綜合性大學基礎化學實驗(一)教學改革＊

林金華

(廈門大學化學化工學院廈門大學化學實驗教學示范中心 福建廈門 361005)

綜合性大學基礎化學實驗(一)教學改革＊

林金華

(廈門大學化學化工學院廈門大學化學實驗教學示范中心 福建廈門 361005)

結合綜合性大學基礎化學實驗(一)發展現狀,對該課程的教學內容進行分析,提出其教學目的和教學內容的確定原則,并對教學體系改革,學生綜合素質培養,以及創新型實驗室建設進行探討。

基礎化學實驗 (一)融合了無機化學實驗和分析化學基礎實驗兩門實驗課程[1],形成了一個新的實驗教學體系。基礎化學實驗(一)目前獨立設課,是綜合性大學化學專業培養學生動手能力乃至創新意識的一門重要課程。它除了對于啟迪學生的學習方法,訓練學生的基礎性操作,以及培養學生的實驗技能具有重要意義外,還為后續的基礎化學實驗 (二)以及專業課程學習、知識應用和科學研究打下扎實基礎。

近年來,我校將基礎化學實驗 (一)獨立設課并進行教學改革,將該課程安排在本科一年級。本文對建立綜合性大學具有特色的基礎化學實驗(一)實驗室,以及進行綜合性大學化學專業基礎化學實驗(一)的教學改革進行探討。

1 教學目的

化學是一門以實驗為基礎的自然學科。化學實驗在培養和造就未來化學家和化學工作者的教學環節中,占有特別重要的地位。基礎化學實驗 (一)的教學目的是培養學生的動手能力、實驗技能、創新意識以及分析問題和解決問題的能力。

(1)重視化學實驗,注重實驗技能的提高。學生通過各種層次的實驗,直接獲取大量的實驗數據,經過分析、歸納、總結,可由感性認識上升至理性認識;學生學習無機化學和分析化學相關的基礎理論和基本知識,可以進一步用于指導化學實驗。在實驗初期,專門安排課時進行實驗技能基礎訓練。學生經過嚴格訓練,能較規范地掌握基本操作,提高實驗技能,正確使用各類相關儀器,具有準確取得實驗數據和做出結果判斷的能力。

(2)通過實驗培養學生正確書寫實驗記錄、數據處理及結果表達的方法,確立嚴格的“量”的概念,并逐步提高對實驗現象及實驗結果進行分析判斷、邏輯推理和做出正確實驗結論的能力。

(3)培養學生嚴謹務實的科學態度。在培養學生學習能力的同時,更要注重培養學生的科學精神和科學品德,使學生從大一開始就逐步形成嚴謹務實的科學態度、勤奮好學的思想品質、認真細致的工作作風、條理整潔的良好習慣和互助協作的團隊精神。

(4)培養學生勤動手、勤觀測、勤思考的能力。①勤動手:要求學生獨立動手做實驗,對于諸如移液管、滴定管的使用等基本操作,要反復練習,做到操作準確、熟練自如;對實驗中出現的異常或有疑問的現象應重做或進行空白對照、標準對照。②勤觀測:實驗課上要求學生集中精力,仔細觀測實驗現象及數據。善于捕捉某些細微的、瞬間的現象,尋找實驗的“閃光點”,觸發頭腦的“靈感區”。同時要求做好觀測記錄,每個學生都要準備一本專用的實驗預習記錄報告本,對于原始數據的記錄、修改、有效數字取舍等,需嚴格按規則進行。③勤思考:要求學生在實驗過程中積極開動腦筋,手腦并用,要善于思考實驗中所觀察到的現象,特別是對那些與預期不相同的現象,更應深入地分析,查找產生的原因,提出解決辦法。對于綜合設計和研究性實驗應該既有敢想敢做的思想,又有科學分析的態度,開拓思路,勇于創新,敢于試驗。

(5)培養學生使用計算機能力。在基礎化學實驗(一)的教學內容中,對于諸如化學反應速率測定、磺基水楊酸合銅配合物的組成及穩定常數測定、吸光光度法測定鐵的條件實驗等,我們要求學生用計算機處理原始數據。如采用工具軟件 Excel來處理數據、繪制圖表、計算實驗結果(反應級數、活化能、穩定常數、工作曲線等),由此加深學生對理論知識及實驗過程基本概念的理解,并培養學生使用計算機的能力。

(6)培養學生查閱文獻資料能力。我們在基礎化學實驗(一)課程中編入了延伸實驗 (即有助于拓展知識及創新思維的新實驗)、綜合設計和研究性實驗、外文文獻實驗。這些實驗難度大,知識面廣,學生要做好這些實驗,必須查閱大量相關文獻資料。這樣不僅有助于拓展學生的知識面,而且能培養他們查閱文獻資料的能力。

(7)加強綜合設計實驗力度,提高學生的綜合素質。基礎化學實驗 (一)要求每位學生至少獨立完成一個綜合設計實驗,要求學生提前一周擬出綜合設計實驗方案(含所需試劑、儀器設備、實驗課時等),并交教師批閱,教師審閱并修改后,交學生最后定稿。整個綜合設計實驗由學生在一定課時內獨立完成。在完成綜合設計實驗后,要求學生進行實驗總結和討論,對實驗結果進行全面分析,尋找實驗成敗的原因,并進行剖析。要求學生按論文格式撰寫綜合設計實驗報告。教師批閱實驗報告時,側重點不僅放在實驗數據及結果上,而且更注重綜合設計實驗的總結、討論的深度及廣度,即不僅培養學生拓寬知識面、收集數據和處理數據的能力,而且更注重培養學生的總結歸納能力及創造性思維。

2 教學內容

隨著現代科學技術的不斷發展,為了適應綜合性大學教學改革的需要,原來分設 4門基礎實驗課和 1門二級學科專業實驗課的模式已經被打破。我們將化學實驗課獨立設置,逐步建立新的基礎化學實驗(一)教學體系。基于這樣的新形勢要求及基礎實驗課教師長期的教學積累,并根據無機化學和分析化學理論課程的內容和實驗課的學時數,我們選擇具有代表性的教學內容進行教學,以便在有限的學時內,較好地完成基礎化學實驗 (一)的教學任務。其教學內容包括:

(1)基本實驗技能和基礎操作。

實驗基本常識;實驗基本操作;天平和光、電等儀器的使用。

(2)元素化學實驗。

氮族元素;銅分族與鋅分族元素;鐵、鈷、鎳元素;鉻和錳;氮氣和氮化鎂;常見的陽離子、陰離子混合物分析;未知陽離子、陰離子混合物分析(考查性實驗)。

(3)化學原理實驗。

(NH4)2S2O8氧化 I-的反應級數、速率及活化能的測定;氧化還原與電化學;配合物的生成與性質;置換法測定鎂的摩爾質量;阿伏伽德羅常數測定;醋酸電離常數和電離度測定; Cu( IO3)2溶度積測定;磺基水楊酸合銅配合物的組成及穩定常數測定;吸光光度法測定 d軌道分裂能。

(4)制備與分析實驗。

碳酸鈉的制備與分析;硫酸亞鐵銨的制備及組成分析;三草酸合鐵 (Ⅲ)酸鉀的制備及組成的測定;三氯化六氨合鈷(Ⅲ)的合成及組成的測定;硫酸銨中含氮量測定(甲醛強化法);鉛鉍混合液中 Pb2+、Bi3+濃度的連續測定;鋁合金中鋁含量的測定;海水中鹵素離子總量的測定(莫爾法);K2Cr2O7法測定礦石中 Fe的含量;銅合金中 Cu含量的測定 (考查性實驗);片劑中維生素 C含量的測定(改進后的碘量法);鄰二氮菲吸光光度法測定 Fe的條件試驗及碳酸鹽礦中微量 Fe的測定;可溶性鋇鹽中鋇含量測定 (硫酸鋇重量法)[2]。水質分析 (天然水總硬度測定;天然水中鹽類總量的測定;水中化學需氧量的測定)。

(5)綜合設計及研究性實驗。

HCl-H3BO3混合液分析 (酸堿滴定法);H2SO4-H2C2O4混合液的分析;Ca2+-EDTA混合液的分析(配合滴定法);蛋殼中 Ca、Mg含量測定;L-胱氨酸試劑純度的測定(溴酸鉀法);苯酚含量測定(溴酸鉀法);安乃近藥片中安乃近含量測定(碘量法)。

實驗內容除“L-胱氨酸試劑純度的測定及安乃近藥片中安乃近含量測定”系選修課外,其余實驗均為必修課。每位學生除了必須獨立選做兩個綜合設計及研究性實驗 (18學時)外,還需完成 154個學時的實驗。這些實驗廣泛覆蓋了無機化學實驗和分析化學實驗,二者的有機融合,使其基本操作、合成制備、性質鑒定及分析、實驗內容及方法相互交融,相得益彰,形成一個內在聯系密切的實驗教學新體系。在教學內容上,除了對常規的實驗內容進行精選外,同時增加了一些有助于拓展知識及創新思維的新實驗。既注意到實驗的基礎性與系統性,又注意到其實用性與先進性。在教學觀念上,更注重能力的培養和綜合素質的提高。在實驗獨立設課及實驗課超前于理論課的情況下,引導學生自主地進行預習更為重要。在實驗內容里增加了一些“延伸實驗”,引導學生拓展思維空間及知識面。

3 建設多功能型創新型基礎化學實驗(一)實驗室

3.1 創新型實驗

要把綜合性大學建設成研究型、創新型人才基地,創新人才的培養尤其重要。為此,我們在基礎化學實驗(一)中開設創新型實驗,即數據處理的計算機方法。

我們共安排 18學時(必修課)的創新型實驗,具體包括:線性滴定計算機處理作圖法測定硼酸的含量、吸光光度法測定酸堿指示劑離解常數及酸度分布曲線的計算機數據處理、大宗分析測量數據的統計處理 3個實驗,要求學生掌握 Excel軟件的一般知識以及線性回歸系數的確定,利用有關條件實驗及配合物組成的曲線求配合比。根據有關實驗數據,求硼酸線性回歸方程的斜率、截距,相關系數及離解常數等。有利于拓展學生計算機應用的視野,提高了學生使用計算機的能力。

3.2 驗證型實驗

我們在教學中選擇安排 24學時具有代表性的驗證型實驗 (必修課)。例如,置換法測定鎂的摩爾質量的實驗,其原理是:利用金屬鎂與稀硫酸反應,置換出 H2,即 Mg+H2SO4=MgSO4+H2↑。由實驗可測定已知溫度和壓力下所生成 H2的體積,再由理想氣體狀態方程式計算 H2的物質的量 (n(H2)),繼而推算出金屬鎂的摩爾質量 (M(Mg)),即:M(Mg)= m(Mg)∕ n(Mg)=m(Mg)∕ n(H2)。學生將實驗所得出金屬鎂的摩爾質量與理論值進行比較驗證,找出實際值與理論值之間微小差異的原因,并進行分析。又如 HAc電離常數 Ka和電離度 a的測定、阿伏伽德羅常數的測定等實驗,使學生分別將根據實驗得出的實際電離常數Ka和電離度 a與理論值進行比較驗證。這樣學生可以從不同角度來驗證所學的無機化學和分析化學基本理論,解決了學生對驗證型實驗中的物理化學常數的感性認識這一實際問題。由此可見,考慮到綜合性大學高層次人才的培養,驗證型實驗是必不可少的。

4 教學方法

(1)開放實驗室,培養學生的興趣。

在實驗室開放期間,安排專門的指導教師值班,不安排指定的實驗內容,由學生自己選擇感興趣的實驗,查閱文獻資料,設計實驗方案,經現場指導教師審核后進行實驗。

(2)開展實驗課堂討論,訓練學生講演能力。

在實驗前或實驗后,指導教師可組織學生進行課堂討論,學生對自己在預習中的心得體會,以及對實驗中異常現象或疑難問題的觀察、思考進行討論,提出見解;對實驗結果進行分析、判斷,評價其可靠性和合理性;對定量分析及常數測定中的誤差、偏差進行分析,尋找產生的原因;對實驗方法、內容發表看法、意見,提出創新建議;對整體實驗的評說、創意等進行交流。從而提高了學生課堂表達、講演能力。

(3)實驗方法比較研究。

鼓勵學生對同一實驗采用不同方法。例如蛋殼中 Ca、Mg含量測定,可用的方法有:配位滴定法、酸堿滴定法、高錳酸鉀法[3]。學生在完成實驗后,可對不同的實驗方法進行比較、分析和討論,總結歸納不同實驗方法的優點與缺點。這樣不僅能提高學生選擇實驗方法的能力,而且更重要的是能拓寬學生的知識面。

5 教學效果

近年來,我校基礎化學實驗 (一)的教學改革得到學生認同。學生通過系統訓練,掌握了闡明化學原理的實驗方法;掌握了無機物的一般制備、分離、提純及常見化合物和離子性質鑒定的實驗方法;掌握了化學分析的常用方法,并能在試樣分析中加以應用;提高了學生的實驗技能和綜合素質,包括查找資料、獨立操作、觀察現象、獲取數據、分析問題、解決問題,實驗報告的撰寫,數據的處理和表達,最后得出結論等各個環節;提高了學生獨立工作的能力,增強了學生的創新意識,為高年級畢業論文的設計及今后的科研工作打下了基礎。

實踐證明:教學改革有力地支持了綜合性大學化學專業基礎理論課程體系,增強了基礎化學實驗(一)在教學中的比重和地位,不僅能使學生學到更多的實驗知識和理論知識,而且更有助于學生拓展思維空間,豐富知識面,基本上達到了預期的教學效果。

[1] 蔡維平.基礎化學實驗(一).北京:科學出版社,2004

[2] 崔學桂,張曉麗.基礎化學實驗(Ⅰ)——無機及分析化學實驗.北京:化學工業出版社,2003

[3] 倪哲明.新編基礎化學實驗(Ⅰ)——無機及分析化學實驗.北京:化學工業出版社,2006

國家基礎科學人才培養基金項目(J0630429)