逆向思維在污水中總磷含量測(cè)定實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

文/龍威

逆向思維在高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)中具備較大的優(yōu)勢(shì)// 本文借助污水中總磷含量測(cè)定實(shí)驗(yàn)教學(xué)為例，詮釋了逆向思維實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的實(shí)施。它大大促進(jìn)了學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情，較好地鍛煉了學(xué)生主動(dòng)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。針對(duì)國(guó)內(nèi)高等教育的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，探明和開(kāi)拓了新的發(fā)展思路。

高等教育的高速發(fā)展，越來(lái)越要求培養(yǎng)人才需更重視核心專(zhuān)業(yè)技能的培養(yǎng)，突出學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力與創(chuàng)新能力，已更好地鍛煉學(xué)生適應(yīng)社會(huì)工作的需要。當(dāng)今時(shí)代，應(yīng)用化學(xué)、化學(xué)工程與工藝、工業(yè)分析、材料控制工程等專(zhuān)業(yè)的本科生在社會(huì)就業(yè)市場(chǎng)上仍有很大的缺口，大量的以生產(chǎn)和檢測(cè)為主體的國(guó)有企業(yè)、民營(yíng)企業(yè)、外資企業(yè)等，需要大量具備較高實(shí)驗(yàn)技能的本科人才，這與高等教育中的實(shí)驗(yàn)教學(xué)息息相關(guān)。

以往的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，已經(jīng)突顯了“照本宣科”的弊病，若本科學(xué)生拿到了實(shí)驗(yàn)教材或講義，只照搬實(shí)驗(yàn)教程上的相關(guān)要求和步驟去實(shí)施，極大地削弱了本科學(xué)生自己發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題等積極性，常規(guī)性地照搬教材上知識(shí)或步驟，不利于學(xué)生的核心實(shí)驗(yàn)技能的高效培養(yǎng)與鍛煉。

污水中總磷含量的測(cè)定是一項(xiàng)綜合性的實(shí)驗(yàn)，考查了學(xué)生對(duì)磷元素測(cè)定的認(rèn)識(shí)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法掌握磷鉬藍(lán)分光光度法的運(yùn)用，通過(guò)復(fù)雜的多步反應(yīng)，將含磷元素的物質(zhì)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，有效地鍛煉了學(xué)生的實(shí)際問(wèn)題分析能力。通過(guò)學(xué)生自主完成實(shí)驗(yàn)、數(shù)據(jù)分析、優(yōu)化參數(shù)等掌握污水中磷元素的測(cè)定方法，在工業(yè)分析或環(huán)境水質(zhì)監(jiān)測(cè)中具有較廣泛的用途，在化工、化學(xué)、材料、環(huán)境等專(zhuān)業(yè)的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中具有重要地位。本文擬將逆向思維法灌入污水中總磷含量的測(cè)定的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，通過(guò)逆向思維引導(dǎo)學(xué)生自主發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、提出方案、解決問(wèn)題等能力，實(shí)現(xiàn)了高等教育實(shí)驗(yàn)教學(xué)的創(chuàng)新與改革，有利于學(xué)生專(zhuān)業(yè)技能的培養(yǎng)。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的設(shè)計(jì)對(duì)比

污水中總磷含量的測(cè)定實(shí)驗(yàn)的常規(guī)教學(xué)法為實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)→實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備→實(shí)驗(yàn)講解→實(shí)驗(yàn)開(kāi)展→實(shí)驗(yàn)報(bào)告，大多數(shù)學(xué)生對(duì)磷鉬藍(lán)分光光度法十分陌生。由于磷元素的氧化數(shù)很多，對(duì)不同形態(tài)的含磷物質(zhì)進(jìn)行預(yù)處理和稀釋?zhuān)渲茦?biāo)液及掌握磷鉬藍(lán)分光光度法的原理，需要消耗很多時(shí)間，理論上理解十分抽象。實(shí)驗(yàn)中試液和采樣的配制環(huán)節(jié)多，二氯化錫(SnCl2)、抗壞血酸(C6H8O6)、鉬酸銨((NH4)6Mo7O24)、酒石酸銻鉀(KSbC4H4O7)、磷酸二氫鉀(KH2PO4)等試劑是很多學(xué)生首次接觸，實(shí)驗(yàn)過(guò)程的理解與推進(jìn)比較棘手，也成為本實(shí)驗(yàn)開(kāi)展較難的主要原因。逆向思維法則能很好地解釋本實(shí)驗(yàn)過(guò)程，總磷的含量→吸光度檢測(cè)→標(biāo)準(zhǔn)吸光度曲線的制作→標(biāo)準(zhǔn)液配制→實(shí)驗(yàn)原理，我們將傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)與逆向思維教學(xué)法的環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)教學(xué)模式與逆向思維教學(xué)模式構(gòu)成

在傳統(tǒng)教學(xué)模式中，教師完成了實(shí)驗(yàn)講解→實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備→實(shí)驗(yàn)督查等主要任務(wù)，學(xué)生是被動(dòng)受到灌輸式教育，主要精力集中在實(shí)驗(yàn)過(guò)程及實(shí)驗(yàn)報(bào)告上，由于實(shí)驗(yàn)的時(shí)間有限，很多學(xué)生就直接照搬實(shí)驗(yàn)教材或講義上的內(nèi)容進(jìn)行盲目套用，學(xué)生的自主探究能力沒(méi)有得到有效的開(kāi)發(fā)。相反來(lái)說(shuō)，在逆向思維教學(xué)模式中，教師的工作量得到分散和減輕，提出污水中含磷總量的測(cè)定問(wèn)題，由學(xué)生去尋找如何利用朗伯-比爾定律的線性關(guān)系，然后進(jìn)行磷鉬藍(lán)分光光度法的探索，從而很順利地理解試液配置的方法、吸光度曲線的繪制等，從而明白了為何需要使用鉬酸銨與酒石酸銻鉀，進(jìn)一步滲透了實(shí)驗(yàn)原理，從根本上解決試劑繁多如何應(yīng)用的理解盲點(diǎn)，疏通了實(shí)驗(yàn)思路，有利于學(xué)生自主探究能力與創(chuàng)新能力的發(fā)揮。

逆向思維實(shí)驗(yàn)教學(xué)法實(shí)施

逆向思維實(shí)驗(yàn)教學(xué)法并不是一味的讓學(xué)生獨(dú)立自主探究，而是在有科學(xué)指導(dǎo)的情況下進(jìn)行分步引導(dǎo)。環(huán)境水體中N、P等元素的超標(biāo)，會(huì)造成水藻瘋狂生長(zhǎng)，產(chǎn)生水華等嚴(yán)重污染。當(dāng)今科技的發(fā)展，力求在洗滌劑、洗衣粉等化學(xué)試劑中盡量減少或者不用含磷的化學(xué)品，磷元素的含量測(cè)定就成為當(dāng)今水質(zhì)監(jiān)測(cè)的重要內(nèi)容。為了實(shí)驗(yàn)的順利開(kāi)展，學(xué)生應(yīng)該在老師的指導(dǎo)下進(jìn)行討論和分析，從而進(jìn)行有效的實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)，其展開(kāi)環(huán)節(jié)如圖2所示。

圖2 逆向思維的實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備環(huán)節(jié)

污水中總磷含量的測(cè)定實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)原理較為復(fù)雜，但如果使用逆向思維法在掌握實(shí)驗(yàn)原理主線的基礎(chǔ)上，很容易順著探索思維找到各個(gè)關(guān)鍵的實(shí)驗(yàn)原理，明白實(shí)驗(yàn)中二氯化錫和鉬酸銨的作用，其基本原理深入人心，配置標(biāo)液的方法和步驟也會(huì)更加精準(zhǔn)。

實(shí)驗(yàn)中抗壞血酸和SnCl2的作用一樣，但是作為還原劑，抗壞血酸容易被氧化成大量CO2溶于溶液中，不僅微弱地改變了溶液的酸性，對(duì)吸光度的測(cè)定也產(chǎn)生了干擾。由于溶液始終保持著酸性，Sn4+與Sn2+均不易發(fā)生水解，影響很小。磷鉬藍(lán)分光光度法的核心是檢測(cè)吸光度，根據(jù)逆向思維法很容易找出能影響吸光度大小的是溶液中MoO3的含量。從而推出了如下疑問(wèn)：

1.污水采樣如何保存？

2.試液制備為何要煮沸？

3.鉬酸鹽-硫酸溶液如何配制？

4.產(chǎn)生測(cè)量誤差的因素有哪些？如何糾正？

學(xué)生帶著這些問(wèn)題的答案再撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)報(bào)告，能較好地理解實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，掌握該做什么？出現(xiàn)了誤差的原因是什么？如何糾正或校準(zhǔn)？選擇標(biāo)準(zhǔn)吸光度曲線的正確實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示，線性相關(guān)度高達(dá)0.9998。

圖3 吸光度與濃度的線性關(guān)系

逆向思維能有效地讓學(xué)生領(lǐng)悟如果要明確污水中總磷含量，必須找到良好的線性關(guān)系，這也是檢測(cè)方法上的科學(xué)可行與合理性判斷依據(jù)。通過(guò)污水中試樣的磷鉬藍(lán)分光吸光度數(shù)值，可以推導(dǎo)出污水中總磷含7.0~12.0 mg/L，符合工業(yè)污水中含磷的標(biāo)準(zhǔn)含量。

逆向思維實(shí)驗(yàn)教學(xué)法效果分析

與傳統(tǒng)教學(xué)法相比，逆向思維法讓學(xué)生更容易接受，同時(shí)也帶給教師不一樣的教學(xué)啟迪。逆向思維法要求教師的教學(xué)方式進(jìn)行全面的改革，突破傳統(tǒng)的課堂講授，照本宣科的教學(xué)理念，融入師生共同探討，相互溝通與分析，體會(huì)共同探究與發(fā)現(xiàn)的實(shí)踐過(guò)程，對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)信心和熱情有極大的鼓舞，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)成績(jī)也有了相應(yīng)明顯的提高，學(xué)生成績(jī)具體比例數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖4 傳統(tǒng)教學(xué)法和逆向教學(xué)法的學(xué)生成績(jī)比例構(gòu)成

非常明顯地，傳統(tǒng)教學(xué)法的學(xué)生成績(jī)比例中，90分及以上成績(jī)的學(xué)生人數(shù)僅占有5%，絕大多數(shù)學(xué)生的成績(jī)集中在70~79分段，不及格成績(jī)的學(xué)生人數(shù)占有2%；逆向思維法實(shí)施后，學(xué)生成績(jī)比例發(fā)生了明顯改變，90分及以上成績(jī)的學(xué)生人數(shù)提升至19%，絕大多數(shù)學(xué)生的成績(jī)集中在80~89分段(占總?cè)藬?shù)的38%)，且成績(jī)?cè)?0~79、60~69分段的學(xué)生人數(shù)比例分別降低了15%和12%，不及格成績(jī)的學(xué)生人數(shù)降低為0。這充分說(shuō)明了實(shí)施逆向思維教學(xué)后，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣大大增強(qiáng)了，學(xué)習(xí)動(dòng)力得到了發(fā)揮，實(shí)驗(yàn)也更加認(rèn)真和努力了。我們并不需要局限于讓學(xué)生按照教材或?qū)嶒?yàn)講義的照搬式實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的本應(yīng)盡量發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性與創(chuàng)新精神，注重學(xué)生自身的潛能發(fā)揮，往往能起到更好的教學(xué)效果。

逆向思維實(shí)驗(yàn)教學(xué)法優(yōu)勢(shì)與不足分析

逆向思維實(shí)驗(yàn)教學(xué)法相對(duì)常規(guī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)法，其最大特點(diǎn)是把問(wèn)題推給學(xué)生進(jìn)行思考與鼓勵(lì)，徹底釋放了學(xué)生的被動(dòng)灌輸知識(shí)的壓力，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)知識(shí)的源動(dòng)力，讓學(xué)生的主觀能動(dòng)性得到最大限度的發(fā)揮。逆向思維實(shí)驗(yàn)教學(xué)法也不是萬(wàn)能的，其開(kāi)展和實(shí)施具有一些不足，現(xiàn)將優(yōu)勢(shì)和不足的若干方面列于如下的表1中。

表 逆向思維實(shí)驗(yàn)教學(xué)法的優(yōu)勢(shì)和不足對(duì)比

截止到目前，逆向思維教學(xué)法大規(guī)模地在全國(guó)高校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)上進(jìn)行推廣，還具有一定的困難。這是因?yàn)椴⒉皇撬袑?shí)驗(yàn)教學(xué)都適合逆向思維教學(xué)法，理論性十分突出的實(shí)驗(yàn)可能在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)法仍體現(xiàn)出較大的優(yōu)勢(shì)，且在完成教學(xué)任務(wù)上具有很方便的操作性。許多高校為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開(kāi)展，考慮了實(shí)驗(yàn)品消耗的成本、課時(shí)課酬的支付成本、教學(xué)時(shí)長(zhǎng)的有效把控等方面，有非常嚴(yán)格規(guī)范的限制，導(dǎo)致逆向思維教學(xué)法只能在部分專(zhuān)業(yè)局部進(jìn)行。其次，逆向思維教學(xué)法給學(xué)生實(shí)驗(yàn)的主觀能動(dòng)性發(fā)揮帶來(lái)便利的同時(shí)，需要教師有更高的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控能力、豐富的現(xiàn)場(chǎng)靈活教學(xué)指導(dǎo)能力。學(xué)生的實(shí)驗(yàn)報(bào)告撰寫(xiě)可能產(chǎn)生更多的探究性結(jié)果，答案的不一致給課程考核帶來(lái)更多的壓力，也為逆向思維教學(xué)法的拓展與推行造成了阻礙。

結(jié)論

污水中總磷含量的測(cè)定實(shí)驗(yàn)利用逆向思維教學(xué)法進(jìn)行開(kāi)展后，學(xué)生的主動(dòng)能動(dòng)性明顯增強(qiáng)，學(xué)習(xí)的積極性與創(chuàng)造性有了很大程度的提升，學(xué)習(xí)難度下降，學(xué)生成績(jī)大幅度提升，這充分表明逆向思維教學(xué)法非常適合專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)技能的化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。逆向思維實(shí)驗(yàn)教學(xué)法有利于課堂氣氛的培養(yǎng)，能帶動(dòng)教師進(jìn)行教學(xué)方式的改變，有利于混合式教學(xué)模式的開(kāi)展與融合，帶動(dòng)教師綜合教學(xué)能力的提高，同時(shí)，逆向思維實(shí)驗(yàn)教學(xué)法仍存在對(duì)學(xué)生管控難、耗時(shí)長(zhǎng)、成本高等不足，全面推廣還存在一些障礙?？偠灾?，逆向思維實(shí)驗(yàn)教學(xué)法，針對(duì)國(guó)內(nèi)高等教育的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，探明和開(kāi)拓了新的發(fā)展思路。