以化學(xué)競賽思維引領(lǐng)的基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

陶劍波，胡鴻雨，謝云龍，趙國良，郝仕油

浙江師范大學(xué)行知學(xué)院，浙江 金華 321004

眾所周知，化學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的古老學(xué)科[1]，因?yàn)槠淅碚撝R(shí)產(chǎn)生于實(shí)驗(yàn)，又不斷接受實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)，從而被世人所接受。因此，化學(xué)是實(shí)踐論和群眾路線的基礎(chǔ)。其中基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)在整個(gè)實(shí)驗(yàn)體系中尤為重要，因?yàn)樗拖穹孔拥牡鼗?。基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程包含無機(jī)、有機(jī)、分析、物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)等，分別在大一及大二開設(shè)，主要訓(xùn)練學(xué)生基本操作及對(duì)化學(xué)基本原理的理解，為提高學(xué)生科研素養(yǎng)奠定基礎(chǔ)。因此，如何開設(shè)好這些基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程對(duì)實(shí)現(xiàn)化學(xué)人才培養(yǎng)目標(biāo)至關(guān)重要。目前，已有相關(guān)教師對(duì)這些基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程進(jìn)行了一定程度的改革，并取得了一定成效，但隨著改革繼續(xù)深入，一些深層次問題逐漸凸顯出來。具體如下：1) 相關(guān)課程教學(xué)目標(biāo)相對(duì)獨(dú)立，不能協(xié)調(diào)、統(tǒng)一地服務(wù)于專業(yè)總體培養(yǎng)目標(biāo)，在現(xiàn)有的教學(xué)體系中，每門課程基本為一個(gè)獨(dú)立的知識(shí)體系，只強(qiáng)調(diào)本課程的知識(shí)完整性，而忽略了前后課程間的相關(guān)性，學(xué)生在學(xué)習(xí)一門課時(shí)，心中只有這本經(jīng)，導(dǎo)致站位較低，不能統(tǒng)領(lǐng)該課程在整個(gè)專業(yè)中的應(yīng)有地位；2) 不同課程任課教師交流不夠，導(dǎo)致課程間銜接薄弱，專業(yè)體系內(nèi)邏輯連接性差，目前，雖然在課程、課堂、實(shí)踐等教學(xué)環(huán)節(jié)開展了一些教學(xué)改革，并取得一些成果，但很難形成專業(yè)合力，導(dǎo)致在申報(bào)大型教學(xué)項(xiàng)目及申請(qǐng)教學(xué)成果獎(jiǎng)時(shí)，凸顯成果零散、專業(yè)特色不突出等問題；此外，由于交流不多，導(dǎo)致專業(yè)教師全面發(fā)展欠缺；3) 授課方式創(chuàng)新性有待提升，目前，雖然不同學(xué)科教師對(duì)相應(yīng)課程進(jìn)行了一定的改革與探索，使教學(xué)效率有了一定的提高，但學(xué)生被動(dòng)式學(xué)習(xí)態(tài)勢并未得到改觀，還是以教師和教材為藍(lán)本，導(dǎo)致學(xué)習(xí)效率和創(chuàng)新性都不高，且知識(shí)綜合應(yīng)用能力極低。

近年來，各種化學(xué)競賽(如挑戰(zhàn)杯、浙江省大學(xué)生化學(xué)競賽、全國化工競賽等)如雨后春筍般涌現(xiàn)。這些競賽一般會(huì)給出某一研究主題及相關(guān)研究背景，讓學(xué)生查閱文獻(xiàn)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、提交文獻(xiàn)綜述與研究報(bào)告，從而對(duì)參賽學(xué)生進(jìn)行全面評(píng)價(jià)，競賽(特別是決賽階段)要求學(xué)生在原有基礎(chǔ)上推陳出新，進(jìn)行創(chuàng)新評(píng)價(jià)。在這些競賽過程中，學(xué)生在教師指導(dǎo)下，對(duì)某一主題進(jìn)行文獻(xiàn)查閱等系列工作，他們的主動(dòng)性與積極性能夠充分被調(diào)動(dòng)；通過與教師交流、討論相關(guān)問題，學(xué)生在創(chuàng)新及知識(shí)綜合應(yīng)用方面也受益匪淺。

基于以上分析，我們提出了“以化學(xué)競賽思維引領(lǐng)的基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革”理念，擬解決上述在教學(xué)改革中出現(xiàn)的深層次問題。本文通過對(duì)兩個(gè)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)案例的教學(xué)改革，闡述化學(xué)競賽思維在基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的引領(lǐng)作用。

1 經(jīng)典實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例

1.1 堿式碳酸銅(Cu2(OH)2CO3)合成條件探索

堿式碳酸銅為孔雀綠細(xì)小無定型粉末，不溶于水和醇，而溶于酸、氨水及氰化鉀溶液。通常采用CuSO4和Na2CO3(NaHCO3)為原料合成Cu2(OH)2CO3，以產(chǎn)物顏色是否為孔雀綠為判斷標(biāo)準(zhǔn)。大多數(shù)師范院校采用北京師范大學(xué)無機(jī)化學(xué)教研室等合編的教材，它是以CuSO4和Na2CO3為原料合成Cu2(OH)2CO3[2]，反應(yīng)方程式如下：

在上述反應(yīng)體系中沉淀產(chǎn)物主要為Cu2(OH)2CO3，若反應(yīng)條件控制不好，則可能產(chǎn)生Cu(OH)2和CuCO3，因此，能否獲得高純度的Cu2(OH)2CO3與反應(yīng)條件密切相關(guān)。據(jù)理論分析可知，影響Cu2(OH)2CO3性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)因素有反應(yīng)原料配比、反應(yīng)體系溫度、反應(yīng)體系pH、反應(yīng)陳化時(shí)間等。在北師大等高校合編的教材中，主要考查CuSO4和Na2CO3的配比及反應(yīng)體系溫度對(duì)產(chǎn)物性質(zhì)的影響。

實(shí)驗(yàn)具體過程如下：

首先配制0.5 mol·L?1的CuSO4和Na2CO3溶液各100 mL，室溫下按體積比為1.0 : 1.0、1.2 : 1.0、0.8 : 1.0的比例混合CuSO4和Na2CO3溶液，選出沉淀產(chǎn)物顏色接近孔雀綠的反應(yīng)體系；再配制該比例的CuSO4和Na2CO3溶液，在60、80、100 °C的水浴中加熱一定時(shí)間，再通過顏色對(duì)比，確定適宜的反應(yīng)溫度；最后放大合成產(chǎn)生相應(yīng)產(chǎn)物。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，很多學(xué)生獲得了藍(lán)色產(chǎn)物，有些學(xué)生獲得的產(chǎn)物甚至部分發(fā)黑。到底是什么原因?qū)е略摤F(xiàn)象的發(fā)生呢？以往由于實(shí)驗(yàn)課堂時(shí)間有限，學(xué)生只能發(fā)現(xiàn)問題，不能理解深層次原因。有的學(xué)生也只是問問實(shí)驗(yàn)教師相關(guān)原因，然后把相關(guān)現(xiàn)象、結(jié)果與可能原因?qū)懙綄?shí)驗(yàn)報(bào)告中，并未進(jìn)行深入分析和跟進(jìn)實(shí)驗(yàn)，所以不了了之，導(dǎo)致學(xué)生探索學(xué)習(xí)的主動(dòng)性嚴(yán)重受阻。自從我們引進(jìn)“以化學(xué)競賽思維引領(lǐng)的基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革”理念后，對(duì)該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行了跟進(jìn)實(shí)驗(yàn)，特意另設(shè)一門實(shí)驗(yàn)課程：探索式無機(jī)合成實(shí)驗(yàn)，該課程利用6課時(shí)對(duì)Cu2(OH)2CO3合成的影響因素進(jìn)行探究。

課前，教師利用一定時(shí)間對(duì)前期實(shí)驗(yàn)中遇到的問題進(jìn)行導(dǎo)向性提示，要求學(xué)生回去進(jìn)行文獻(xiàn)檢索，讓學(xué)生弄明白不成功實(shí)驗(yàn)中生成的藍(lán)色和黑色物質(zhì)是什么，是什么原因?qū)е碌?，如何解決這些問題。要求學(xué)生4–6人組成學(xué)習(xí)小組進(jìn)行文獻(xiàn)查閱與討論，并寫出檢索報(bào)告，發(fā)給老師。老師根據(jù)學(xué)生寫的檢索報(bào)告，進(jìn)行總結(jié)，再把總結(jié)返還給學(xué)生，讓他們明白藍(lán)色物質(zhì)主要是Cu(OH)2，黑色物質(zhì)主要是CuO。Cu(OH)2產(chǎn)生的原因是溶液中Cu2+濃度與OH?濃度平方之積大于Cu(OH)2的，其中Cu2+來源于CuSO4在水中的電離，OH?產(chǎn)生于的水解；Cu2+濃度大小可通過控制CuSO4的初始濃度實(shí)現(xiàn)，那么OH?濃度是由什么因素控制呢？要求學(xué)生根據(jù)無機(jī)化學(xué)水解相關(guān)知識(shí)及物理化學(xué)熱力學(xué)相關(guān)知識(shí)進(jìn)行解答，不懂之處可請(qǐng)教無機(jī)化學(xué)及物理化學(xué)教師。CuO可能是Cu2(OH)2CO3熱分解產(chǎn)生，也可能是Cu(OH)2熱分解產(chǎn)生，要求學(xué)生通過物理化學(xué)熱力學(xué)相關(guān)知識(shí)尋求答案?；谝陨戏治觯俅我髮W(xué)生查閱文獻(xiàn)進(jìn)行深入分析。根據(jù)文獻(xiàn)查閱可知[3,4]，當(dāng)反應(yīng)體系中OH?濃度較高時(shí)，易生成藍(lán)色Cu(OH)2沉淀，且易分解；當(dāng)OH?濃度較低時(shí)，易生成綠色的堿式銅鹽，且較穩(wěn)定。據(jù)此，學(xué)生再次設(shè)計(jì)方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，影響Cu2(OH)2CO3合成的主要實(shí)驗(yàn)因素有CuSO4和Na2CO3的初始濃度和反應(yīng)體系溫度，當(dāng)CuSO4與Na2CO3的物質(zhì)的量之比為1 : 1左右，反應(yīng)溫度為75–85 °C時(shí)，所合成的產(chǎn)物顏色為淺綠色，因?yàn)榇藭r(shí)OH?濃度較低，不足以完全沉淀溶液中的Cu2+，需要結(jié)合部分生成Cu2(OH)2CO3。為了確定Cu2(OH)2CO3的成分，再次要求學(xué)生在分析化學(xué)教師的指導(dǎo)下，設(shè)計(jì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所合成的產(chǎn)物與Cu2(OH)2CO3理論值有一定的出入；此時(shí)要求學(xué)生進(jìn)一步進(jìn)行文獻(xiàn)檢索并分析，尋求其他可能影響產(chǎn)物性能的因素。通過檢索發(fā)現(xiàn)，影響水解的因素除了溫度之外，還有反應(yīng)體系的pH[5]；Cu2(OH)2CO3不穩(wěn)定的因素除反應(yīng)體系溫度外，還有陳化時(shí)間[6]。因此，基于以上分析結(jié)果，再次讓學(xué)生設(shè)計(jì)新的實(shí)驗(yàn)方案并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，確定CuSO4與Na2CO3的物質(zhì)的量之比為1 : 1左右，反應(yīng)體系溫度在75–85 °C，pH在7.5–8.5(利用0.1mol·L?1的NaOH溶液調(diào)節(jié))，陳化時(shí)間在20–40 min，所合成的產(chǎn)物顏色為淺綠色，且其組成與Cu2(OH)2CO3的理論值接近，證明探索的實(shí)驗(yàn)條件適宜合成目標(biāo)產(chǎn)物。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到此，似乎可以畫上句號(hào)。然而有部分學(xué)生抱怨很累，覺得實(shí)驗(yàn)周期長，因?yàn)橐饌€(gè)考查不同因素的不同值。

針對(duì)該問題，指導(dǎo)教師對(duì)學(xué)生進(jìn)行導(dǎo)向性提問：能否找到一種方法既能減少實(shí)驗(yàn)工作量，又能較全面地考查各實(shí)驗(yàn)因素的不同值？要求他們?cè)俅芜M(jìn)行文獻(xiàn)查閱，尋求相關(guān)方案。結(jié)果有學(xué)生找到了正交實(shí)驗(yàn)法，認(rèn)為該方法可滿足要求。因此，教師再利用一定時(shí)間給學(xué)生講解正交實(shí)驗(yàn)法的原理和設(shè)計(jì)方案種類，并發(fā)給學(xué)生相關(guān)資料，讓他們自行設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)表格。在綜合前期實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，學(xué)生設(shè)計(jì)出了4因素3水平正交表(詳見表1)，并進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，5號(hào)實(shí)驗(yàn)結(jié)果較理想，不僅顏色為淺綠色，且其成分與Cu2(OH)2CO3理論值相近，熱穩(wěn)定性較好：在80 °C下可穩(wěn)定較長時(shí)間。

表1 正交實(shí)驗(yàn)表[L9 (34)]

1.2 復(fù)方氫氧化鋁藥片中鋁含量測定影響因素的探索

復(fù)方氫氧化鋁藥片是一種抗胃酸藥，其主要成分是氫氧化鋁、三硅酸鎂及少量顛茄流浸膏，其中鋁和鎂的含量可用EDTA為滴定劑進(jìn)行測定[6]。依據(jù)Al3+與EDTA能形成穩(wěn)定的1 : 1絡(luò)合物的性質(zhì)，用二甲酚橙作指示劑測定鋁?？紤]到Al3+與EDTA的反應(yīng)比較慢且對(duì)二甲酚橙指示劑有封閉作用，故采用返滴定法[7]。

要想獲得理想的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，必須了解影響滴定結(jié)果的因素。那么如何確定這些因素呢？由于課堂時(shí)間有限，課前指導(dǎo)教師把學(xué)生按4人一組進(jìn)行分組，讓學(xué)生帶著問題(影響滴定結(jié)果的相關(guān)因素)去查找文獻(xiàn)資料，并認(rèn)真做好實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)報(bào)告。教師根據(jù)學(xué)生的預(yù)習(xí)報(bào)告進(jìn)行總結(jié)并反饋給學(xué)生。讓學(xué)生知道本實(shí)驗(yàn)中Al3+容易發(fā)生水解，為了防止水解，必須調(diào)節(jié)滴定體系的pH，以使結(jié)果準(zhǔn)確。學(xué)生通過反復(fù)實(shí)驗(yàn)，并經(jīng)各小組交流總結(jié)，得出滴定體系pH在3–4最好，與相關(guān)文獻(xiàn)結(jié)果一致[7]。具體操作如下：首先在試液中滴加二甲酚橙指示劑至溶液呈黃色，然后滴加體積比為1 : 1的氨水(1體積質(zhì)量百分比為28%的氨水與1體積水的混合液)至溶液呈紫紅色，再滴加體積比為1 : 3的HCl溶液(1體積質(zhì)量百分比為37%的鹽酸與3體積水的混合液)使滴定體系剛好顯黃色，再用體積比為1 : 3的HCl溶液調(diào)節(jié)其pH = 3–4。

盡管滴定體系酸度確定后，可使結(jié)果較準(zhǔn)確，還是有不少學(xué)生獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果比理論值低。為此，指導(dǎo)教師要求學(xué)生再次查找文獻(xiàn)資料并分析，尋找其他可能影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的因素。通過檢索發(fā)現(xiàn)，EDTA標(biāo)準(zhǔn)溶液加入量也有重要影響：若加入量過少，則不能完全與Al3+發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)，測定結(jié)果將偏??；若加入量過多，使得返滴定的鋅標(biāo)準(zhǔn)溶液需要量增大，導(dǎo)致系統(tǒng)誤差變大。因此，學(xué)生根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，獲得較理想的EDTA用量。此外，通過檢索發(fā)現(xiàn)Al3+與EDTA的絡(luò)合速度也會(huì)影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果，通常采用加熱至沸加速反應(yīng)，以使實(shí)驗(yàn)結(jié)果接近理論值。此時(shí)，有些同學(xué)提出，他們當(dāng)時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)偏差，是因?yàn)槿芤杭訜徇€未沸騰就開始下一步實(shí)驗(yàn)，導(dǎo)致Al3+與EDTA絡(luò)合不完全?；谝陨蠈?shí)驗(yàn)結(jié)果，再次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，學(xué)生確定以下實(shí)驗(yàn)過程：先將一定量(m克)的藥片研細(xì)，逐滴加入體積比為1 : 1的HCl溶液(1體積質(zhì)量百分比為37%的鹽酸與1體積水的混合液)以使藥片溶解，再加純水并加熱煮沸，靜置冷卻后，抽濾、定容至250 mL；取一定量試液V1mL，加入定量且過量的EDTA標(biāo)準(zhǔn)溶液V2mL，滴加二甲酚橙指示劑至溶液呈黃色，然后滴加體積比為1 : 1的氨水，使溶液為紫紅色，再滴加體積比為1 : 3的HCl使溶液顯黃色，且用體積比為1 : 3的HCl溶液調(diào)節(jié)滴定體系pH為3–4；加熱至沸并保持3 min，冷卻至室溫后，加入質(zhì)量百分比為20%的六亞甲基四胺，此時(shí)溶液顯黃色，pH = 5–6；補(bǔ)加二甲酚橙指示劑，用鋅標(biāo)準(zhǔn)溶液返滴定剩余的EDTA標(biāo)準(zhǔn)溶液，溶液由亮黃色突變?yōu)樽霞t色即為滴定終點(diǎn)。根據(jù)下列公式計(jì)算鋁的質(zhì)量含量(w%)。

式中CEDTA為EDTA的濃度(mol·L?1)，V3為鋅標(biāo)準(zhǔn)溶液用量(mL)，MAl(OH)3為Al(OH)3的摩爾質(zhì)量，計(jì)算時(shí)式中體積單位全部轉(zhuǎn)換成L。

此時(shí)，實(shí)驗(yàn)好像結(jié)束，但部分學(xué)生在查找文獻(xiàn)資料時(shí)，發(fā)現(xiàn)其他方法也可測定復(fù)方氫氧化鋁藥片中鋁含量。因此，指導(dǎo)教師就讓這些感興趣的學(xué)生再次組隊(duì)討論，根據(jù)文獻(xiàn)整理的滴定方法如下：以PAN (1-(2-吡啶偶氮)-2-萘酚)為指示劑，用銅標(biāo)準(zhǔn)溶液返滴定剩余的EDTA標(biāo)準(zhǔn)溶液，溶液由黃色轉(zhuǎn)變?yōu)榫G色再突變?yōu)樽仙?，即為終點(diǎn)[8]。此外，有的學(xué)生檢索到測定復(fù)方氫氧化鋁片中鎂含量的方法，文獻(xiàn)資料顯示用直接滴定法測定復(fù)方氫氧化鋁片中鎂含量較好。根據(jù)文獻(xiàn)，學(xué)生自行組隊(duì)進(jìn)行討論，確定實(shí)驗(yàn)方案如下：滴定前，通過調(diào)節(jié)溶液pH，使體系中Al3+沉淀，過濾獲得濾液；在濾液中加入一定量的三乙醇胺，隱蔽濾液中少量的Al3+，再加氨緩沖溶液及鉻黑T指示劑；最后用EDTA標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定使溶液從酒紅色突變成藍(lán)色[9]，即為滴定終點(diǎn)。

2 教學(xué)總結(jié)與反思

以化學(xué)競賽思維為引領(lǐng)，對(duì)兩個(gè)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例進(jìn)行改革，獲得以下教學(xué)成效：第一、課程雖不同，但目標(biāo)一致，在改革指導(dǎo)思維指導(dǎo)下，可使相關(guān)課程教學(xué)目標(biāo)高度統(tǒng)一到專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)上；第二、在同一實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例中，涉及無機(jī)、分析、物化及有機(jī)等內(nèi)容，因此，可使不同課程教師圍繞同一教學(xué)主題高度統(tǒng)一思想，從而進(jìn)行深入交流，為更好地實(shí)現(xiàn)專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)奠定基礎(chǔ)；第三、通過化學(xué)競賽培養(yǎng)方式，可激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)力，變被動(dòng)學(xué)習(xí)為主動(dòng)學(xué)習(xí)，從而提高學(xué)習(xí)效率。如何才能使得教學(xué)改革效果更好呢？我們認(rèn)為，首先要解決好教學(xué)改革過程中遇到的問題：主要是教師跟進(jìn)不到位所導(dǎo)致的學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)力下降、精神渙散等問題，這需要學(xué)校從制度方面進(jìn)行改革，如對(duì)參與教學(xué)改革的教師進(jìn)行一定程度的激勵(lì)；其次是實(shí)驗(yàn)場所問題，學(xué)生反復(fù)實(shí)驗(yàn)需要場所，有時(shí)還需要在夜間開放實(shí)驗(yàn)室，但會(huì)遇到人員短缺及實(shí)驗(yàn)室沖突等問題，導(dǎo)致學(xué)生想要開展的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行不了，因而影響教學(xué)改革效果及學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)力，同樣也需要學(xué)校從制度上加以保障。通過實(shí)驗(yàn)案例二可知，為了更好地提高改革效率，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的聰明才智也是非常重要的舉措。本來以為在教師指導(dǎo)下通過一種方法可完成復(fù)方氫氧化鋁片中鋁含量的測定，但在學(xué)生的努力下，改善并提出了第二種實(shí)驗(yàn)方案，還提出了鎂的滴定方案，這為完善整個(gè)滴定實(shí)驗(yàn)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，此外也極大地提高了學(xué)生的科研熱情。