面向無機材料專業(yè)的案例式分析化學(xué)教學(xué)探索與實踐

王叢，孫曉婷，周文婷，袁小航

石家莊理工職業(yè)學(xué)院機械工程系，石家莊 050000

1 引言

無機非金屬材料工程專業(yè)是傳統(tǒng)工科，該專業(yè)主要學(xué)習(xí)和研究的內(nèi)容就是——水泥基復(fù)合材料及其制品，所涉及的主要原料有：水泥、粗細(xì)骨料、混凝土外加劑、礦質(zhì)材料等建筑材料。這些建筑材料的質(zhì)量是保證建筑工程質(zhì)量的物質(zhì)基礎(chǔ)，在建筑材料質(zhì)量和性能的評估過程中，化學(xué)分析方法具有不可替代的作用[1-3]。這要得益于化學(xué)分析法具有操作簡單、耗時短、便于實行等優(yōu)點。因此，對于無機非金屬材料工程專業(yè)的學(xué)生來說，學(xué)習(xí)分析化學(xué)的重點是要學(xué)習(xí)一些化學(xué)分析的原理和方法，以實現(xiàn)最終在建筑材料性能試驗檢測方面的應(yīng)用。

目前我們的分析化學(xué)教材是面向多個專業(yè)編制的，包括生物類、化學(xué)類、環(huán)境類、醫(yī)學(xué)類、材料類等多個本科專業(yè)，書中介紹的知識點基礎(chǔ)性強，應(yīng)用示例普適性強，而與學(xué)生所學(xué)專業(yè)的工程實踐結(jié)合力度不夠。比如，在講解酸堿滴定法時，會介紹氫氧化鈉(NaOH)和碳酸氫鈉(Na2CO3)混合堿含量的分析；介紹配位滴定法時，會講解水中鈣離子(Ca2+)、鎂離子(Mg2+)含量的分析。這些經(jīng)典案例能很好地展示理論的應(yīng)用，但是對于某些專業(yè)的學(xué)生來說，這些案例缺乏一定的有效性和針對性。同時，學(xué)生在初入大學(xué)時，缺少專業(yè)概念和工程概念，對于專業(yè)基礎(chǔ)課程中的理論知識如何做到學(xué)以致用會產(chǎn)生一些迷茫和疑惑，難以做到分門別類、有的放矢的高效學(xué)習(xí)。而在大四進(jìn)行專業(yè)課學(xué)習(xí)時，大部分學(xué)生對這些基礎(chǔ)理論知識會產(chǎn)生不同程度的遺忘，難以建立相關(guān)知識點之間的聯(lián)系，更多的是對試驗操作步驟死記硬背，而不去深究試驗方法背后的原理。長此以往，學(xué)生逐漸失去主動學(xué)習(xí)的興趣，變成以能通過考試、拿到學(xué)分為目的功利化學(xué)習(xí)[4-6]。

結(jié)合無機非金屬材料工程專業(yè)特點，本文介紹了在分析化學(xué)教學(xué)過程中，可以融入到課程中的一些化學(xué)分析在建筑材料檢測中的貼近專業(yè)、實用性強的應(yīng)用案例，并對教學(xué)方法進(jìn)行了探索。通過這些案例的展示，使學(xué)生深刻理解理論在實踐中的具體應(yīng)用，鍛煉學(xué)生運用專業(yè)學(xué)科知識解決實際問題的能力，增強學(xué)生的專業(yè)認(rèn)同感、自豪感和使命感，旨在培養(yǎng)具備一定專業(yè)素質(zhì)的工程型人才。

2 分析化學(xué)專業(yè)案例教學(xué)方法探索

2.1 教學(xué)背景與教學(xué)思路

化學(xué)分析法是一種經(jīng)典的分析方法，在檢測過程中無需專門的儀器，檢測方法容易理解和操作，受時間、地點的限制少，分析準(zhǔn)確度和精密度較高，相對誤差可以控制在0.1%-0.2%，且化學(xué)分析方法成本較低。因此，一些小型的工廠、建筑工地、中小學(xué)校也都組建有自己的化學(xué)分析實驗室。正是由于化學(xué)分析如此的“接地氣”，也使得化學(xué)分析在建筑材料試驗檢測中得到了廣泛的應(yīng)用。甚至有專門規(guī)定了水泥化學(xué)檢測方法的國家標(biāo)準(zhǔn)——GB/T 176-2017《水泥化學(xué)分析方法》[7]，詳細(xì)介紹了水泥多種組分的化學(xué)檢測方法；類似的有關(guān)化學(xué)分析方法檢測標(biāo)準(zhǔn)還有GB/T 14684-2011《建筑用砂》[8]、GB/T 8077-2000《混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗方法》[9]和JTG E30-2005《水泥及水泥混凝土試驗規(guī)程》[10]等。

這些試驗方法的核心原理就是分析化學(xué)所講的知識點，但是分析化學(xué)教材中所介紹的教學(xué)案例范圍更大，學(xué)生在將分析化學(xué)知識點與專業(yè)實際應(yīng)用相結(jié)合時，容易產(chǎn)生困惑，甚至找不到方向。這就要求教師在給無機非金屬材料工程專業(yè)學(xué)生的授課過程中注重應(yīng)用型和工程化教學(xué)，比如，在講解沉淀滴定法時，通常會介紹幾種根據(jù)人名命名的常用方法：莫爾法、佛爾哈德法、法揚司法等，學(xué)生難免會有淺嘗輒止的感覺，會產(chǎn)生疑問：這些方法是怎么跟專業(yè)應(yīng)用相結(jié)合的呢？這時，教師可以進(jìn)一步地將GB/T 14684-2011《建筑用砂》中關(guān)于集料氯化物含量測定的試驗融入講解中[7]，這個試驗采用的就是莫爾法。以這樣一個符合專業(yè)特點的案例來講解生澀難懂的理論知識，不僅會讓學(xué)生對這些知識點有更深刻的理解，激發(fā)學(xué)生的專業(yè)熱情，同時引導(dǎo)學(xué)生提前了解國家標(biāo)準(zhǔn)，培養(yǎng)學(xué)生的工程倫理意識。

2.2 教學(xué)案例設(shè)計和多樣化的教學(xué)方法

分析化學(xué)專業(yè)案例化教學(xué)可以與多種教學(xué)方法相結(jié)合，比如聯(lián)想教學(xué)法、對比教學(xué)法，同時組織學(xué)生對案例進(jìn)行分析討論，達(dá)到有效理解概念、掌握規(guī)律的目的。

2.2.1 氧化還原滴定法案例設(shè)計

氧化還原滴定法是以氧化還原反應(yīng)為基礎(chǔ)的滴定分析方法，應(yīng)用十分廣泛，可以測定無機物和有機物，也有若干不同的滴定方式。氧化還原滴定法通常按照滴定劑的名稱來命名其分類，比如高錳酸鉀法、重鉻酸鉀法、碘量法、間接碘量法、溴酸鉀法、釩酸鹽法和硫酸鈰法。

以碘量法為例，在教材案例講解完畢的基礎(chǔ)上，可以引入采用碘量法測定水泥中硫化物含量的試驗[7]案例。這是一種非常規(guī)測定硫化物的碘量法，試驗中用的滴定劑是KIO3，不是常規(guī)的滴定劑KI和單質(zhì)碘(化學(xué)反應(yīng)式見表1)。使用這種碘量法可以讓學(xué)生初步掌握不同的滴定劑在測試硫化物中的應(yīng)用，學(xué)會具體問題具體分析。接下來以布置作業(yè)的形式引導(dǎo)學(xué)生查資料自學(xué)：在使用碘量法測定水中硫化物含量時的試驗步驟和所用試劑有哪些，這些跟測定水泥中的硫化物含量有什么不同？通過比較學(xué)習(xí)學(xué)生會發(fā)現(xiàn)，測定水中硫化物含量時使用的滴定劑是標(biāo)準(zhǔn)碘溶液，然后用NaS2O3對過量碘溶液進(jìn)行返滴定，淀粉作為指示劑。這時可以拋出接下來的問題——為什么同樣測定硫化物的含量，所用的方法卻不相同？學(xué)生繼續(xù)帶著問題去查資料，就會了解碘標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定適用于測定含硫量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) w ≥ 0.01%的試樣，對含硫量w ≤ 0.01%的試樣最好用KIO3標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定，因為它比碘溶液穩(wěn)定，且靈敏度稍高。此外，通過了解碘量法測定水泥中硫化物含量的試驗也會掌握在課堂上很容易忽略的一個知識點，那就是間接碘量法指示劑加入的時間問題。即考慮到終點滯后的影響，淀粉指示劑是在臨近終點加入的。這樣，利用碘量法靈活多樣的應(yīng)用案例，通過講解-自學(xué)-講解-思考這樣循循善誘、層層遞進(jìn)的教學(xué)方式，讓學(xué)生可以從多個角度逐步深刻地理解碘量法，及時找到課堂所學(xué)知識在實際生活中的映射，既拓寬了課程的知識面，又可使學(xué)生感受到學(xué)習(xí)的理論知識在本專業(yè)領(lǐng)域中實實在在的應(yīng)用，具體設(shè)計思路如圖1所示。

表1 化學(xué)分析在建筑材料試驗檢測中的應(yīng)用實例

圖1 氧化還原滴定法案例設(shè)計

此外還可以通過聯(lián)想教學(xué)法將專業(yè)案例的講解融入到教學(xué)中，使相關(guān)聯(lián)的課程產(chǎn)生互動。比如，碘量法用于檢測膠粘劑中游離甲醛(HCHO)的含量、利用銅還原-直接滴定法測定外加劑中還原糖含量這兩個試驗，教師可以通過留作業(yè)的形式，先組織學(xué)生查資料進(jìn)行自學(xué)，然后開展翻轉(zhuǎn)課堂討論或小組研討，讓學(xué)生將得到的信息進(jìn)行整理和分享。切入點就設(shè)置為分析化學(xué)與有機化學(xué)、分析化學(xué)與無機化學(xué)的交叉知識點是如何在這些試驗中體現(xiàn)。這樣把一門課程的知識點放到知識系統(tǒng)中教給學(xué)生，加強學(xué)科滲透，使學(xué)生在掌握目前所學(xué)課程的同時，也加深了對以往課程的理解，充分調(diào)動學(xué)生的表現(xiàn)欲望，發(fā)揮其主體作用，提升發(fā)散思維和系統(tǒng)把握知識的能力，逐步建立完整的知識體系。

2.2.2 重量分析法案例設(shè)計

重量分析法，一般先通過適當(dāng)?shù)姆椒▽⒃嚇又械谋粶y組分與其他組分分離，轉(zhuǎn)化為稱量形式，然后稱重，根據(jù)稱量形式和被測組分的關(guān)系，計算出被測組分的含量。與沉淀滴定分析法一樣，是以沉淀溶解平衡為基礎(chǔ)的分析方法。由于此方法操作相對繁瑣、周期較長，因此沒有得到很廣泛的應(yīng)用。而恰恰是在其他行業(yè)應(yīng)用不多的重量分析法，在建筑材料檢測試驗中卻“大放異彩”。

在這個專題的講解中，可以采用線上線下混合式教學(xué)課堂，充分利用線上教學(xué)的優(yōu)勢對線下課堂教學(xué)進(jìn)行補充。比如，可以布置學(xué)生在中國大學(xué)MOOC、嗶哩嗶哩等網(wǎng)站觀看《超級工程》《創(chuàng)新中國》等一些紀(jì)錄片，讓學(xué)生了解到水泥質(zhì)量檢測在建筑工程中的重要地位，使學(xué)生在收獲知識的同時，不斷增強專業(yè)自信心和民族自豪感。

接下來進(jìn)行案例講解時，為了深入理解重量分析法中氣化法這個概念，可以引入利用灼燒差減法進(jìn)行水泥燒失量的測定[7]和利用堿石棉吸收重量法進(jìn)行水泥二氧化碳(CO2)的測定[6]。這兩個案例采用的都是氣化法，但是其目的和過程都是不同的。根據(jù)這兩個案例的關(guān)系，在教學(xué)中可以采用啟發(fā)式和討論式的教學(xué)方式，引導(dǎo)學(xué)生分別從試驗?zāi)康?、試驗原理和試驗過程這三個方面進(jìn)行深入的比較分析，設(shè)計思路如圖2所示。通過比較會發(fā)現(xiàn)，兩個試驗的過程是不同的：水泥燒失量的測定需要對水泥進(jìn)行灼燒，測量的是水泥在這個過程中質(zhì)量減少的量；堿石棉吸收重量法是利用堿石棉吸收水泥分解放出的CO2，稱量的是堿石棉質(zhì)量增加的量。一個“減少”，一個“增加”，體現(xiàn)了氣化法的靈活性。而為什么試驗過程是不同呢，這是由試驗?zāi)康臎Q定的。對水泥進(jìn)行灼燒，目的是得到水泥排出的結(jié)晶水和有機雜質(zhì)、碳酸鹽分解出的CO2、硫酸鹽分解出的SO2總的質(zhì)量損失。而堿石棉吸收重量法是為了得到分解出的CO2的質(zhì)量。雖然試驗?zāi)康暮瓦^程都是不同的，但是采用的都是重量法中的氣化法。

圖2 重量分析法案例設(shè)計

通過這種教學(xué)方法，引導(dǎo)學(xué)生求“同”求“異”，鼓勵學(xué)生從多個角度進(jìn)行獨立思考，發(fā)現(xiàn)兩者之間的內(nèi)在聯(lián)系和區(qū)別，以求更深刻地理解氣化法的概念、原理和應(yīng)用。這些具有對比特征案例的引入，不僅培養(yǎng)了學(xué)生透過事物表現(xiàn)看本質(zhì)和整合知識的能力，也提高了課堂教學(xué)的趣味性，可以全方位調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

2.2.3 配位滴定法案例設(shè)計

配位滴定法是以生成配合物的化學(xué)反應(yīng)為基礎(chǔ)的滴定分析方法，通常用來檢測金屬離子的含量，常用的配位劑是乙二胺四乙酸(EDTA)。在日常的課堂教學(xué)和實驗教學(xué)中，水的總硬度的測定是非常經(jīng)典的例子——用EDTA來檢測水中鈣鎂離子的總含量和各自的含量，來表征水硬度的大小。教師可以進(jìn)一步引入利用EDTA對水泥中氧化鈣(CaO)含量測定的試驗[7]來豐富對這個滴定方法的介紹(化學(xué)反應(yīng)式見表1)，加深學(xué)生對該滴定方法的理解。在這個試驗中，EDTA為滴定劑，三乙醇胺作為掩蔽劑，用氫氧化鉀(KOH)調(diào)節(jié)pH，鈣黃綠素-甲基百里香酚藍(lán)-酚酞作為指示劑。水的總硬度的測定和水泥中氧化鈣(CaO)含量測定這兩個試驗的表象是不同的，但實質(zhì)都是EDTA對金屬離子的滴定，教師可以引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)歸納這兩個試驗的共性，比如試驗中的待測離子、掩蔽劑、pH調(diào)節(jié)劑等，學(xué)會使用歸納法將復(fù)雜的問題簡單化。

教師可以在學(xué)生了解了配位滴定法測定CaO的方法后，進(jìn)一步介紹酸堿滴定法和氧化還原滴定法測定CaO的試驗，并將這三種方法進(jìn)行橫向比較，設(shè)計思路如圖3所示。其中酸堿滴定法用的滴定劑是鹽酸和NaOH，采用的是返滴定法；氧化還原滴定法采用的是間接滴定法，先使Ca2+轉(zhuǎn)化為草酸鈣(CaC2O4)，再用H2SO4處理，使之全部轉(zhuǎn)化為草酸(H2C2O4)，再用高錳酸鉀(KMnO4)滴定H2C2O4。這三種檢測方法的目的是相同的，就是對CaO含量的測定；但是三種滴定方法的滴定反應(yīng)、滴定方式和使用的試劑都是不同的，可以引導(dǎo)學(xué)生分析這些不同點——即個性，加深對這三種滴定方法的理解，以及對直接滴定法、返滴定法和間接滴定法這三種不同滴定方式的理解，使學(xué)生掌握科學(xué)的思維方法和學(xué)習(xí)技能。

圖3 配位滴定法案例設(shè)計

總之，專業(yè)案例教學(xué)應(yīng)當(dāng)根據(jù)專業(yè)特點，選擇貼近實際生產(chǎn)的教學(xué)案例(表1)，開展靈活多樣的教學(xué)方式，建立以學(xué)生為主導(dǎo)的教學(xué)模式，不斷提高學(xué)生專業(yè)基礎(chǔ)課的學(xué)習(xí)主動性，完善和提升學(xué)生解決實際問題的能力。

2.3 課程考核評價

課程考核是評價教學(xué)和學(xué)習(xí)效果的有效手段，結(jié)合課程特點和教學(xué)方式，采用案例分析、章節(jié)作業(yè)和期末考試這種過程性和終結(jié)性結(jié)合的全過程考核方式，提升課程難度，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)動力。其中章節(jié)作業(yè)主要通過布置作業(yè)、批閱點評、答疑解惑的方式，使學(xué)生鞏固加深對新知識的理解。期末考試主要是綜合考查學(xué)生對課程理論基礎(chǔ)知識的掌握程度，增加專業(yè)應(yīng)用案例的考查，突出對解決實際問題能力的考核，比如：請列舉一種關(guān)于水泥的化學(xué)分析試驗來解釋配位滴定法的基本原理，并說明試驗中所采用的滴定劑、指示劑、試驗步驟和注意事項。案例分析部分主要包括課程討論、案例分享等環(huán)節(jié)，注重考查學(xué)生課程的參與度、查找和整理資料能力、分析歸納能力以及語言表達(dá)能力。當(dāng)然，實施案例化教學(xué)方法時也會遇到一些問題，如少數(shù)學(xué)生思考不積極，參與度不高的現(xiàn)象，需要教師搞好教育鼓勵、督促提醒，并采取一定的獎懲措施。

3 結(jié)語

本文討論了分析化學(xué)針對無機非金屬材料工程專業(yè)的案例式教學(xué)方法，即在課堂教學(xué)中將分析化學(xué)的知識點與學(xué)生所學(xué)專業(yè)充分結(jié)合，將化學(xué)分析方法在無機非金屬材料實際檢測中的應(yīng)用穿插到課程中進(jìn)行案例式教學(xué)。教師所選擇的教學(xué)案例和具體的融入方式，既要緊貼所教授的課程內(nèi)容，也要充分考慮學(xué)生的專業(yè)，使分析化學(xué)的教學(xué)與學(xué)生的實際需求相適應(yīng)，充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動意識，使學(xué)生得到適合其自身發(fā)展需要的教育，實現(xiàn)“教”與“學(xué)”相得益彰，“供”與“需”深度契合。