基于能力導(dǎo)向化學(xué)實(shí)驗(yàn)激發(fā)學(xué)生設(shè)計(jì)與創(chuàng)新思維

陽杰，李萌，鄧崇海，胡坤宏，董強(qiáng)，尹奇異

（合肥學(xué)院能源材料與化工學(xué)院，安徽 合肥 230601）

化學(xué)實(shí)驗(yàn)是工科化工、材料、機(jī)械、環(huán)境類等專業(yè)實(shí)踐課程的重要組成部分，基于能力導(dǎo)向的自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)利于提升工科學(xué)生專業(yè)素養(yǎng)。實(shí)驗(yàn)室“三廢”的處理和固廢資源綠色循環(huán)利用，培養(yǎng)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中遇到問題的實(shí)驗(yàn)分析和解決能力，掌握化合物制備方法、化學(xué)常用儀器的使用方法及實(shí)驗(yàn)操作技術(shù)，實(shí)驗(yàn)室安全環(huán)保意識素質(zhì)等等都是化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要探究的課題[1-3]。在化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)過程中，通過訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)與實(shí)施，有利于激發(fā)學(xué)生綜合運(yùn)用所掌握的化學(xué)、計(jì)算機(jī)等方面知識，積極思考，激發(fā)化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程實(shí)施過程的積極性和主動性，從而進(jìn)一步深化和拓展綜合化學(xué)知識，擴(kuò)展學(xué)生的創(chuàng)新思維視角，培養(yǎng)學(xué)生的嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)態(tài)度，提高學(xué)生解決實(shí)際問題的技能?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)課不僅是學(xué)生獲取知識與技能的重要途徑，更是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和思維能力的重要渠道[4-5]。本文以堿式碳酸銅的設(shè)計(jì)和制備實(shí)驗(yàn)為例，闡述實(shí)驗(yàn)教學(xué)團(tuán)隊(duì)激發(fā)學(xué)生實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)和創(chuàng)新思維能力的探索。

1 引導(dǎo)激發(fā)學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究興趣

興趣是驅(qū)動人的重要?jiǎng)幽?，通過引導(dǎo)學(xué)生查文獻(xiàn)資料掌握實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)產(chǎn)物物化性質(zhì)、結(jié)構(gòu)及獨(dú)特功效，加深學(xué)生知識記憶，提高學(xué)生探究實(shí)驗(yàn)知識的興趣。

天然孔雀石和硅孔雀石從顏色看主要呈暗綠色或淡藍(lán)綠色，常與其他含銅礦物共生，主要成分為堿式碳酸銅?？兹甘瘜W(xué)成分為Cu2（OH）2CO3，屬單斜晶系P21/a，如圖1 所示。晶體形態(tài)常呈柱狀或針狀，十分稀少，通常呈隱晶鐘乳狀、塊狀、皮殼狀、結(jié)核狀和纖維狀集合體。如果用其他二價(jià)陽離子如Mg、Zn、Fe、Cu或Ni取代Cu2+是可能的，并轉(zhuǎn)化生成與孔雀石相同的環(huán)境中的不同晶體類型P21/b11結(jié)構(gòu)。古埃及人曾經(jīng)將孔雀石尊稱為“神石”，并認(rèn)為它具有驅(qū)除邪惡的作用，所以將其作為護(hù)身符；在德國，人們認(rèn)為佩戴孔雀石可以避免死亡的威脅，從根本上說也是護(hù)身符的作用[6]。

圖1 堿式碳酸銅粉末及結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Basic copper carbonate powder and structure

通過引導(dǎo)學(xué)生掌握實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)產(chǎn)物獨(dú)特功效和應(yīng)用，有利于學(xué)生立足于新工科建設(shè)理念與實(shí)踐的前期探索，強(qiáng)化對自然界的熱愛和學(xué)習(xí)無機(jī)化學(xué)、晶體結(jié)構(gòu)和礦物實(shí)驗(yàn)合成的神奇和自豪感，了解其廣泛應(yīng)用的領(lǐng)域。堿式碳酸銅即孔雀石主要的功效和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用如表1。

表1 Cu2（OH）2CO3的應(yīng)用Tab.1 Application of Cu2（OH）2CO3

2 激發(fā)學(xué)生實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)思維

根據(jù)學(xué)生的專業(yè)特點(diǎn)和教學(xué)大綱要求，實(shí)驗(yàn)課程中讓學(xué)生查閱資料了解堿式碳酸銅的制備原理和方法，通過查閱資料合理解釋思考題，并給出堿式碳酸銅的制備原理和方法。引導(dǎo)學(xué)生思考：哪些銅鹽適合于制取堿式碳酸銅？初步掌握堿式碳酸銅制備的最佳反應(yīng)條件的實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)；如何確定實(shí)驗(yàn)條件，嘗試用已經(jīng)獲得的知識和技術(shù)解決實(shí)際問題。關(guān)于可溶性銅鹽和化合物的選擇，比較常見的有硫酸銅、硝酸銅、氯化銅、乙酸銅，可以引導(dǎo)學(xué)生思考，選擇每種原料的設(shè)計(jì)緣由，比如從陰離子硫酸根離子考慮，在使用硫酸銅制備目標(biāo)產(chǎn)物時(shí)，硫酸根離子體積較大，形成沉淀時(shí)，易形成包合物，導(dǎo)致產(chǎn)物不純；而使用乙酸銅時(shí)，價(jià)格相對較高；使用硝酸銅時(shí)，可能形成較多的硝酸鈉，屬于易制爆危化品，實(shí)驗(yàn)存在安全隱患。學(xué)生經(jīng)過系列的創(chuàng)新型思維思考后，大大提升了理工科專業(yè)的知識和視野，也激發(fā)了學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案的欲望[7-8]。

3 產(chǎn)品表征測試激發(fā)創(chuàng)新思維

創(chuàng)設(shè)實(shí)驗(yàn)思維情景，培養(yǎng)獨(dú)立分析、解決問題以及實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新思維的能力，以達(dá)到實(shí)驗(yàn)的教學(xué)目標(biāo)和要求[9]。

引導(dǎo)學(xué)生思考：堿式碳酸銅的反應(yīng)物配比、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間，pH等參數(shù)條件不同得到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和產(chǎn)品的差別是否影響堿式碳酸銅的晶體結(jié)構(gòu)？通過何種手段表征檢測？它與標(biāo)準(zhǔn)的孔雀石晶體結(jié)構(gòu)是否有差異？

通過對學(xué)生合成的堿式碳酸銅產(chǎn)品與孔雀石標(biāo)準(zhǔn)的X射線衍射圖（圖2）進(jìn)行對比，可以發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)衍射峰的位置大致相同，衍射峰（020）（120）（220）（20-1）（021）（21-1）（240）（250）和強(qiáng)度均與單斜晶系孔雀石標(biāo)準(zhǔn)譜圖（JCPDS card 41-1390）一致，未見氧化銅、堿式硝酸銅及其他雜質(zhì)衍射峰。由此可見，學(xué)生合成的堿式碳酸銅產(chǎn)品是合格的，此外XRD圖譜的各衍射峰均尖銳，說明堿式碳酸銅粉體顆粒細(xì)小。經(jīng)過表征測試和引導(dǎo)思考后，充分激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新思維的欲望，使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)操作和分析實(shí)驗(yàn)問題的過程中，獲得廣闊的思維空間，系統(tǒng)培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維的嚴(yán)謹(jǐn)性。

圖2 堿式碳酸銅及孔雀石標(biāo)準(zhǔn)XRD譜圖Fig.2 Standard XRD spectrum of basic copper carbonate and malachite

對學(xué)生實(shí)驗(yàn)合成的堿式碳酸銅產(chǎn)品進(jìn)行紅外光譜FT-IR 測試（見圖3）發(fā)現(xiàn)：590 cm-1、1047 cm-1、1192 cm-1是Cu-O 的伸縮振動吸收峰，3398 cm-1、2894 cm-1為羥基（-OH）的伸縮振動峰，873 cm-1是（-OH）彎曲振動吸收峰，760 cm-1、793 cm-1是O-C-O的彎曲振動吸收峰，1508 cm-1、1396 cm-1為O-C-O 的伸縮振動吸收峰，這些都屬于堿式碳酸銅的特征吸收峰，進(jìn)一步說明反應(yīng)產(chǎn)物為堿式碳酸銅，更加證實(shí)了學(xué)生合成的堿式碳酸銅產(chǎn)品是合格的，因而提升了學(xué)生的紅外FT-IR表征測試和數(shù)據(jù)解析能力，拓寬了思維空間。

圖3 堿式碳酸銅紅外譜圖Fig.3 Infrared spectrum of basic copper carbonate

通過對學(xué)生制備的納米堿式碳酸銅產(chǎn)品進(jìn)行SEM測試（見圖4）發(fā)現(xiàn)，其外形近似花蕊管狀，樣品尺寸為50～100 nm，管長約1～2 μm，少量大尺寸球形樣品是由于局部溶液反應(yīng)物濃度偏高，生成的納米堿式碳酸銅小顆粒在氫鍵作用下聚集生長所致。讓學(xué)生通過掌握樣品SEM測試，優(yōu)化人才培養(yǎng)全過程，學(xué)會觀察其微觀結(jié)構(gòu)和形貌，關(guān)注人才培養(yǎng)成效和學(xué)習(xí)成果，激發(fā)學(xué)生設(shè)計(jì)合成新物質(zhì)材料思維，提高學(xué)生探索微觀世界的興趣。

圖4 納米堿式碳酸銅的SEM圖Fig.4 SEM of nano basic copper carbonate

4 課后鞏固實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和創(chuàng)新能力

隨著合肥學(xué)院各工科類專業(yè)工程教育專業(yè)認(rèn)證和新工科教育教學(xué)改革工作的深入，正全面扎實(shí)推進(jìn)培養(yǎng)綜合型人才和模塊化、雙元制教育教學(xué)改革。實(shí)驗(yàn)課程結(jié)束后，老師對開設(shè)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目是否符合專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)和本門實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)大綱要求，是否覆蓋本課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要內(nèi)容進(jìn)行進(jìn)一步的自查。學(xué)生實(shí)驗(yàn)原始記錄完整，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)真實(shí)、可信，數(shù)據(jù)處理方法正確，對實(shí)驗(yàn)結(jié)果和問題能夠進(jìn)行認(rèn)真分析；對實(shí)驗(yàn)報(bào)告批改規(guī)范、仔細(xì)無誤，批閱涂改痕跡少；每份報(bào)告有老師的評語和簽名，對優(yōu)秀或有明顯缺陷的報(bào)告有針對性地進(jìn)行自查[10]。

通過引導(dǎo)學(xué)生查找目標(biāo)課題的國內(nèi)外文獻(xiàn)，提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究的興趣，激發(fā)學(xué)生化學(xué)實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)思維，獲取優(yōu)良品質(zhì)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品；再通過產(chǎn)物表征測試，激發(fā)學(xué)生化學(xué)實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新思維，實(shí)驗(yàn)課后要進(jìn)行自主學(xué)習(xí)思考，進(jìn)一步鞏固實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)和創(chuàng)新能力，使化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程目標(biāo)、課程模塊描述和內(nèi)容、教學(xué)方法、思維方法等能夠支撐相應(yīng)工科專業(yè)的畢業(yè)要求。這樣便可以全面踐行“學(xué)生中心，產(chǎn)出導(dǎo)向”“面向社會持續(xù)深化應(yīng)用創(chuàng)新型人才”的培養(yǎng)理念，進(jìn)一步完善能力導(dǎo)向新工科實(shí)踐類體系的建設(shè)和實(shí)施路徑。此外，堿式碳酸銅的制備和設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)課程里，還有很多可以挖掘的知識點(diǎn)，可以通過這些知識點(diǎn)訓(xùn)練進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)方案綜合設(shè)計(jì)和創(chuàng)新能力，例如：①除反應(yīng)物的配比和反應(yīng)溫度對本實(shí)驗(yàn)的結(jié)果有影響外，反應(yīng)物種類、反應(yīng)濃度、反應(yīng)進(jìn)行的時(shí)間等是否對產(chǎn)物的質(zhì)量、微觀形貌有影響？②自行設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)，根據(jù)產(chǎn)物中碳酸氫根、碳酸根離子的含量不同，壓制成型組裝測試電導(dǎo)率，根據(jù)電導(dǎo)率的高低差異，從而定級所制得堿式碳酸銅的品質(zhì)。