分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)探索

賈 旭, 焦書燕, 李文卓, 喻國敏, 朱根興, 張留學(xué)

(中原工學(xué)院 材料與化工學(xué)院, 河南 鄭州 450007)

作為高等學(xué)歷教育的基石,大學(xué)本科教育在人才培養(yǎng)方面發(fā)揮著承上啟下的作用。它不僅要傳授給學(xué)生專業(yè)知識,更注重對學(xué)生的全面教育,包括人格的健全教育、思維能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)等?；谶@樣的培養(yǎng)任務(wù)和目標(biāo),在本科教育的各個(gè)環(huán)節(jié),特別是在課程教學(xué)過程中對學(xué)生進(jìn)行全方位培養(yǎng),需要教師根據(jù)時(shí)代的發(fā)展對教學(xué)活動中的各項(xiàng)內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。教師通過對教學(xué)活動內(nèi)容設(shè)計(jì)和調(diào)整,能夠使學(xué)生能更為高效地掌握理論知識和提高的邏輯思維能力。

化學(xué)專業(yè)是理論與實(shí)驗(yàn)并重的自然科學(xué)學(xué)科,對學(xué)生思維能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)尤為重要[1]。其中,分析化學(xué)是化學(xué)類專業(yè)的重要基礎(chǔ)課程,被稱為科學(xué)技術(shù)的“眼睛”,是進(jìn)行科學(xué)研究的基礎(chǔ)。分析化學(xué)課程既有很強(qiáng)的實(shí)用性,又有嚴(yán)密、系統(tǒng)的理論,是理論與實(shí)際密切結(jié)合的學(xué)科[2]。分析化學(xué)及其實(shí)驗(yàn)課程在教給學(xué)生基本的分析化學(xué)原理和方法的同時(shí),又可以使學(xué)生建立起嚴(yán)格的“量”的概念,深入理解分析方法和基本原理,正確熟練地掌握分析化學(xué)的實(shí)驗(yàn)方法和基本操作技能,學(xué)會正確記錄和處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及正確表述分析結(jié)果的方法,養(yǎng)成嚴(yán)格、認(rèn)真、實(shí)事求是的科學(xué)素養(yǎng),提高觀察問題、分析問題和解決問題的能力。分析化學(xué)及其實(shí)驗(yàn)課程教學(xué),不僅能使學(xué)生熟練地掌握定量分析化學(xué)的基本概念和基本理論,而且學(xué)生懂得建立這些概念和理論的化學(xué)處理方法和思維方法。在教學(xué)過程中,教師著重加強(qiáng)對學(xué)生進(jìn)行素質(zhì)教育,注重對學(xué)生能力的培養(yǎng)以及激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識。因此,分析化學(xué)及其實(shí)驗(yàn)課程在學(xué)生科學(xué)素質(zhì)的培養(yǎng)上起著其他課程難以替代的重要作用。在開設(shè)分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程時(shí),應(yīng)根據(jù)培養(yǎng)目標(biāo),有針對性地設(shè)置相關(guān)實(shí)驗(yàn),使學(xué)生能夠通過實(shí)驗(yàn)課形成嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃季S模式和掌握辯證唯物主義的世界觀和方法論。

1 實(shí)驗(yàn)題目的設(shè)計(jì)

分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)與理論課程同步開設(shè),實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與理論課程內(nèi)容相互對應(yīng),共開設(shè)12個(gè)實(shí)驗(yàn),涵蓋酸堿滴定、配位滴定、氧化還原滴定、沉淀滴定、重量分析法以及吸光光度法等內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)中,理論與實(shí)驗(yàn)相輔相成、相互促進(jìn)、相互支撐,使學(xué)生能夠更清晰直觀地理解和掌握分析化學(xué)的知識。實(shí)驗(yàn)題目的選擇在符合教學(xué)大綱對課程知識要求的基礎(chǔ)上,突出了對學(xué)生思想的啟迪和培養(yǎng)作用。

1.1 唯物辯證思維的培養(yǎng)

酸堿滴定實(shí)驗(yàn)是分析化學(xué)滴定實(shí)驗(yàn)中的第一個(gè)實(shí)驗(yàn),是打牢滴定實(shí)驗(yàn)技能的重要環(huán)節(jié)。在這一部分中,設(shè)計(jì)安排《堿液中氫氧化鈉和碳酸鈉含量的測定》、《雞蛋殼中氧化鈣含量的測定(酸堿滴定法)》和《有機(jī)酸分子量測定》3個(gè)實(shí)驗(yàn)。在酸堿滴定中,常用的終點(diǎn)指示劑有酚酞、甲基橙、甲基紅和石蕊等。例如,石蕊在pH<4.5時(shí),顯示紅色,4.58.3時(shí),顯示藍(lán)色;甲基橙在pH<3.1時(shí),顯示紅色,3.14.4時(shí),顯示黃色;酚酞在pH<8.0時(shí),顯示無色,8.09.6時(shí),顯示紅色[3]。在講解這部分內(nèi)容時(shí),引入“花妖現(xiàn)行”“白紙鬼影”等封建迷信小故事。一些人把酸性或者堿性的水灑在紙上后,原來所畫的圖形或文字就以一定的顏色顯示,從而達(dá)到騙取財(cái)物的目的。通過這些小案例,引導(dǎo)教育學(xué)生面對當(dāng)前出現(xiàn)的一些五花八門的騙局,以客觀冷靜的心態(tài)去看待,不要以訛傳訛,推波助瀾。特別是對于化學(xué)專業(yè)的學(xué)生來說,更要冷靜,學(xué)會透過現(xiàn)象看本質(zhì),運(yùn)用所學(xué)的專業(yè)知識去思考這些現(xiàn)象背后的知識,并能積極向周圍的人宣傳科學(xué)知識,指出引起這些現(xiàn)象的真正原因,破除迷信。

1.2 因地因時(shí)制宜理念的培養(yǎng)

在進(jìn)行科學(xué)研究過程中,往往需要根據(jù)研究對象、實(shí)驗(yàn)室條件以及測試任務(wù)要求等具體情況制定合理的實(shí)驗(yàn)方案。因此,我們安排了“雞蛋殼三部曲”系列實(shí)驗(yàn)課題來培養(yǎng)學(xué)生的因地因時(shí)制宜的理念。

雞蛋殼中的主要成分為碳酸鈣和蛋白質(zhì),還含有鎂、鋅、銅、錳、鐵、硒等微量元素,其中碳酸鈣的含量約為83%～85%,蛋白質(zhì)的含量約為15%～17%。圍繞雞蛋殼中碳酸鈣的含量,我們分別以酸堿滴定、配位滴定和氧化還原滴定3種方法設(shè)計(jì)安排3個(gè)實(shí)驗(yàn)。酸堿滴定法是將準(zhǔn)確稱量的雞蛋殼經(jīng)過定量過量的鹽酸溶液處理后,再用標(biāo)準(zhǔn)氫氧化鈉溶液進(jìn)行返滴定。配位滴定法是將一定質(zhì)量的雞蛋殼經(jīng)過鹽酸溶液溶解,然后用氫氧化鈉調(diào)節(jié)溶液的pH值到12以上,然后加入鈣指示劑用標(biāo)準(zhǔn)EDTA溶液測定。氧化還原滴定法是將準(zhǔn)確稱量質(zhì)量的雞蛋殼經(jīng)過鹽酸溶解,然后加入過量的草酸銨,并用氨水調(diào)節(jié)溶液pH至鈣離子完全沉淀,收集洗滌草酸鈣沉淀,將硫酸溶液加入到草酸鈣沉淀中置換出草酸根,最后用標(biāo)準(zhǔn)高錳酸鉀溶液滴定。這3種方法雖然都可以實(shí)現(xiàn)對雞蛋殼中鈣含量的測定,但是酸堿滴定法由于鹽酸的易揮發(fā)性,使得測定結(jié)果的準(zhǔn)確度和精密度不夠理想;配位滴定法測定過程中需加入氨-氯化銨緩沖溶液維持溶液pH值穩(wěn)定,還需要加入掩蔽劑掩蔽共存的其他金屬離子,使得操作過程較為繁瑣;高錳酸鉀法測定過程中草酸鈣沉淀的形成與處理過程較為復(fù)雜,且高錳酸鉀氧化反應(yīng)歷程較為復(fù)雜,使得測定結(jié)果準(zhǔn)確度相較于配位滴定法偏低且測定過程非常耗時(shí)[4]。通過這3個(gè)實(shí)驗(yàn),從不同角度比較這幾種方法,引導(dǎo)學(xué)生在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)綜合考慮不同的實(shí)驗(yàn)方案,對比篩選出最為適宜的實(shí)驗(yàn)方法,從而樹立因地制宜,制定合理解決方案的意識。

1.3 環(huán)保理念的培養(yǎng)

實(shí)驗(yàn)課程不僅是理論知識付諸實(shí)踐的平臺,更是培養(yǎng)學(xué)生環(huán)保理念的重要載體。因此,我們在實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)中也注重引導(dǎo)培養(yǎng)學(xué)生的環(huán)保意識。例如,在“鐵礦石中全鐵含量的測定”實(shí)驗(yàn)中,鐵礦石樣品的傳統(tǒng)處理方式是將鐵礦石經(jīng)鹽酸溶解后滴加SnCl2溶液,將Fe3+還原為Fe2+,剩余過量的Sn2+用過量的HgCl2溶液處理為Hg2Cl2和Sn4+。其中,HgCl2為劇毒物質(zhì),對人體和環(huán)境都不友好,污染較為嚴(yán)重。為了使學(xué)生牢固樹立環(huán)保意識,我們對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了優(yōu)化,鐵礦石經(jīng)鹽酸分解后,用SnCl2溶液還原Fe3+時(shí)加入甲基橙作為指示劑,Sn2+將Fe3+還原完全后,過量的Sn2+可將甲基橙還原為氫化甲基橙而褪色,不僅指示了終點(diǎn),而且Sn2+還能繼續(xù)使氫化甲基橙還原為N,N-二甲基對苯二胺和對氨基苯磺酸,過量的Sn2+則也可以被消除[5]。反應(yīng)方程式如下所示:

另外,本實(shí)驗(yàn)中所選用的滴定劑重鉻酸鉀是一種有毒且有致癌性的強(qiáng)氧化劑,它被國際癌癥研究機(jī)構(gòu)劃歸為第一類致癌物質(zhì),如果將重鉻酸鉀廢液直接排放,會對環(huán)境造成嚴(yán)重危害。因此,我們要求學(xué)生將所有重鉻酸鉀廢液統(tǒng)一回收到專屬廢液桶中,不能隨意傾倒,使學(xué)生時(shí)刻繃緊環(huán)境保護(hù)這根弦。

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)形式

2.1 實(shí)事求是作風(fēng)的培養(yǎng)

分析化學(xué)及其實(shí)驗(yàn)課程在教給學(xué)生基本的分析化學(xué)原理和方法的同時(shí),在授課過程中特別重視使學(xué)生建立起嚴(yán)格的“量”的概念。我們通過引入英國科學(xué)家雷利和萊姆塞通過比重發(fā)現(xiàn)稀有氣體氬的故事使學(xué)生意識到“量”的重要性。雷利通過精密天平測定氮?dú)獾拿芏葧r(shí),發(fā)現(xiàn)從空氣中分離出來的和從含氮物質(zhì)中制得的氮?dú)饷可|(zhì)量相差0.006 4 g。萊姆塞基于這一發(fā)現(xiàn),經(jīng)過認(rèn)真的分析和研究后指出,這一差別是由于從空氣里分離出來的單質(zhì)氮中含有某種不為人知的氣體。最后,雷利和萊姆塞經(jīng)過多次重復(fù)實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)了空氣中所含的惰性氣體氬氣。因此,在進(jìn)行分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí),要求每個(gè)學(xué)生準(zhǔn)備一個(gè)記錄本,用于原始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄,并且實(shí)驗(yàn)記錄本要求編寫頁碼,不得撕頁、修改、偽造,實(shí)驗(yàn)課結(jié)束后抽查學(xué)生實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄與實(shí)驗(yàn)報(bào)告數(shù)據(jù)的一致性,從基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生實(shí)事求是的實(shí)驗(yàn)作風(fēng)。

2.2 團(tuán)隊(duì)意識的培養(yǎng)

分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)采用“自主互動式實(shí)驗(yàn)教學(xué)法”(翻轉(zhuǎn)課堂)。該方法流程為:學(xué)期初學(xué)生分組并抽簽選定實(shí)驗(yàn)→小組學(xué)生預(yù)習(xí)、查資料、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案并制作課件→學(xué)生講解及同組成員補(bǔ)充→其他小組學(xué)生挑錯(cuò)→教師點(diǎn)評、糾正錯(cuò)誤及補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)關(guān)鍵點(diǎn)→教師提問、討論→學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作→撰寫上交實(shí)驗(yàn)報(bào)告→實(shí)驗(yàn)課程總結(jié)匯報(bào)。自主互動式實(shí)驗(yàn)教學(xué)法避免了傳統(tǒng)模式教師主講、學(xué)生被動接受知識的弊端,明顯提高了學(xué)生預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)的效果;激發(fā)了學(xué)生的互動積極性和創(chuàng)造性。小組實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ娇稍鰪?qiáng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)意識,提高學(xué)生協(xié)作互助的能力;學(xué)生主講的模式可激發(fā)學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的熱情,鍛煉學(xué)生資料查閱、方案設(shè)計(jì)及表達(dá)能力;互動環(huán)節(jié)中學(xué)生挑錯(cuò)可調(diào)動全體學(xué)生預(yù)習(xí)及參與實(shí)驗(yàn)的熱情;總結(jié)匯報(bào)環(huán)節(jié)可加深學(xué)生對實(shí)驗(yàn)的理解,提高學(xué)生分析問題和解決問題的能力。

2.3 勞動意識的培養(yǎng)

實(shí)驗(yàn)課程是勞動教育的主要依托課程,可將勞動教育融入專業(yè)教育,寓教于勞,構(gòu)建具有本專業(yè)特色的勞動教育體系,開展專業(yè)勞動教育。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中,通過抓住關(guān)鍵環(huán)節(jié)開展勞動教育,使學(xué)生在動手實(shí)踐過程中提升勞動技能,體會知行合一的樂趣和美的享受。因此,我們在設(shè)計(jì)課程評價(jià)環(huán)節(jié)時(shí)將勞動教育納入評價(jià)體系考核點(diǎn)。針對分析化學(xué)注重“量”的學(xué)科性質(zhì)特點(diǎn),要求學(xué)生在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中使學(xué)生考慮任何一個(gè)可能會影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的因素。例如,規(guī)范玻璃儀器清洗操作,一些高精度的儀器杜絕使用毛刷清洗,以免影響到實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。在實(shí)驗(yàn)過程中規(guī)范儀器在實(shí)驗(yàn)臺的擺放,保持實(shí)驗(yàn)操作空間合理有序。實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí),認(rèn)真清理公共及個(gè)人實(shí)驗(yàn)臺面,保持實(shí)驗(yàn)臺面干凈整潔。當(dāng)在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)生如分析天平等公共實(shí)驗(yàn)儀器受到污染的情況時(shí),本著誰污染誰處理的原則及時(shí)處理,如情況特殊,要第一時(shí)間報(bào)告教師,尋求教師的指導(dǎo)和幫助。值日生最后要按要求認(rèn)真打掃實(shí)驗(yàn)室,按照教師要求合理處置剩余藥品試劑,保持實(shí)驗(yàn)室干凈衛(wèi)生,離開實(shí)驗(yàn)室時(shí)仔細(xì)檢查水、電、氣等是否關(guān)閉,養(yǎng)成有始有終的好習(xí)慣。

3 結(jié)語

本科實(shí)驗(yàn)課程的開設(shè)不僅要培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能,更要以實(shí)驗(yàn)課程為載體,培養(yǎng)學(xué)生思維能力和道德情操。

因此, 分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程立足于培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì),對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的選擇和課程教學(xué)形式都進(jìn)行了精心設(shè)計(jì),旨在使學(xué)生辯證全面地分析問題、因地因時(shí)選擇合理的解決方案,在實(shí)驗(yàn)過程中養(yǎng)成實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度,善于凝聚團(tuán)隊(duì)力量高質(zhì)高效完成任務(wù),并將環(huán)境保護(hù)意識貫穿整個(gè)過程。通過這樣的實(shí)驗(yàn)探索,可在全方位培養(yǎng)學(xué)生素質(zhì),實(shí)現(xiàn)立德樹人根本任務(wù)。