綜合型工科無(wú)機(jī)實(shí)驗(yàn)案例在教學(xué)中的應(yīng)用*

王 薇，劉嬌嬌，王 杰，孫 丹，王龍勝

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

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綜合型工科無(wú)機(jī)實(shí)驗(yàn)案例在教學(xué)中的應(yīng)用*

王 薇，劉嬌嬌，王 杰，孫 丹，王龍勝

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

提出了一個(gè)具體的無(wú)機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例，用于提高工科化學(xué)、生物類大一新生的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)興趣和積極性，旨在較短學(xué)時(shí)內(nèi)快速提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作技能。該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目做到了“承上啟下”：不僅實(shí)驗(yàn)原理簡(jiǎn)單有趣，適合實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)較差的大一新生，而且內(nèi)容上能與后續(xù)實(shí)驗(yàn)課程相銜接，并能在此過程中提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，教學(xué)效果良好。

無(wú)機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)；教學(xué)案例；銜接；科學(xué)素養(yǎng)

2003年教育部制訂了《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(實(shí)驗(yàn))》，提出要按照課程內(nèi)容的要求，積極開展實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)[1]。新課標(biāo)高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容要求學(xué)生能在經(jīng)歷科學(xué)探究的過程中，了解以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的實(shí)證方法，注重學(xué)生實(shí)驗(yàn)中蘊(yùn)含的科學(xué)方法在化學(xué)學(xué)習(xí)和科研中的應(yīng)用，并且內(nèi)容圍繞“綠色”、“實(shí)用”的主題安排，目的是為了提高學(xué)生對(duì)化學(xué)知識(shí)的探知興趣，明確化學(xué)在實(shí)際生產(chǎn)、生活中發(fā)揮的“可持續(xù)性”作用。

目前，在高中化學(xué)課程改革方興未艾的同時(shí)，我國(guó)各大高校的化學(xué)、生物類專業(yè)課程的改革也在積極探索之中。因此，大學(xué)基礎(chǔ)化學(xué)教學(xué)在其前后兩個(gè)教學(xué)階段的改革雙重“擠壓”之下，必須跟進(jìn)改革力度，做好前后的銜接工作，提高新生的實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力及科學(xué)素養(yǎng)。

1 無(wú)機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的指導(dǎo)思想

2010年以來(lái)，本著培養(yǎng)具備一定創(chuàng)新能力的工科畢業(yè)生的目的，我?；A(chǔ)化學(xué)課程的授課學(xué)時(shí)及周期都進(jìn)行了壓縮，以便學(xué)生在大四期間有更多的時(shí)間進(jìn)行社會(huì)實(shí)踐和科研工作，以提高學(xué)生的就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。基礎(chǔ)化學(xué)課程周期的壓縮和授課節(jié)奏的密集度提高，給基礎(chǔ)化學(xué)老師提出了更高的要求。如何在較短的時(shí)間內(nèi)，讓大一新生適應(yīng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式、進(jìn)度，達(dá)到授課的要求，提高新生的實(shí)驗(yàn)技能，對(duì)于基礎(chǔ)化學(xué)的老師來(lái)說是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，銜接高中和大學(xué)的實(shí)驗(yàn)課程一般為無(wú)機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)。因此，改革的重點(diǎn)首先要從無(wú)機(jī)實(shí)驗(yàn)入手，實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容的合理設(shè)置及革新是今后改革的大方向。

我校無(wú)機(jī)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目一般包括基本操作實(shí)驗(yàn)、驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)、綜合型實(shí)驗(yàn)等[3]。大一新生通過基本操作實(shí)驗(yàn)和驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的訓(xùn)練后，基本上具備了一定的動(dòng)手能力。但在綜合型實(shí)驗(yàn)中，仍然表現(xiàn)出許多科學(xué)素養(yǎng)方面的欠缺。比如，實(shí)驗(yàn)過程中的良好習(xí)慣還未鞏固，分析問題和解決問題的能力還較難達(dá)到教學(xué)的要求。很多操作的注意事項(xiàng)、具體步驟，如果不詳細(xì)講解，學(xué)生做起來(lái)還是顯得比較忙亂，甚至出現(xiàn)嚴(yán)重的錯(cuò)誤。任課教師普遍感覺，即便是在綜合型實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練中，學(xué)生仍然是“照方抓藥”，只是個(gè)“操作工”而已，學(xué)習(xí)的興趣并不濃厚，遇到問題不愿意自己去分析和解決，仍然十分依賴?yán)蠋煛?/p>

因此，只有提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，才能提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果和效率。同時(shí)，也要考慮無(wú)機(jī)實(shí)驗(yàn)在高中化學(xué)和大學(xué)后續(xù)實(shí)驗(yàn)課程(比如分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)、有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)等)[4-5]之間的承前啟后的作用。因此，無(wú)機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革應(yīng)在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和內(nèi)容上做文章。

在學(xué)時(shí)固定的情況下，可以嘗試將綜合型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目替換掉部分驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。這種綜合型的實(shí)驗(yàn)也包括了一些基本的儀器操作步驟，同時(shí)內(nèi)容更具實(shí)用性。只有學(xué)生覺得自己學(xué)習(xí)的內(nèi)容和生活、生產(chǎn)息息相關(guān)，有“用武之地”，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中的自主積極性才能有效提高，達(dá)到事半功倍的效果。

2 無(wú)機(jī)實(shí)驗(yàn)案例說明

2.1 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱

二氧化錳在有機(jī)廢水處理中的應(yīng)用

首先，基本技能既能增加個(gè)人的選擇能力，也能增加個(gè)人的認(rèn)知能力。受過基本教育使個(gè)人能夠較容易的實(shí)現(xiàn)自尊和得到社會(huì)認(rèn)同，使個(gè)人易于參加團(tuán)體活動(dòng)或獲得醫(yī)療衛(wèi)生和安全保障等方面重要信息的機(jī)會(huì)。這能增加個(gè)人的選擇能力，也增加個(gè)人對(duì)物質(zhì)和非物質(zhì)資源的控制能力。此外，能夠從方法上處理理論和應(yīng)用學(xué)科的原理，促進(jìn)自主學(xué)習(xí)，獲得創(chuàng)造性思維和特殊知識(shí)。

2.2 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

(1) 了解MnO2的物理和化學(xué)特性；(2) 了解有機(jī)廢水處理方法、原理，化學(xué)環(huán)保的意義；(3) 掌握紫外分光光度計(jì)的使用方法。

2.3 實(shí)驗(yàn)原理

二氧化錳是一種較常見的工業(yè)生產(chǎn)廢渣，有很高的繼續(xù)開發(fā)的價(jià)值。二氧化錳具有很多優(yōu)異的性質(zhì)，可應(yīng)用于污水處理、高性能電池、催化劑、氧化劑、電子等方面，還有望成為良好的熱敏材料。隨著現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)的飛速發(fā)展，使用到的有機(jī)物種類和數(shù)量也越來(lái)越多。因此，在生產(chǎn)和使用過程中產(chǎn)生的有機(jī)廢水也越來(lái)越難處理。目前急需一種既經(jīng)濟(jì)實(shí)用，又高效環(huán)保的處理有機(jī)廢水的方法。活性二氧化錳具有較強(qiáng)的氧化降解能力，可在染料廢水處理、有機(jī)廢水處理等方面發(fā)揮其優(yōu)良的性能。

從工業(yè)廢渣中提取二氧化錳，經(jīng)水洗、酸洗、高溫活化后，在20～100 ℃下進(jìn)行有機(jī)廢水的氧化處理，有效降解了廢水中的有機(jī)化合物。該方法其原料來(lái)源廣泛、成本低廉、方法簡(jiǎn)單實(shí)用、處理效果好，可作為一種處理有機(jī)廢水的理想方法。

2.4 實(shí)驗(yàn)步驟

2.4.1 廢渣的預(yù)處理(教師準(zhǔn)備部分)

(1) 工業(yè)生產(chǎn)廢渣MnO2100 g，用大量的自來(lái)水洗滌、抽濾，直到所得濾液為無(wú)色澄清為止，保存濾餅。在50 ℃下干燥所得濾餅，得到水洗MnO2(90 g左右)。

(2) 將濃硝酸和蒸餾水按1:1的體積配置成50%硝酸溶液，用50%硝酸洗滌MnO23～5次，再用自來(lái)水水洗至中性，最后用乙醇洗滌2～3次，濾餅在50 ℃下干燥，得到酸洗MnO2(73 g左右)。

(3) 稱取4.0 g的酸洗MnO2和160 mL二次蒸餾水于聚四氟乙烯反應(yīng)器中，在室溫下攪拌15 min，倒入水熱反應(yīng)釜并放入烘箱中，于180 ℃下連續(xù)加熱24 h，自然冷卻，抽濾，二次蒸餾洗滌3次，酒精洗滌3次，濾餅50 ℃干燥4 h，即得β-MnO2(3.84 g左右)。

2.4.2 污水處理(學(xué)生操作部分)

在50 mL燒瓶中，依次加入30 mL的有機(jī)廢水，以及不同質(zhì)量的β-MnO2和商業(yè)活性碳，在不同的溫度下攪拌回流一定時(shí)間。自然冷卻，過濾均可得到無(wú)色、透明的溶液。

表1 實(shí)驗(yàn)條件的選擇與優(yōu)化

2.4.3 溶液檢測(cè)(學(xué)生操作部分)

紫外光譜儀分別測(cè)定反應(yīng)前的有機(jī)廢水溶液和反應(yīng)后的澄清溶液，比較兩者紫外光譜的異同，并說明哪種方案的處理效果最為理想。

2.4.4 注意事項(xiàng)及開設(shè)說明

(1)“教師準(zhǔn)備部分”可以開設(shè)為“開放實(shí)驗(yàn)”項(xiàng)目，讓學(xué)生參與進(jìn)來(lái)，另算學(xué)時(shí)。實(shí)驗(yàn)過程中使用到硝酸，應(yīng)在通風(fēng)廚中進(jìn)行相關(guān)操作，作好防護(hù)。

(2) 將一個(gè)班的學(xué)生先進(jìn)行分組，每一組負(fù)責(zé)一組實(shí)驗(yàn)條件的摸索，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，集體討論得出最優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件。

(3) 要求學(xué)生自行設(shè)計(jì)填寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，討論實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并得出結(jié)論，教師在實(shí)驗(yàn)過程中只引導(dǎo)，不詳細(xì)講解實(shí)驗(yàn)操作過程。

(4) 該實(shí)驗(yàn)“學(xué)生操作部分”初設(shè)4學(xué)時(shí)，建議紫外光譜儀只要求學(xué)生會(huì)操作，到分析實(shí)驗(yàn)階段再詳細(xì)講解檢測(cè)原理。

3 結(jié) 語(yǔ)

該實(shí)驗(yàn)利用的是無(wú)機(jī)材料，對(duì)有機(jī)物質(zhì)進(jìn)行降解凈化，且利用到分析儀器進(jìn)行檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)原理簡(jiǎn)單，步驟并不繁瑣，便于大一新生理解接受。項(xiàng)目與環(huán)境問題有關(guān)，利民利國(guó)，從選題上來(lái)說符合高中新課標(biāo)“綠色”、“實(shí)用”的要求，做到了“承上”；內(nèi)容“著眼于無(wú)機(jī)，放眼于有機(jī)，借助于分析”，做到了“啟下”。實(shí)驗(yàn)步驟中包涵了基本操作、條件的優(yōu)化等內(nèi)容，滿足驗(yàn)證性和綜合型實(shí)驗(yàn)的教學(xué)要求，并且實(shí)驗(yàn)內(nèi)容能大大提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，有望在較短學(xué)時(shí)內(nèi)，快速提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作技能，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。

[1] 宋心琦. 普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書.化學(xué)(選修6).3版[M]. 北京:人民教育出版社, 2007.

[2] 黎紅梅, 劉靜, 王險(xiǎn)峰. 大一基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐與總結(jié)[J]. 大學(xué)化學(xué), 2011, 26 (5):39.

[3] 石俊昌, 許維波, 關(guān)春華, 等. 國(guó)家精品課程教材. 無(wú)機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn). 2版[M]. 北京: 高等教育出版社, 2004.

[4] 高華壽, 陳恒武, 羅崇建. 高等學(xué)校教材. 分析化學(xué)實(shí)驗(yàn). 3版[M]. 北京: 高等教育出版社, 2002.

[5] 高占先. 普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材. 有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn). 4版[M]. 北京:高等教育出版社, 1980.

A Comprehensive Case of Inorganic Chemistry Experiment Applied in Teaching of the Engineering Specialty*

WANGWei,LIUJiao-jiao,WANGJie,SUNDan,WANGLong-sheng

(School of Materials and Chemical Engineering, Hubei University of Technology, Hubei Wuhan 430068, China)

A concrete experiment teaching case to improve the study interest and enthusiasm of the freshmen with the engineering specialty in the chemical experiments was proposed, which can develop the students’ experimental skills in shorter periods. The case not only had a simply and interesting principle, which was suit for the freshmen with a poor experimental basis, but also can connect the subsequent experiment courses to cultivate their scientific literacy during the teaching process.

Inorganic Chemistry experiment; teaching case; connection; scientific literacy

湖北工業(yè)大學(xué)校級(jí)教研項(xiàng)目(校2012018)。

，王薇(1978-)，女，講師，主要從事無(wú)機(jī)及分析化學(xué)教學(xué)及教育心理學(xué)研究。

王龍勝(1978-)，男，副教授，主要從事有機(jī)化學(xué)教學(xué)研究。

G633 8

A

1001-9677(2016)024-0142-02