金課建設(shè)背景下無機(jī)及分析化學(xué)習(xí)題的改革與實(shí)踐*

景紅霞, 李巧玲, 武志剛, 段紅珍，焦晨旭

(中北大學(xué) 理學(xué)院化學(xué)系，山西 太原 030051)

教育部《關(guān)于一流本科課程建設(shè)的實(shí)施意見》(教高[2019]8號(hào))文件明確指出：“要加強(qiáng)研究型、項(xiàng)目式學(xué)習(xí)，豐富探究式、論文式、報(bào)告答辯式等作業(yè)評(píng)價(jià)方式，提升課程學(xué)習(xí)的深度。加強(qiáng)非標(biāo)準(zhǔn)化、綜合性等評(píng)價(jià)，提升課程學(xué)習(xí)的挑戰(zhàn)性”，對(duì)“金課”建設(shè)提出了明確的指導(dǎo)和要求?！敖鹫n”即一流課程，是高校課程未來發(fā)展的新形態(tài)，是推動(dòng)高等教育教學(xué)質(zhì)量改革，實(shí)現(xiàn)高等教育內(nèi)涵式發(fā)展的必然趨勢(shì)，一時(shí)之間成為高校教育教學(xué)改革方向[1-2]。

《無機(jī)及分析化學(xué)》是《無機(jī)化學(xué)》和《分析化學(xué)》兩門課程的有機(jī)整合，其后續(xù)課程是《有機(jī)化學(xué)》《物理化學(xué)》等相關(guān)基礎(chǔ)課及專業(yè)課。因而，無機(jī)及分析化學(xué)的“金課”，不僅要包含相關(guān)理論基礎(chǔ)知識(shí)，還要結(jié)合學(xué)科發(fā)展前沿，讓學(xué)生掌握基礎(chǔ)知識(shí)和技能，訓(xùn)練其思維能力和創(chuàng)新能力[3-4]。習(xí)題是搭建學(xué)生學(xué)習(xí)理論與聯(lián)系實(shí)際的重要橋梁，對(duì)于學(xué)生鞏固基本知識(shí)點(diǎn)，培養(yǎng)正確思維方法和靈活運(yùn)用基本知識(shí)解決實(shí)際問題的綜合能力具有重要意義[5]。本文以《無機(jī)及分析化學(xué)》課程為例，探討課程建設(shè)中的有關(guān)習(xí)題的改革，即非標(biāo)準(zhǔn)答案試題的實(shí)踐過程與教學(xué)效果。

1 《無機(jī)及分析化學(xué)》習(xí)題的改革

無機(jī)及分析化學(xué)的課后習(xí)題，大多是以鞏固章節(jié)所學(xué)知識(shí)為目的而設(shè)定的，其特點(diǎn)是條件充足，結(jié)論唯一，基本上都有標(biāo)準(zhǔn)的答案，學(xué)生只需根據(jù)某個(gè)知識(shí)點(diǎn)的內(nèi)容套用公式，即可算出答案。這種以強(qiáng)化知識(shí)和套用公式的學(xué)習(xí)，更多地是關(guān)注學(xué)生學(xué)習(xí)的結(jié)果，只能使學(xué)生積累一些基礎(chǔ)知識(shí)，卻無法培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用知識(shí)的綜合能力和自主創(chuàng)新能力。而且，這類習(xí)題難度不大，沒有挑戰(zhàn)性，學(xué)生會(huì)感到枯燥乏味，難以引起學(xué)習(xí)興趣。

開放式習(xí)題是僅給出框架性和方向性要求，不給出具體的已知條件，學(xué)生需要通過查閱資料或自己設(shè)定部分條件進(jìn)行習(xí)題的求解，因而這類習(xí)題沒有標(biāo)準(zhǔn)的解題過程和答案。

因此，針對(duì)上述問題，為了激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用知識(shí)的能力和創(chuàng)新能力，以教育部教高[2019]8號(hào)精神為指導(dǎo)思想，我們?cè)凇稛o機(jī)及分析化學(xué)》課程中增設(shè)非標(biāo)準(zhǔn)答案習(xí)題—開放式習(xí)題。首先，我們結(jié)合我校各專業(yè)需求，設(shè)計(jì)出《無機(jī)及分析化學(xué)》課程開放性習(xí)題，并制定出評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。然后，將其廣泛應(yīng)用在教學(xué)中，并將其引入到期末考試中，以達(dá)到激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生自主創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力，提高學(xué)生綜合應(yīng)用知識(shí)的能力的目的。

1.1 增設(shè)解決實(shí)際生產(chǎn)生活的開放式習(xí)題

在習(xí)題中增設(shè)能解決實(shí)際生產(chǎn)生活的開放式習(xí)題。學(xué)生在解答此類開放式習(xí)題時(shí)需要建立一個(gè)知識(shí)網(wǎng)絡(luò)并從中提取解題的關(guān)鍵點(diǎn)，而構(gòu)建知識(shí)網(wǎng)絡(luò)的過程就是梳理知識(shí)之間聯(lián)系的過程。通過完成此類開放性習(xí)題，不僅讓學(xué)生跳出“公式—計(jì)算—唯一標(biāo)準(zhǔn)答案”的傳統(tǒng)思維模式，而且使學(xué)生對(duì)無機(jī)及分析化學(xué)產(chǎn)生了濃厚的興趣，覺得這門理論課程能解決較多實(shí)際生產(chǎn)、生活問題，從而提高學(xué)生應(yīng)用知識(shí)的綜合能力。

1.2 增設(shè)充滿想象力的開放式習(xí)題

在學(xué)生能較好地解決實(shí)際生產(chǎn)生活習(xí)題的基礎(chǔ)上，增設(shè)充滿想象力的開放式習(xí)題。愛因斯坦說過：“想象力比知識(shí)更重要，因?yàn)橹R(shí)是有限的，而想象概括一切，推動(dòng)著進(jìn)步，并且是知識(shí)進(jìn)化的源泉”?？梢姡瑳]有想象就沒有創(chuàng)造，善于創(chuàng)造之人必善于想象。因此，在開放式習(xí)題的設(shè)計(jì)中加入富有想象力的元素。通過完成此類開放性習(xí)題，使學(xué)生在學(xué)習(xí)和應(yīng)用知識(shí)的過程中，更要想象、獨(dú)立思考、自由探索，從而激發(fā)學(xué)生異想天開、創(chuàng)新創(chuàng)造的能力。

1.3 建立開放性習(xí)題評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

對(duì)于《無機(jī)及分析化學(xué)》課程的非標(biāo)準(zhǔn)答案試題，我們主要從三個(gè)方面對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)：第一，學(xué)生獲取所需資料的能力；第二，學(xué)生面對(duì)生產(chǎn)生活實(shí)際問題時(shí)，能綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)去分析問題、解決問題的能力；第三，學(xué)生能充分發(fā)揮想象，從新的視覺去發(fā)現(xiàn)自然界中可利用無機(jī)及分析化學(xué)原理解決的事或物。

2 《無機(jī)及分析化學(xué)》開放性習(xí)題的設(shè)計(jì)及實(shí)踐

2.1 解決實(shí)際生產(chǎn)生活的開放性試題的設(shè)計(jì)及實(shí)踐

《無機(jī)及分析化學(xué)》課程是化工、環(huán)境等專業(yè)的理論基礎(chǔ)課，是培養(yǎng)各專業(yè)人才的理論基石。因此，本課程設(shè)計(jì)能解決實(shí)際生產(chǎn)生活的開放性試題，既能引起學(xué)生對(duì)化學(xué)相關(guān)課程的興趣，又能為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

案例1：實(shí)驗(yàn)室有一瓶含有甲酸的試液，欲測(cè)出甲酸的含量(不考慮干擾因素)。

1)請(qǐng)問可以采用哪些方法進(jìn)行測(cè)試？

2)在以上可行的方法中選擇一種方法，設(shè)計(jì)其具體實(shí)驗(yàn)方案，并寫出甲酸含量的計(jì)算公式。(如選擇滴定分析法請(qǐng)從滴定分析的可行性，反應(yīng)原理，指示劑的選擇依據(jù)等方面考慮)

這是一道綜合性較強(qiáng)的題，學(xué)生首先要考慮甲酸的性質(zhì)，甲酸既具有酸性，又具有還原性，所以如果采用化學(xué)分析法計(jì)算其含量，則可以利用酸堿滴定法或者氧化還原滴定法，然后根據(jù)滴定分析的判據(jù)以及指示劑的選擇依據(jù)，可選擇酸堿直接滴定法和氧化還原返滴定法。如果采用儀器分析法計(jì)算其含量，可以利用電勢(shì)分析法，即設(shè)計(jì)測(cè)定容易pH的工作電池，來分析甲酸含量。

案例2：實(shí)驗(yàn)室欲用Ag+/Ag和Fe3+/Fe2+兩個(gè)電對(duì)組成原電池，原電池反應(yīng)如下：

1)判斷該原電池反應(yīng)在 298 K，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下能否自發(fā)進(jìn)行？并從熱力學(xué)角度加以證明。(自行查找相關(guān)數(shù)據(jù))

2)該原電池反應(yīng)在 298 K 時(shí)進(jìn)行的程度如何？

3)如果該原電池反應(yīng)在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下能自發(fā)進(jìn)行，請(qǐng)自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)條件，使該原電池反應(yīng)能逆向自發(fā)進(jìn)行。從改變?nèi)芤簼舛?、生成沉淀或生成配合物三個(gè)角度設(shè)計(jì)，寫出具體實(shí)驗(yàn)方案，并從熱力學(xué)角度加以證明。(三個(gè)角度只需選擇其中一個(gè)角度加以設(shè)計(jì)、證明。)

這一題為原電池的設(shè)計(jì)，表面上看屬于氧化還原平衡中的內(nèi)容，但要解答此題，卻要利用熱力學(xué)知識(shí)判斷反應(yīng)方向，化學(xué)反應(yīng)限度和化學(xué)平衡移動(dòng)原理，判斷反應(yīng)進(jìn)行的程度和改變反應(yīng)方向的影響因素，而設(shè)計(jì)具體實(shí)驗(yàn)條件時(shí)就要用到酸堿平衡、沉淀平衡和配位平衡的知識(shí)。

學(xué)生通過完成此類題目，第一，可以建立根據(jù)分析對(duì)象和分析要求選擇適合的分析方法、設(shè)計(jì)相應(yīng)的測(cè)試條件，并正確處理分析結(jié)果的思維。第二，可以搭建處理常見化學(xué)反應(yīng)的思維。即，反應(yīng)能否正向自發(fā) — 如能正向自發(fā)，得出反應(yīng)的限度 如何通過改變反應(yīng)的條件，改變反應(yīng)的方向。第三，在解決以上題目遇到困難時(shí)，學(xué)生可通過查閱書、資料或者找老師答疑等方式予以解決。通過完成此類題目，使學(xué)生對(duì)本課程產(chǎn)生興趣，發(fā)現(xiàn)這門課程可以解決許多實(shí)際生產(chǎn)、生活問題。因而學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性大大提高，從被動(dòng)式學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)為主動(dòng)式學(xué)習(xí)。

2.2 具有想象力的開放性試題的設(shè)計(jì)及實(shí)踐

《無機(jī)及分析化學(xué)》課程的學(xué)習(xí)，不僅要包含相關(guān)理論基礎(chǔ)知識(shí)，結(jié)合學(xué)科發(fā)展前沿，讓學(xué)生掌握基礎(chǔ)知識(shí)和技能，還要訓(xùn)練其思維能力和創(chuàng)新能力。目前，環(huán)境污染和能源危機(jī)是當(dāng)今社會(huì)迫切需要解決的兩大基本難題。因此，本課程根據(jù)當(dāng)今社會(huì)的需求，并結(jié)合各專業(yè)設(shè)計(jì)了幾個(gè)具有想象力的開放性試題。

案例1：對(duì)于環(huán)境專業(yè)的開放性試題。隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，汽車的大量制造和使用雖然給人類生活帶來了便捷，但是汽車尾氣的大量排放卻加劇了環(huán)境污染，這樣不僅影響了國(guó)家可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，也給人類生命健康造成了巨大的威脅[6,7]。因此，請(qǐng)通過查閱文獻(xiàn)了解汽車尾氣的主要成份有哪些？選一種有害成份試圖采用化學(xué)反應(yīng)法對(duì)其進(jìn)行處理。寫出其可行的反應(yīng)方程式，并結(jié)合反應(yīng)熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)知識(shí)，判斷其反應(yīng)的可行性，影響反應(yīng)速率的因素，反應(yīng)的限度以及其影響平衡移動(dòng)的因素。

案例2：對(duì)于材料、化工專業(yè)的開放性試題。新能源技術(shù)是解決能源危機(jī)、保護(hù)自然生態(tài)的重要措施，也是滿足人類文明可持續(xù)發(fā)展的重要保障。其中，新能源材料的研發(fā)與應(yīng)用是重中之重[8]。因此，通過查閱文獻(xiàn)，選擇自己感興趣的新能源材料，自行設(shè)計(jì)其制備反應(yīng)方程式，結(jié)合反應(yīng)熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)知識(shí)，判斷其反應(yīng)的可行性，影響反應(yīng)速率的因素，反應(yīng)的限度以及其影響平衡移動(dòng)的因素。

這兩個(gè)案例都要運(yùn)用本課程所學(xué)的基本知識(shí)：根據(jù)Gibbs-Helmholtz方程判斷反應(yīng)的自發(fā)性；再利用反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)摩爾自由能變與標(biāo)準(zhǔn)平衡常數(shù)間的關(guān)系，得到其標(biāo)準(zhǔn)平衡常數(shù)，即反應(yīng)限度；并簡(jiǎn)單分析其影響平衡的因素。學(xué)生們根據(jù)所查閱的文獻(xiàn)，選擇了不同的汽車尾氣成份，例如二氧化氮、一氧化碳等；以及不同的新能源材料，例如光電池電解水制取氫氣， 化學(xué)反應(yīng)法制備氫氣等。

在以上開放性試題的評(píng)價(jià)過程中，盡管他們選擇的目標(biāo)物不同，但是只要他們能根據(jù)目標(biāo)產(chǎn)物設(shè)計(jì)出相應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)過程，即反應(yīng)方程式，并利用本課程所學(xué)知識(shí)點(diǎn)，對(duì)反應(yīng)方向、速率及平衡進(jìn)行合理分析，得到成績(jī)的等級(jí)就可以是“優(yōu)”。盡管有的學(xué)生設(shè)計(jì)的反應(yīng)不太合理，這是由于他們專業(yè)知識(shí)儲(chǔ)備不夠造成的，對(duì)于這種開放性習(xí)題，主要是鼓勵(lì)學(xué)生根據(jù)自己所查閱的知識(shí)選擇論點(diǎn)，對(duì)自己所學(xué)的內(nèi)容進(jìn)行批判和反思，鼓勵(lì)學(xué)生獨(dú)樹一幟，鼓勵(lì)學(xué)生新、奇、特的想法。

3 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過兩個(gè)學(xué)年的改革，首先，學(xué)生在完成非標(biāo)準(zhǔn)答案試題的過程中，自己利用所學(xué)知識(shí)去解決生產(chǎn)生活中的實(shí)際問題，發(fā)現(xiàn)學(xué)這些知識(shí)是有用的，找到了成就感，從而自發(fā)自主學(xué)習(xí)，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。同時(shí)，學(xué)生們對(duì)于非標(biāo)準(zhǔn)答案試題的興趣和投入度遠(yuǎn)大于教材上的課后習(xí)題，他們不僅能自覺復(fù)習(xí)總結(jié)，而且還能查詢資料，答案盡管不能做到完美，但是他們自學(xué)和解決問題的能力得到了提升。再者，他們能從新的視覺去發(fā)現(xiàn)自然界中可利用無機(jī)及分析化學(xué)原理解決的事或物，具有一定的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力?？傊?，《無機(jī)及分析化學(xué)》從習(xí)題的維度去促進(jìn)教學(xué)創(chuàng)新和改革，打造具有高階性、創(chuàng)新性和有挑戰(zhàn)度的“金課”。