2+?！?/p>

下面對此題的設(shè)計、解答思路進行簡要分析。首先，從題目的設(shè)計初衷看，是考查學(xué)生在熟練掌握幾種常見電解質(zhì)的基本性質(zhì)和減壓過濾、配位滴定等基本實驗技術(shù)原理的基礎(chǔ)上，分析、解決實際問題的能力。其次，從題目的設(shè)計過程看，是通過一定新知識的介紹與提示，從簡單易求的結(jié)果入手，逐漸把學(xué)生的解題思路引到實際操作步驟中，并且給出了每一步的計算公式，用以進一步提示和驗證學(xué)生的解題過程是否正確。

樣品中的4種主要成分在水和鹽酸中的性質(zhì)見表1。從表1可以看出4種主要成分在熱水中可分成兩組，一組是難溶物(碳酸鈣和硬脂酸鐵)，質(zhì)量為m2；另一組是可溶物(乳酸鋅和亞硒酸鈉)，即濾液。由題意可知第一步為測定Zn的含量，根據(jù)葡萄糖酸鋅片中葡萄糖酸鋅含量測定實驗的基本原理可知，在溶液pH=7～11，鉻黑T為指示劑時，用EDTA(乙二胺四乙酸)二鈉鹽的標(biāo)準(zhǔn)溶液可以準(zhǔn)確滴定Zn2+的含量;在化學(xué)計量點，溶液的顏色由紫紅色變?yōu)樗{(lán)色。這樣就很容易通過EDTA二鈉鹽的消耗量計算鋅含量(題中已給出)。

表1 樣品中主要成分在水和鹽酸中的性質(zhì)

直接測定鈣和鐵的含量比較困難，因此題中給出了標(biāo)定的過程和最終的計算結(jié)果。第二步應(yīng)先選擇加鹽酸處理，形成Ca2+、Fe3+、Zn2+溶液(硒沉淀、乳酸與硬脂酸被分液和過濾除去)。之后向濾液中加入過量的氨水，使Fe3+全部轉(zhuǎn)化為Fe(OH)3沉淀;此時Ca2+則會有一部分形成Ca(OH)2(在水中溶解度較小)沉淀，另一部分仍以Ca2+形式留在濾液中;而Zn2+則會全部轉(zhuǎn)化為[Zn(NH3)4]2+留在濾液中。調(diào)節(jié)pH后，用EDTA二鈉鹽標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定[Zn(NH3)4]2+與部分溶解的Ca2+的混合溶液，指示劑及實驗現(xiàn)象與前一步驟相同。最后，由滴定液的消耗量及第一步的相關(guān)數(shù)據(jù)，可最終計算出鈣和鐵的含量(原題中已給出結(jié)果)，其簡要計算過程如下：

(1)

m4=m(Ca(OH)2)沉淀部分+m(Fe(OH)3)=m(Ca(OH)2)全部-m(Ca(OH)2)溶解部分+m(Fe(OH)3)=

(2)

聯(lián)立式(1)和式(2)可解出：

進而可得：

此題每空1分，共10分，占總實驗課筆試成績的20%，占實驗總成績的10%。據(jù)統(tǒng)計，平時認(rèn)真預(yù)習(xí)、細(xì)致操作、勤于思考、經(jīng)常與教師和同學(xué)討論的學(xué)生本題普遍得分在6分以上，而其余學(xué)生此題的得分多數(shù)在5分以下，基本反映了學(xué)生對這部分知識的掌握和靈活運用能力。

2.2 物理化學(xué)實驗考試實例

物理化學(xué)實驗是化學(xué)及其相關(guān)學(xué)科的重要課程，學(xué)生學(xué)習(xí)時不但要加深對理論知識的理解，更重要的是掌握應(yīng)用實驗原理與技能解決實際問題的能力。為此，我們設(shè)計了一些比較靈活的試題，以便于學(xué)生自由發(fā)揮。例如我校2009級藥學(xué)專業(yè)物理化學(xué)實驗考試給出了如下一道綜合設(shè)計實驗題：

“已知在水溶液中，右旋碘化甲基乙基丙基銨可與氫氧化鉀發(fā)生如下消旋化反應(yīng)：

試通過所學(xué)知識，設(shè)計兩種實驗方法，測定該反應(yīng)的速率常數(shù)。分別寫出這兩種實驗方法所使用的主要儀器和監(jiān)測反應(yīng)進程的物理量，并分析反應(yīng)過程中該物理量的變化趨勢及原因?！?/p>

下面對此題的設(shè)計及解答思路進行簡要分析。此題是應(yīng)用化學(xué)動力學(xué)理論的相關(guān)知識，設(shè)計物理法測定化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)的問題。物理法測定反應(yīng)速率常數(shù)是先測定體系的某個與反應(yīng)組分濃度變化呈單值函數(shù)關(guān)系的物理量隨時間的變化，再根據(jù)此函數(shù)關(guān)系通過作圖等方法計算反應(yīng)速率常數(shù)的過程。根據(jù)題中提示及相關(guān)化學(xué)知識可知，該反應(yīng)進行過程中，有如下幾個明顯的變化：手性物質(zhì)濃度降低、離子總濃度降低、溶液堿性降低。為此，可以選擇相應(yīng)儀器檢測反應(yīng)系統(tǒng)溶液的旋光性質(zhì)、電導(dǎo)率性質(zhì)和酸性，再根據(jù)其隨時間的變化趨勢與反應(yīng)組分濃度的關(guān)系推導(dǎo)并作圖，即可計算反應(yīng)的速率常數(shù)(具體推導(dǎo)過程不作為考核要求，此處略)。

最終，我們給出的參考答案為：

方法一：旋光法。主要儀器：自動旋光儀；監(jiān)測物理量：旋光度α。由于反應(yīng)物是右旋物質(zhì)，旋光度為正數(shù)，產(chǎn)物為非旋光性物質(zhì)，旋光度為0;因此在整個反應(yīng)過程中，旋光度數(shù)值由一較大的正數(shù)逐漸減小。對于加熱條件下的加速反應(yīng)，當(dāng)反應(yīng)結(jié)束(t=∞)時，旋光度α為0。

方法二：電導(dǎo)率法。主要儀器：電導(dǎo)率儀；監(jiān)測物理量：電導(dǎo)率L。由于反應(yīng)前后溶液中I-和K+的濃度沒有變化(忽略產(chǎn)物生成的微量水)，但是反應(yīng)前的季銨正離子和OH-隨著反應(yīng)進行逐漸生成不導(dǎo)電的叔胺分子和H2O，使溶液的離子總數(shù)明顯減少；因此溶液整體的電導(dǎo)率逐漸減小。加熱條件下的加速反應(yīng)結(jié)束(t=∞)時，溶液的導(dǎo)電性質(zhì)僅由KI提供，電導(dǎo)率最小。

方法三：酸度法。主要儀器：酸度計；監(jiān)測物理量：溶液pH。由于在反應(yīng)過程中，OH-濃度逐漸降低，而產(chǎn)物中叔胺分子的堿性又很弱，因此溶液整體的pH將逐漸減小。加熱條件下的加速反應(yīng)結(jié)束(t=∞)時，溶液的pH最小。

此題滿分為10分，占總實驗課筆試成績的20%，占實驗總成績的10%。學(xué)生只需在以上3種方法中任選兩種作答，并回答完整，闡述準(zhǔn)確，即可得滿分。據(jù)統(tǒng)計，大多數(shù)學(xué)生此題得分在6～9分之間，可見經(jīng)過一定時期的訓(xùn)練之后，學(xué)生解決實際問題的能力有所提高。

3 結(jié)語

與化學(xué)理論課教學(xué)相比，化學(xué)實驗課教學(xué)更注重的是培養(yǎng)學(xué)生通過動腦分析解決實際問題的能力，而并非是對現(xiàn)有知識的簡單記憶。因此，我們在對學(xué)生進行考核評價時，也著重突出考察學(xué)生對實驗原理的理解程度和實際應(yīng)用水平。實踐表明，在這種思想指導(dǎo)下，我們的命題從結(jié)構(gòu)到內(nèi)容都體現(xiàn)了改革與創(chuàng)新，達到了最初設(shè)定的成績反映能力的評價目標(biāo)。

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國家自然科學(xué)基金項目(No.21174050、21173101)；吉林大學(xué)基本科研業(yè)務(wù)費(No.450060445028、450060481405)

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