王翊如,鄧順柳,呂銀云,任艷平
廈門大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,化學(xué)國家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心(廈門大學(xué)),福建 廈門 361005
早在2000年,廈門大學(xué)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)課程整合改革時(shí),基于學(xué)生綜合能力、創(chuàng)新意識(shí)培養(yǎng)以及實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源共享等,將原面向化學(xué)類學(xué)生開設(shè)的兩門專業(yè)核心課程“無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)”和“分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)”有機(jī)融合為面向化學(xué)類學(xué)生開設(shè)的一門專業(yè)核心課“基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)(一)”(共192學(xué)時(shí),6個(gè)學(xué)分,在大一的第1學(xué)年開設(shè))。“基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)(一)”課程經(jīng)過20年的教學(xué)改革和實(shí)踐,形成了具有廈大特色的與時(shí)俱進(jìn)的基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式等。
面對(duì)大一學(xué)生,本課程的教學(xué)目的就是以實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為載體,根據(jù)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)和認(rèn)知規(guī)律,由淺至深、由低到高、多層次、全方位地培養(yǎng)學(xué)生會(huì)“想”、會(huì)“做”、會(huì)“表達(dá)”的能力[1–5];同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生水、火、電、毒、傷的安全意識(shí)和環(huán)保理念以及嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度、認(rèn)真細(xì)致的工作作風(fēng)、條理整潔的良好習(xí)慣和互助協(xié)作的團(tuán)隊(duì)精神等。在具體實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)時(shí),首先加強(qiáng)基礎(chǔ)性內(nèi)容,即不同程度地融合了無機(jī)及分析化學(xué)基礎(chǔ)理論知識(shí)的綜合應(yīng)用,承載著無機(jī)合成、化學(xué)定量分析實(shí)驗(yàn)的規(guī)范操作意識(shí)(為了人身安全和財(cái)產(chǎn)安全,為了得到科學(xué)的數(shù)據(jù)和結(jié)果)和基本操作技能培養(yǎng);同時(shí)融入體現(xiàn)“高階性”、富有“創(chuàng)新性”和一定的“挑戰(zhàn)度”的內(nèi)容,培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜問題的綜合能力和高級(jí)思維能力,承載著對(duì)學(xué)生的知識(shí)、能力、素質(zhì)和興趣的綜合培養(yǎng)。下面就以“硫酸亞鐵銨的制備、組成和雜質(zhì)分析及其應(yīng)用”實(shí)驗(yàn)為例,具體介紹該實(shí)驗(yàn)的整體設(shè)計(jì)及其內(nèi)容,以及“硫酸亞鐵銨的制備”實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)施過程整體設(shè)計(jì)。
“硫酸亞鐵銨的制備、組成和雜質(zhì)分析及其應(yīng)用”實(shí)驗(yàn),即圍繞著硫酸亞鐵銨的制備,有機(jī)融入了組成測(cè)定,雜質(zhì)含量的半定量、定量測(cè)定,以及產(chǎn)物應(yīng)用等,形成了廈大特色的“硫酸亞鐵銨的制備、組成和雜質(zhì)分析及其應(yīng)用”實(shí)驗(yàn)教學(xué)模塊。從以廢鐵屑為原料的合成,到產(chǎn)物的分析,再到剩余產(chǎn)物的完全科學(xué)利用的整體科學(xué)設(shè)計(jì),構(gòu)成了完整的“合成—組成及雜質(zhì)含量測(cè)定—用途”一條龍實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目(圖1)。讓學(xué)生逐步了解合成與分析是緊密聯(lián)系在一起的,合成的是什么(定性)、有多少(定量);雜質(zhì)是什么(定性)、有多少(定量)、從哪兒來的(溯源)等問題,對(duì)如何提高合成的“質(zhì)”和“量”有重要的指導(dǎo)意義,也是培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和批判性思維的典型案例。這也是在有關(guān)該實(shí)驗(yàn)?zāi)K的第一個(gè)實(shí)驗(yàn)時(shí)間段(圖2)要向?qū)W生介紹的內(nèi)容,提醒學(xué)生利用課程網(wǎng)站上的“動(dòng)態(tài)”教材、操作視頻等資源(圖3)進(jìn)行課前學(xué)習(xí),讓學(xué)生習(xí)慣于帶著問題進(jìn)實(shí)驗(yàn)室。這類實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目由于實(shí)驗(yàn)過程環(huán)環(huán)相扣,學(xué)生總怕“一步走錯(cuò)”,引起“滿盤皆輸”,所以,格外引起學(xué)生的“好奇”與“關(guān)注”,學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣也油然而生。當(dāng)然,對(duì)一年級(jí)學(xué)生來說,要完美地完成這些實(shí)驗(yàn)過程,還是具有一定的挑戰(zhàn)度。
圖1 廈大特色“硫酸亞鐵銨的制備、組成和雜質(zhì)分析及其應(yīng)用”實(shí)驗(yàn)教學(xué)整體設(shè)計(jì)
圖2 向?qū)W生介紹廈大特色“硫酸亞鐵銨的制備、組成和雜質(zhì)分析及其應(yīng)用”實(shí)驗(yàn)教學(xué)整體設(shè)計(jì)情況
圖3 課程網(wǎng)站資源概覽
通過對(duì)圖1所展示的內(nèi)容及其目的簡單介紹,讓學(xué)生在對(duì)廈大特色的“硫酸亞鐵銨的制備、組成和雜質(zhì)分析及其應(yīng)用”實(shí)驗(yàn)整體設(shè)計(jì)認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上,通過定量分析實(shí)驗(yàn)的實(shí)施,進(jìn)一步認(rèn)識(shí)設(shè)計(jì)承載基本科學(xué)思想和方法的定量分析實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,目的是從實(shí)驗(yàn)原理入手,扎實(shí)地引導(dǎo)學(xué)生分析如何在抽象的待測(cè)量與實(shí)驗(yàn)可測(cè)量之間建立定量關(guān)系,有效地透過實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象或數(shù)據(jù)來挖掘隱藏在其背后的科學(xué)思想和方法并展現(xiàn)給學(xué)生,以培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜問題的綜合能力和高級(jí)思維能力。
用滴定分析法測(cè)定合成出的硫酸亞鐵銨(FeSO4·(NH4)2SO4·6H2O)產(chǎn)品中的Fe2+含量,包含了KMnO4法測(cè)定Fe2+的基本原理及測(cè)定條件控制等,教學(xué)生學(xué)習(xí)和實(shí)際操作具有代表性的固體樣的采樣方法,承載了有關(guān)化學(xué)滴定分析的稱量、溶解轉(zhuǎn)移、定容、移液、滴定等基本實(shí)驗(yàn)操作技能,強(qiáng)調(diào)定量分析的目標(biāo)即提高精密度以提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可信度,并擴(kuò)展介紹K2Cr2O7法的應(yīng)用和不常用K2Cr2O7法的原因以及兩種方法的比較等。
采用經(jīng)典的重量分析法測(cè)定FeSO4·(NH4)2SO4·6H2O產(chǎn)品中的含量,學(xué)習(xí)重量分析法的基本原理以及如何通過熱、稀、慢、攪、陳(五字“方針”)實(shí)驗(yàn)條件的控制,以得到純凈、粗大的BaSO4晶型沉淀;學(xué)習(xí)沉淀傾析法過濾、洗滌以及定量轉(zhuǎn)移等基本實(shí)驗(yàn)操作技能,領(lǐng)會(huì)恒重的意義。由于樣品中含有Fe2+(在重量法分析過程中也會(huì)被空氣中O2氧化為Fe3+)及少量雜質(zhì)Fe3+能與BaSO4共沉淀,對(duì)分析結(jié)果造成影響。所以,在定量沉淀前,引入樣品前處理技術(shù)——離子交換法去除Fe2+和Fe3+,以消除Fe2+和Fe3+對(duì)重量法測(cè)定含量的干擾。涵蓋了對(duì)離子交換樹脂的種類、造型、交換原理的認(rèn)識(shí)及其裝柱和交換操作技能的學(xué)習(xí);并擴(kuò)展介紹間接配合滴定法測(cè)定含量的基本原理等。
根據(jù)上述Fe2+和含量分析結(jié)果,引導(dǎo)學(xué)生計(jì)算n(Fe2+) :n()比值,以判斷和確認(rèn)產(chǎn)物的組成。
用分光光度法對(duì)硫酸亞鐵銨中微量雜質(zhì)Fe3+進(jìn)行定量分析,承載了分光光度法的基本原理、顯色劑及最大吸收波長的選擇、標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制以及標(biāo)準(zhǔn)曲線的制作和分光光度計(jì)的規(guī)范使用等。讓學(xué)生對(duì)微量分析法——分光光度法有一個(gè)全面的理解和認(rèn)識(shí)。
另外,還采用目視比色法對(duì)FeSO4·(NH4)2SO4·6H2O產(chǎn)品中微量Fe3+進(jìn)行半定量分析,讓學(xué)生了解目視比色法的應(yīng)用。
在上述分析的基礎(chǔ)上,引導(dǎo)學(xué)生3–5人自成一組,自主查閱資料、自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案分析測(cè)定FeSO4·(NH4)2SO4·6H2O產(chǎn)品中的NH4+、H2O含量,通過展示各自方案和相互討論,并在課后預(yù)約時(shí)間具體實(shí)施分析測(cè)定[6,7],以培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問題、復(fù)雜問題的綜合能力。在這個(gè)環(huán)節(jié),學(xué)生可能還找不到切實(shí)可行的分析方法或得不到滿意的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,我們寬容接受學(xué)生實(shí)驗(yàn)失敗,但不寬容贊美。通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程有意識(shí)的分工與合作等,教育學(xué)生將來無論是在科研工作還是日常生活中,要學(xué)會(huì)合作與傾聽,要有吃苦和團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神。
本實(shí)驗(yàn)的合成產(chǎn)品FeSO4·(NH4)2SO4·6H2O作為后續(xù)實(shí)驗(yàn)“三草酸合鐵(III)酸鉀的制備”實(shí)驗(yàn)的原料,讓學(xué)生了解FeSO4·(NH4)2SO4·6H2O作為FeSO4·7H2O替代品的應(yīng)用。而本實(shí)驗(yàn)體系的科學(xué)綜合設(shè)計(jì)可以消耗65%以上的FeSO4·(NH4)2SO4·6H2O產(chǎn)品,剩余產(chǎn)品回收作為N2制備實(shí)驗(yàn)中N2凈化的吸收劑。廈大特色“硫酸亞鐵銨的制備、組成和雜質(zhì)分析及其應(yīng)用”實(shí)驗(yàn)整體科學(xué)設(shè)計(jì)也很好地體現(xiàn)了綠色環(huán)保理念。
一流的教學(xué)內(nèi)容是一流課程建設(shè)的核心,一流的教學(xué)過程才能使一流教學(xué)內(nèi)容的實(shí)施落到實(shí)處。下面就以“硫酸亞鐵銨的制備”實(shí)驗(yàn)為例,詳細(xì)展示圍繞著培養(yǎng)學(xué)生會(huì)“想”、會(huì)“做”、會(huì)“表達(dá)”的能力而展開的教師講解、學(xué)生實(shí)施實(shí)驗(yàn)過程等整體設(shè)計(jì)內(nèi)容。
以“硫酸亞鐵銨的制備”實(shí)驗(yàn)為載體,通過下列所設(shè)計(jì)的各個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié),手把手地啟發(fā)、引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)會(huì)“想”、會(huì)“做”、會(huì)“表達(dá)”的能力,包括創(chuàng)新意識(shí)和批判性思維的培養(yǎng)。
2.1.1 培養(yǎng)學(xué)生會(huì)“想”的意識(shí)和能力
通過學(xué)生對(duì)該制備實(shí)驗(yàn)的原理、分離方法等預(yù)習(xí)以及教師的多方位講解、學(xué)生親身體驗(yàn)制備過程、靈活實(shí)踐“先做后教、以做定教”實(shí)驗(yàn)教學(xué)“翻轉(zhuǎn)課堂”模式等,手把手地啟發(fā)、引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)會(huì)“想”的能力。
2.1.2 培養(yǎng)學(xué)生會(huì)“做”的能力
通過學(xué)生對(duì)有關(guān)制備加熱用的電子儀器的使用了解,教師示范、演示有關(guān)常壓熱過濾、減壓過濾的濾紙折疊、修剪等操作,學(xué)生具體合成過程實(shí)驗(yàn)條件的控制以及教師的進(jìn)一步示范、指導(dǎo),培養(yǎng)學(xué)生會(huì)“做”的能力;“想”和“做”要相互融合;“做”的過程也體現(xiàn)了“想”和“設(shè)計(jì)”;“做”以前,總要“想”為什么要這樣“做”。
2.1.3 全方位培養(yǎng)學(xué)生的“表達(dá)”能力
通過教師講解、指導(dǎo)、示范過程中的言傳身教、提問回答、討論發(fā)言、合成過程視頻拍攝、合成產(chǎn)品照片展示以及實(shí)驗(yàn)報(bào)告撰寫等,全方位培養(yǎng)學(xué)生“活”的口頭表達(dá)、“靜”的書面表達(dá)以及“動(dòng)”的視頻(視頻剪輯)表達(dá)能力,要求學(xué)生真實(shí)、科學(xué)(不虛美、不隱惡)、藝術(shù)(角度、方位,而不是PS)地再現(xiàn)和描述實(shí)驗(yàn)過程和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
在明確本實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)的前提下,教學(xué)實(shí)施過程整體設(shè)計(jì)如圖4所示。
圖4 實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)施過程整體設(shè)計(jì)
這樣環(huán)環(huán)相扣的實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)施過程整體設(shè)計(jì),給學(xué)生充分營造了充滿獨(dú)立探索和互助協(xié)作的緊張有序、有趣的實(shí)驗(yàn)教學(xué)氛圍。下面分別介紹具體實(shí)施內(nèi)容。
2.2.1 學(xué)生預(yù)習(xí)
學(xué)生利用教材、“動(dòng)態(tài)”教材和課程網(wǎng)站(圖3)提供的資源進(jìn)行課前預(yù)習(xí),了解硫酸亞鐵銨的制備原理、分離方法、實(shí)驗(yàn)步驟以及有關(guān)水浴鍋、電熱板、循環(huán)水泵等儀器的規(guī)范使用等。讓學(xué)生帶著問題進(jìn)實(shí)驗(yàn)室,并逐步明白實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程就是一個(gè)發(fā)現(xiàn)問題、提出問題、分析問題和解決問題的過程。指導(dǎo)教師通過師生之間、學(xué)生之間的提問、回答、討論情況以及查看學(xué)生的預(yù)習(xí)報(bào)告、小測(cè)等形式來檢查學(xué)生的預(yù)習(xí)情況。
2.2.2 教師講解
大一學(xué)生的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)較差,需要指導(dǎo)教師利用多媒體輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行系統(tǒng)的制備原理、分離方法、示范和演示電熱板、循環(huán)水泵等儀器的規(guī)范使用及其注意事項(xiàng)以及常壓熱過濾、減壓過濾濾紙的折疊、修剪等探討式講解,以及實(shí)驗(yàn)漸進(jìn)過程中逐步的引導(dǎo)和啟發(fā)的分解式講解,如圖5所示,如引導(dǎo)學(xué)生對(duì)物質(zhì)性質(zhì)(溶解性、穩(wěn)定性等)的認(rèn)識(shí),啟發(fā)學(xué)生理解其制備方法、合成條件及其合成條件的控制、分離方法、干燥及保存方法等,如產(chǎn)物在乙醇中不溶,給抽濾后為什么用乙醇洗滌硫酸亞鐵銨晶體的原因提供了理論指導(dǎo)。
圖5 教師講解內(nèi)容概要
2.2.3 學(xué)生實(shí)驗(yàn)
學(xué)生在預(yù)習(xí)和教師講解的基礎(chǔ)上,按照?qǐng)D6所示流程完成實(shí)驗(yàn)。
圖6 FeSO4·(NH4)2SO4·6H2O制備流程
在實(shí)驗(yàn)漸進(jìn)過程中,教師仍然通過示范、演示來逐步引導(dǎo)和啟發(fā)學(xué)生完成實(shí)驗(yàn),得到產(chǎn)物,并要求學(xué)生對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行拍照后當(dāng)場(chǎng)上傳至課程網(wǎng)站,同時(shí)要求學(xué)生完成整個(gè)制備過程的視頻拍攝,課后剪輯上傳至課程網(wǎng)站,培養(yǎng)學(xué)生要科學(xué)藝術(shù)地表達(dá)實(shí)驗(yàn)過程和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
盡管實(shí)驗(yàn)課前學(xué)生有充分的預(yù)習(xí)、教師詳細(xì)的講解和示范演示,還有詳細(xì)的合成步驟,但對(duì)一年級(jí)學(xué)生來說,在制備過程中,對(duì)實(shí)驗(yàn)條件等常理解不到位,如為什么在熱過濾前要加20 mL純H2O、加熱H2O還是冷H2O等操作和選擇的目的不清楚,所以合成“細(xì)節(jié)”掌握不好,導(dǎo)致大部分學(xué)生的實(shí)驗(yàn)結(jié)果不理想。如何才能得到又“好”、又“多”的硫酸亞鐵銨產(chǎn)品呢?這是需要我們引領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行反思和討論的問題[1]。
2.2.4 靈活實(shí)踐“先做后教、以做定教”實(shí)驗(yàn)教學(xué)“翻轉(zhuǎn)課堂”模式
本課程采用的是小班(16–22名學(xué)生一個(gè)班,由一名資深教師和一名助教共同指導(dǎo))教學(xué)方式,便于有效實(shí)踐“先做后教、以做定教”實(shí)驗(yàn)教學(xué)“翻轉(zhuǎn)課堂”模式[1–5],即趁學(xué)生對(duì)“硫酸亞鐵銨的制備”實(shí)驗(yàn)已經(jīng)具有親身經(jīng)歷和切身體會(huì)后,圍繞著產(chǎn)品的“質(zhì)”和“量”,也就是以“如何才能得到又‘好’、又‘多’的硫酸亞鐵銨產(chǎn)品”問題為導(dǎo)向,以圖7展示的詳細(xì)直觀的制備流程為基礎(chǔ),再與學(xué)生們一起一步步(圖8)地對(duì)合成過程、條件等進(jìn)行仔細(xì)研究和深刻反思、判斷,如盡可能使Fe2+溶液在空氣中放置的時(shí)間短些,哪些操作先準(zhǔn)備,哪些操作后進(jìn)行等。實(shí)驗(yàn)過程中哪些條件是提高“質(zhì)”,哪些條件是提高“量”等,并伴隨著具體的實(shí)驗(yàn)操作演示,啟發(fā)和引導(dǎo)學(xué)生去“想”,從而培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維。
圖7 “先做后教、以做定教”實(shí)驗(yàn)教學(xué)“翻轉(zhuǎn)課堂”模式實(shí)施過程設(shè)計(jì)
圖8 FeSO4·(NH4)2SO4·6H2O制備過程所承載的細(xì)節(jié)問題
即使學(xué)生能夠把上述問題理解并做到位,也不一定就能得到質(zhì)量高(顏色和晶態(tài)都好)的產(chǎn)物,還需要教師把教學(xué)實(shí)踐中總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)傳授給學(xué)生,如圖7中所示:蒸發(fā)過程中不能驚擾(不僅僅是不能攪拌,也不要改變水浴鍋的溫度、不能使雜質(zhì)落入等)、蒸發(fā)不要過度、在蒸發(fā)至薄膜呈現(xiàn)冷卻前,
輕輕將膜“劃”開、在自然冷卻過程中適時(shí)輕輕將大塊晶體“戳”小、轉(zhuǎn)移至表面皿的晶體要輕輕“攤”開等,“輕輕”體現(xiàn)了“剛中帶柔”的操作,“劃”、“戳”、“攤”操作都是用玻璃棒來完成的,但始終沒有說“攪”,引導(dǎo)學(xué)生在描述實(shí)驗(yàn)過程和實(shí)驗(yàn)結(jié)果時(shí)要科學(xué)、準(zhǔn)確,措辭嚴(yán)謹(jǐn)、語言銳利。
2.2.5 教學(xué)效果
只有扎實(shí)地引領(lǐng)和引導(dǎo)學(xué)生將上述一系列問題和細(xì)節(jié)都理解并都做到位,只有深刻理解適時(shí)適度地控制好實(shí)驗(yàn)條件的含義,參與實(shí)驗(yàn)的99%的學(xué)生才能夠再合成出又“好”、又“多”的產(chǎn)物,如圖9所示。通過展示學(xué)生得到的漂亮產(chǎn)物,讓學(xué)生切身體會(huì)到什么是真正的“好”,并形成對(duì)“好”的合成產(chǎn)物的判斷標(biāo)準(zhǔn)。做得不好的學(xué)生,知道向“好”的方向努力就好。
圖9 學(xué)生合成產(chǎn)物展示
一流的教學(xué)內(nèi)容是一流課程建設(shè)的核心,一流的教學(xué)過程才能使一流教學(xué)內(nèi)容的實(shí)施落到實(shí)處。“硫酸亞鐵銨的制備、組成和雜質(zhì)分析及其應(yīng)用”實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)施整體設(shè)計(jì)很好地體現(xiàn)了一流課程建設(shè)的內(nèi)涵。一流課程建設(shè)不僅要求教師做到精準(zhǔn)設(shè)計(jì)每一次課,更要求教師認(rèn)真引領(lǐng)、指導(dǎo)學(xué)生去實(shí)踐好每一次課。如何做好基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)一流課程建設(shè)還需要我們不斷地進(jìn)行探索和實(shí)踐,以期為基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)一流課程建設(shè)和基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革提供適應(yīng)面廣、操作性強(qiáng)的可借鑒經(jīng)驗(yàn)。