劉俊杰,朱志偉
北京大學化學與分子工程學院,北京 100871
一門課程的教學效果很大程度上取決于任課教師的綜合素質。多年來,實驗課助教一直是北京大學化學與分子工程學院(簡稱“學院”)定量分析化學實驗教學的骨干力量,他們的“言”(對知識點的講解)與“行”(實驗技能的示范)直接影響到學生對實驗課程的掌握程度。由于近年來分析化學學科以及實驗教學條件等都得到了突飛猛進的發(fā)展與改善,從2018年春季學期開始,學院對定量分析化學實驗的教學內容進行了大幅度的調整,撤銷3個容量滴定實驗,新增1個實際樣品實驗及4個儀器分析實驗(電位分析、紫外光譜、紅外光譜和熒光光譜)[1,2]。在以化學分析為主的課程中,因為各化學分析方法之間的系統(tǒng)性和連貫性,助教對這些知識點及相關實驗技能的掌握相對容易,將他們培訓成能夠勝任全部實驗教學的“全能型”助教也不是很難。而在化學分析和儀器分析并重的課程中,由于儀器分析各方法之間相對獨立,每一種方法都涉及很多不同的新內容,在短時間內要將一個研二學生培訓成“全能型”助教近乎不可能。因為再優(yōu)秀的“全能型”助教也比不過“摸爬滾打”多年的專職教師。因此,學院對助教的培訓策略由以往的“大而全”轉變?yōu)椤皩6?。培訓教師會根?jù)助教的研究專業(yè)方向以及他們在基礎培訓階段的表現(xiàn)來指定各助教的具體實驗教學內容(即每位助教只負責2–3個實驗)。助教在“吃透”所分配實驗的理論知識后,在培訓教師的指導下對該實驗反復做上4–5次,認真發(fā)現(xiàn)、體會該實驗的重點和難點,盡可能模擬出學生在實驗中可能會出現(xiàn)的各種問題,并與教師進行充分的討論。助教通常能夠在摸索、思考和討論這樣一種循環(huán)反復的過程中自然而然地形成正確的解決方案。與此同時,培訓教師的言傳身教也能在不經意間將有效的教學方法和技能傳授給助教。筆者就是通過這種方式培訓出來的一位“專業(yè)型”助教,負責“經典滴定與電位滴定”和“光度法”這兩個實驗的教學工作,授課人數(shù)共208人。經過近一個學期的教與學,尤其是從學生到教師的角色互換,筆者對實驗教學尤其是定量分析化學實驗的教學有一些新的認識,希望這些想法和建議能為廣大定量分析化學實驗的教學者提供參考。
理論知識的學習往往不容易被吸收,而實踐操作則可以讓學生通過視覺、聽覺等方面的刺激來進行更為直觀的學習,感官可及的化學或物理變化也有助于形成深刻的印象,這對于知識的接納、理解、吸收與轉化都是極其有利的。作為實驗性學科,絕大部分成果都來源于實驗結果,實驗操作能力一定程度上決定了實驗結果的準確性。優(yōu)秀的實驗操作能力包括規(guī)范的操作、合理的時間安排、良好的應變能力等。學生動手能力的提高對其后續(xù)的實驗、科研甚至生活具有重要意義。
具備嚴密邏輯的理論知識終究要在實際生活生產中找到應用,而實驗則是二者的橋梁。除了加深對于理論知識的理解,實驗教學同樣承擔著聯(lián)系生活實際的作用[3]。學院部分定量分析化學實驗的設計在一定程度上聯(lián)系了實際應用體系,如工業(yè)碳酸鋰中微量鐵的測定、未知酸分子量的測定等均體現(xiàn)了定量分析的實際應用。理論聯(lián)系基礎實驗、基礎實驗與實際體系并行能夠更好地將知識連貫起來,從而獲得更好的教學效果。
在助教培訓以及后續(xù)的實驗要求中,更加注重綠色化學的理念,如節(jié)約使用藥品、限制鉻酸洗液的使用范圍以及清洗鉻酸洗液的水量不得超過80 mL等。實驗教學與生產生活應該一脈相承。資源節(jié)約、環(huán)境保護等理念應該滲透到學習、科研、工作的各個方面。將綠色化學深入每個學生的內心,久而久之,習慣也就成了自然。
盡管大部分實驗內容都建立在已有的實驗教案之上,但對于學生而言依然存在很大的思考空間。通過對理論知識的“再認識”,他們的視野將更加開闊,認知也更加完整,具備更強的能力去創(chuàng)新和創(chuàng)造。合作是當下科研以及工作中常用的一種提升效率、解決問題的手段。定量分析化學實驗中的小組實驗是建立合作關系的一個平臺,通過合作能夠讓學生學會運用各種資源、互利共贏,提升工作效率。
預習是知識學習過程中一個重要環(huán)節(jié),對于存在一定危險性的實驗而言更是如此。良好的預習有助于將理論知識與實驗銜接起來,不僅有利于實驗的順利進行,也有利于學生加深對基礎知識、實驗原理和基本操作等的理解。
實驗教學過程中,很多情況下學生的預習效果并不好,課堂上拋出的一些問題并不能很快得到學生的正確反饋。目前要求的預習報告作為相對有效的預習檢查手段雖然能在很大程度上讓學生熟悉實驗原理、步驟、數(shù)據(jù)處理等,但依然存在相當大的局限性。主要表現(xiàn)如下:(1) 部分學生為了避免繁瑣的預習報告占據(jù)自己的時間,會提前將所有的預習報告寫好,最終導致的結果是實驗前卻忘記了當前的實驗內容;(2) 部分學生在寫預習報告的過程中并不會深入思考實驗原理、設計思路以及操作重點等,書面預習報告的形式使得預習實驗演變成了抄寫預習報告;(3) 脫離預習內容,將預習內容與實驗操作割離開,其顯著特點就是淡化實驗講義中的部分內容而自行選擇其實驗方式,如有關移液管的操作,講義要求“靜置15 s待溶液全部流下”,實際操作卻是“移取完溶液后即拿開”。
在對“光度法”成績(62份樣本)進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計時發(fā)現(xiàn),預習報告成績與實驗操作成績正相關,且其相關系數(shù)達0.70,由此表明實驗操作質量與預習情況之間的強相互作用(圖1)。但遺憾的是,這種正相關性并沒有在“經典滴定與電位滴定”實驗中得到很好的體現(xiàn),推測其原因可能與相對重復的滴定操作有關。而在“光度法”實驗中,由于操作內容繁瑣、操作步驟較多,這種正相關性能夠得到更好的體現(xiàn)。當然這也從側面反映出預習的重要性。
圖1 實驗操作與預習之間的相關性
就目前的教學情況來看,筆者提出四點建議來提高學生的預習質量。(1) 大幅度提高預習報告中歸納整理及思考的分值權重,對以抄寫實驗講義為主的預習報告則適當降低分數(shù);(2) 在實驗課前1–3天提出若干問題,要求學生將回答寫入預習報告中;(3) 課前小測,通過若干問題考查學生的預習情況;(4) 課堂提問,但由于課堂提問占據(jù)時間相對較多且效率較低,因此還需要考慮更優(yōu)的辦法來改進。
基礎學科中思維訓練的一個要求便是透過現(xiàn)象察其本質,現(xiàn)象具有多面性,但本質卻是統(tǒng)一的。在以“量”為基本要求的定量分析化學實驗中亦然。以對“經典滴定與電位滴定”實驗中滴定突躍的理解為例,在經典滴定部分,其本質在于溶液pH變化的連續(xù)性以及實驗中能引起pH“急劇”變化的量可以體現(xiàn)在一滴、半滴甚至更少的溶液體積中,如此便很容易理解酸堿濃度、體積等對于突躍的影響。而在電位滴定部分,其本質在于玻璃膜電極表面的硅酸鹽網(wǎng)絡對氫離子的特異性響應而導致的電位變化,而深究這種響應則可以引發(fā)對于離子選擇性電極的思考(如pH計的工作原理和適用性);關注氫離子擴散-吸附平衡則有助于快速理解攪拌、讀數(shù)等操作的注意事項,理解建立在電化學勢平衡基礎之上的膜電位分析則可以很快獲得電位–pH響應關系。在教學過程中,部分學生對于滴定過程中電位–氫離子活度變化理解不夠,從而容易出現(xiàn)無法判斷異常值、滴定過度等情況,其根本在于對基本原理理解得不夠深入。
現(xiàn)象易得而本質難察,這也是很基本的道理。如何在實驗過程中教會學生深入理解是授課者值得思考的問題,畢竟實驗教學很重要的一個目的就是加深對知識的理解?!八菰础焙蜌w納是兩個主要途徑。仍以電位滴定為例,觀察到的現(xiàn)象是pH計上電位的變化,而電位的變化在于電路輸出中兩電極的變化,建立在內參比電極電勢穩(wěn)定的認知上,很容易想到是玻璃膜上電位的變化導致的結果,進一步溯源則可以建立氫離子活度與電位變化之間的關系……當溯源至硅酸鹽網(wǎng)絡對于氫離子特異性響應時便足以理解涉及到電位滴定理論與實驗中幾乎所有的問題。當然,“溯源”和歸納要建立在足夠的背景知識以及正確的思考方式基礎上,這就需要學生具備相應的知識與能力。
定量分析化學實驗以“準確的量”為目標,在追求“準確的量”的過程中如何在每一步實驗操作中做到“有度”也是實驗教學的一個重點。
對“準確的量”的追求常常使得許多學生在實驗操作中因擔心產生誤差而在每個步驟都謹小慎微,結果往往是適得其反:其一是降低了工作效率,浪費了時間;其二是很難在較長時間內保持注意力集中,因此合理調配注意力顯得更為重要;其三是不利于實驗過程中的及時思考。定量分析化學實驗中如何合理地、選擇性地把握重點來進行精細化操作關系到實驗的質量。實驗過程中,做到“有度”至少應該做到三點:其一,關鍵步驟細節(jié)不可忽視(表1列出了一些常見的細節(jié)性錯誤),如在電位滴定過程中將靠在燒杯內壁上的溶液清洗下去,這一步操作盡管難度不大,但關系到實驗的成??;其二,“有度”,合理地進行關鍵操作的細節(jié)處理而非追求所謂的“極致”,例如在電位滴定實驗中部分學生以“獲得更準確的實驗結果”為由在距離滴定終點幾毫升便開始逐滴加入,其最終的結果是不僅難以獲得更佳的實驗結果,而且極大地降低了實驗效率。也有部分學生配制標準溶液時為了減少燒杯中溶液的殘留而過分洗滌燒杯;其三,“粗細有度”,并非所有操作都需要追求“細節(jié)”,如在配制草酸標準溶液的操作中,雖然在給定的實驗方案中粗稱的質量為1.58 g,但過分追求1.58 g顯得毫無必要,稱量質量在1.58的±10%之內即可。
表1 實驗中常見細節(jié)性錯誤(共性錯誤只列一次)
從授課者的角度來說,可從以下四個方面入手,讓學生意識到這些問題關系到實驗的質量。其一,化被動為主動,讓學生自己去思考哪些細節(jié)需要重點把握,而非直接進行講解傳授,如在講解鄰二氮菲法測量碳酸鋰樣品中微量鐵含量時,可通過提問(如“哪些因素會影響到實驗結果的準確性”,進而提出“哪些操作會決定這些因素”)讓學生意識到重點;其二,樹立量和誤差的概念,有實驗的地方就有誤差,在誤差允許范圍內的實驗結果都是可以接受的,過度追求“極致的準確”并不可??;其三,把握好實驗進程,這其中則需要耐心與細心,對于學生過度追求準確的行為應該及時指出,同時在教授其不可行之時更應該強調為何不可行;其四是及時做好反饋,根據(jù)實驗結果引導學生進行反思。
“細節(jié)決定成敗”固然有理,但其必須建立在方向正確的基礎之上,如果方向出現(xiàn)錯誤,過度的處理細節(jié)也無濟于事。
僅僅通過記憶去記住繁瑣復雜的實驗操作對于初學者而言并非易事,因此實驗習慣的培養(yǎng)就顯得尤為重要,如果能夠將實驗操作內化于心,那么就很容易將龐大的實驗內容構建出一張清晰的網(wǎng)絡[4]。
吸收知識的初步階段在于記憶和理解,當逐步深化、歸納后,良好的操作習慣和思維習慣也就會逐漸形成。實驗教學中一個經常遇到但又不可回避的問題是,在教師傳授過要點后學生自行操作往往出現(xiàn)遺忘以及錯誤操作等,對初學者尤其明顯。這很大程度上是由于初學者難以接受繁瑣的實驗要點,而相關理論知識的缺乏使得其又面臨分身乏術的困境,最終的結果就是錯誤操作。如筆者在講授草酸標準溶液配制時,在強調溶液搖勻的前提下依然會有少數(shù)學生實驗過程中出現(xiàn)未充分搖勻的情況。習慣成自然——這也是保持記憶的常用方法。
對于授課者而言,至少需要做到以下四點:其一,實驗演示必須有序且合理。實驗演示對于學生而言是一個很重要的學習途徑,如果教學者在實驗演示部分操作凌亂,很容易使得原本容易為學生接受的內容變得復雜;其二,思考。引導學生去思考操作是否正確而非簡單地告訴其操作流程。如移液管或滴定管的潤洗操作,由于移液管移取溶液自下至上,因此潤洗時只需要將最后的溶液從下口放掉,而滴定管則不同,外加溶液時從上往下加入,因此潤洗時部分溶液需要沿上口潤洗放出。分析道理固然簡單,但是卻可以引導學生思考實驗中的操作原理;其三,歸納。良好的知識整理和歸納有利于教學的有序進行,通過構造簡易的“口訣”等可以將復雜的實驗步驟簡單化,如重量分析法中“稀、酸、熱、慢、攪、陳”很輕易地將沉淀分析中幾個關鍵點銜接了起來;其四,實驗過程中的監(jiān)督與提醒,及時地糾正錯誤遠比“扣分”等更有助于幫助學生培養(yǎng)良好的習慣。圖2顯示的是“光度法”和“經典滴定與電位滴定”實驗中學生實驗結果與操作之間的相關性(62份樣本)。
圖2 實驗結果與操作之間的相關性
培養(yǎng)良好的實驗習慣同樣不能忽略對細節(jié)的要求,即使其未必會影響實驗結果。除了如實記錄實驗中的數(shù)據(jù)外,影響實驗結果的數(shù)據(jù)同樣應該記錄,如以pH計測量pH以及以光度計測量吸光度的實驗中,盡管溫度這個量不會直接參與到最終的結果計算中,但實際上溫度對于實驗結果同樣會產生一定的影響,因此應該如實記錄實驗條件下的溫度。養(yǎng)成良好的實驗習慣有利于誤差的分析、數(shù)據(jù)的總結以及結論的判斷。同樣地,綠色化學、環(huán)境保護、合作共贏等同時也應該滲透到實驗教學中的各個方面。
良好習慣的培養(yǎng)是一個相對漫長的過程,但并非遙不可及,畢竟對于定量分析實驗而言,許多操作背后的道理都極其相似,舉一反三,不斷強調、深化,形成一個良好的實驗習慣也就水到渠成。
實驗教學中的合作主要體現(xiàn)在小組實驗中,為保證實驗教學的質量與效率,小組實驗人數(shù)需要控制在合理范圍內。例如“光度法”實驗,按照正常的操作進行(不出現(xiàn)較大失誤),兩人一組基本能夠順利、高質量完成實驗。但實驗結果的質量很大程度上取決于工作分配的合理與否。筆者發(fā)現(xiàn)大部分學生合作基本能夠做到有序進行,而對于知識、能力相差較大的一組學生而言,往往會出現(xiàn)并不太“和諧”的一面,如能力更強的學生可能會承擔相對更多的實驗任務,一些優(yōu)秀的學生甚至會覺得自己被“拖累”等。
良好的合作關系是高質量完成工作的基本保障,實驗教學中強調個人能力的提升,但同時也需要訓練團隊工作能力。筆者認為小組實驗教學的主要任務在于構建良好的合作關系,根據(jù)各自長處合理進行相關的工作,勠力同心,教師更多承擔的應該是引導作用。
幾乎所有的實驗操作都可追溯至基本實驗操作,訓練基本操作也自然成為了基礎實驗教學中的一大任務。定量分析化學實驗涉及到的主要是“量”的概念,由此延伸出了一系列對于實驗操作的基本要求。實驗內容不計其數(shù),基本實驗操作卻屈指可數(shù),對基本實驗操作、實驗內容、分析方法進行歸納與比較往往可以獲得事半功倍的效果。如幾乎所有實驗都涉及到了“量”,不同物質在分析方法的選擇上不盡相同,如常量的鋇離子可采用重量分析法進行分析,而常量的鐵則可以絡合滴定法進行分析;當然,不同量的相同物質在分析方法的選擇上也有所差異,如常量鐵和微量鐵的分析方法就有很大不同。
及時歸納與總結有助于更全面、深刻地把握實驗要點和知識點。在實驗教學中,幫助學生養(yǎng)成歸納與比較的習慣將更有利于其在繁瑣復雜的實驗內容和操作中明晰原理、熟悉操作等內容。
教學從來都不是一個單向的行為,教學相長,作為一個相互學習的平臺,學生的反饋同樣重要。
自然科學往往更強調邏輯性,傳授知識應該更加注重推理與邏輯,定量分析化學實驗也不例外。實驗教學同樣應該建立在邏輯的基礎之上,而非一味地去告訴學生如何去做,更多的應該是去告訴他們原理以及思考的方向。作為學生,在接受知識與經驗的同時也是思考的過程,許多學生的創(chuàng)造性思維同樣是實驗中不可缺少的部分。作為教師,應該對這些進行分析判斷,對于合理的提議應當接納、總結與傳承。筆者在講授“鄰二氮菲分光光度法測定微量鐵含量”時,其中一個實驗內容是繪制吸光度–波長曲線,講解過程中很自然地強調注意加入試劑的順序,但也有兩組學生提出想嘗試一下未按照指定順序加入試劑的結果;再如在探究pH對鄰二氮菲-鐵絡合物穩(wěn)定性的影響時,盡管實驗是通過滴定管滴加NaOH,但事實上絕大部分學生都沒有獲得pH在8–11之間的梯度,他們忽略了這個實驗細節(jié),僅有極少數(shù)同學通過分析發(fā)現(xiàn)其實這一段pH恰好處在滴定突躍的變化范圍內,顯然要獲得突變范圍內的pH是相對困難的。
教學中會遇到很多意料之外的事情,許多未被思考的問題可能會被學生進一步提出(表2),而如何去反思、總結甚至接納這些問題值得每一個授課者去思考。
表2 實驗中學生常提出的問題
相對于具備完善實驗教案的模擬樣品而言,實際樣品的分析中前處理和數(shù)據(jù)分析往往更加復雜。以“工業(yè)碳酸鋰中微量鐵的測定”為例,給定的方案是通過光度法進行測定,但在缺乏相關含量、組分信息的前提下,實驗的設計可能需要考慮到實驗方案的選擇、干擾物質的排除、樣品的前處理等過程。再以“未知酸分子量的測定”為例,實際體系中涉及到的未知酸可能會涉及到是否為一元酸或二元酸、能否分步滴定甚至能否滴定等一系列問題,更加具有挑戰(zhàn)性。
與物理化學實驗、有機化學實驗不同的是,定量分析化學實驗可以更加貼近生活。選擇定量分析化學實驗時可以引入實際樣品分析,組分不必復雜,但應該涉及到定量分析化學實驗中從樣品采集、前處理到質量控制的一整套定量分析過程。由此可以加深學生對于分析方法建立、樣品前處理等基本流程的熟悉與理解,進而加強學生解決實際問題的能力。
學生與教師之間的關系不應該是孤立的,良好的教學質量應該建立在學生與教師積極的交流關系上。課堂是學生和助教共同的課堂,在實驗教學中,助教應該加強實驗課堂的巡視和指導,及時糾正學生實驗過程中的不規(guī)范操作,避免學生二次犯錯。做好實驗課程的反饋,通過電子問卷等途徑及時獲取學生對于實驗課程的意見與反饋并且及時進行討論和評估,進一步完善學生-助教之間的溝通渠道,也有利于使助教明確學生的需求,針對性給予一定的指導。對助教的評估也有助于及時裨補缺漏,提升教學能力。
從課堂上反饋來看,很大一部分學生希望課后能有一些積極的交流或討論,部分學生能夠積極參與到課堂討論中,并提出了關于實驗內容的一些想法和見解。學生能夠積極思考是良好教學的一種體現(xiàn),若助教能夠積極去引導和解答,必然會給學生帶來更加積極的影響。通過反饋、評估與交流,學生、助教及主講教師將由以往的梯次關系轉變?yōu)榉e極的交流互動關系(圖3)。
圖3 積極轉變學生、助教和教師三者之間的關系
當前實驗教學中普遍通行的實施辦法是在固定的時間和地點安排一定的教學任務,教師與學生各自完成教與學的任務即意味此次實驗課的結束。這種模式基本能夠滿足絕大部分學生的需求,但少數(shù)學生可能會表現(xiàn)出更強的求知欲。有些學生對實驗中的某部分內容較感興趣,希望進一步探究。如光度法實驗中,部分學生對“加入試劑的順序對吸光度的影響”較感興趣;在進行未知酸分子量的測定實驗中,部分學生希望通過更多的數(shù)據(jù)來對比經典滴定與電位滴定,甚至有學生希望利用分析方法來確定未知酸的分子結構……但以上思考很多都因課堂學時所限而未能系統(tǒng)性地完成;部分學生更是希望課后能夠進一步鍛煉實驗操作技能。
實驗課的教學應以提高學生的知識能力等為主要目標,在統(tǒng)籌好時間、地點等前提下,可為學生提供必要的實驗藥品及場地,滿足學生的實驗需求,從而為學生知識、能力、創(chuàng)造力的提升提供良好的平臺[5,6]。
“工欲善其事,必先利其器”,助教在實驗教學中承擔了相當重要的一部分工作,作為介于教師-學生之間的身份角色,助教在與學生交流溝通方面具備一定的優(yōu)勢,但是由于知識經驗等方面的不足和缺乏,助教也面臨著一定的挑戰(zhàn)。欲提高教學質量,助教相關能力的提高勢在必行。
助教培訓是助教從學生走向教師一個很重要的階段,合理構建實驗教學體系、進一步規(guī)范化實驗操作、盡心指導學生實驗、公平評價學生等都是助教培訓中很重要的過程,不可僅局限在實驗操作的規(guī)范化上。要把握好從理論講解到實驗評分的每一個環(huán)節(jié),建立起規(guī)范嚴格的助教培訓體系。
安排助教研討時間,針對同一實驗教學,助教間應該加強溝通,及時了解其他實驗室學生的教學情況,以此避免信息不對稱,增強對學生知識能力掌握程度的了解。
增加學生與教師的研討時間,筆者在參與的幾個實驗中,均有學生提出自己的思考,這是一個良好的開始,筆者認為可以合理安排研討時間,進一步加強實驗教學效果。
實驗設計通常由教師主導,因此學生的主觀能動性有限,而定量分析化學實驗與生活聯(lián)系緊密,若由學生自行提出實驗方案,經過與教師進行討論后再擬定,不僅可以增強學生的思考能力,而且能夠提高學生的主觀能動性,由此極大增強了其分析實際樣品的能力。當然也需要建立一定的激勵機制來確保設計實驗的質量。盡管該方案的實施對于大一學生來說具有一定的難度,但是并非不切實際。
定量分析化學實驗教學及改革是一個復雜的工程。目前的實驗教學正在向立足基礎教學、聯(lián)系生活實際、走向生產前沿的方向發(fā)展,因此對于學生和教師的要求也越來越高,綜合化、網(wǎng)絡化、立體化的實驗教學方案已經逐漸成熟,教學質量的優(yōu)化也意味著教師與學生需要投入更多的時間去思考教與學,筆者僅從參與的實驗教學出發(fā),立足于一個青年助教的視野,以教與學過程中的一些思考與經歷提出一些想法與建議。