思維導圖在無機化學實驗教學中的應用

劉 洋，易正戟，毛芳芳，陳滿生，鄭志輝

(1.衡陽師范學院 化學與材料科學學院，湖南 衡陽 421008；2.衡陽師范學院 教育科學學院，湖南 衡陽 421008)

無機化學實驗是高等院校化學專業以及生物科學、環境科學、醫學等近化學專業的必修課程，是進入大學階段接觸的第一門基礎實驗課程，學好這門課程對于培養良好的科學實驗素養及后續課程的學習有重要作用。一方面，隨著高校轉型發展的不斷深化和對應用型人才培養方式的改革，對傳統無機化學實驗教學內容、教學方法及教學評價提出了更高的要求，如在無機化學實驗項目上刪減部分重金屬元素的實驗項目、在某些實驗中試劑用量作減量處理、增加設計性實驗和開放性實驗的比例，這些改革措施確實適應了高校轉型發展的需要。從另外一方面看，化學專業學生自大一開始即接觸無機化學實驗，之后每學年都會有化學的實驗，但從效果上看，以筆者的任教經歷為例，有相當數量的學生在做科技創新的實驗、畢業論文等時所表現出的實際操作能力卻很欠缺，為什么每個學期的化學實驗訓練效果在科技創新實驗乃至最后的畢業論文階段得不到應有的展現呢？從學生的學習方法及教師的教學手段來看：學生在預習、實驗過程、及實驗后的實驗報告存在一種普遍現象，即預習過程大多停留在抄寫教材內容；實驗過程通常是“照方抓藥”；實驗報告缺乏對實驗過程的思考和分析。教師在教學中也受到困惑，講解細致，內容量大，一股腦灌輸的話學生接受起來困難；講解粗略，實驗結果不容易實現。學生和教師在教學過程中的問題固然是由于個體而有所差別，但其中一個客觀因素也在于教材內容的講解邏輯順序與學生和教師的思維過程存在偏差。思維導圖是一種將頭腦中進行的抽象的思考狀態用線條、圖形等形象化的手段加以呈現的思維工具和技術形式，被視為外化的“精神圖譜”[1-2]。在最初的研究中，思維導圖基本上被應用于中小學教學活動，近年來，思維導圖開始被探索應用于大學英語、物理、化學、信息技術、臨床醫學等專業課程教學實踐活動中[3-4]。合理設計思維導圖的內在根據源自對知識的正確理解與意義建構，但目前關于無機化學實驗的思維導圖的設計還較缺乏，因此基于無機化學實驗的思維導圖設計將是對無機化學實驗教學改革的有益探索。

化合物的性質實驗及制備類實驗是無機化學實驗的主要類型，本文以氧化還原反應實驗和硫酸亞鐵銨的制備為例進行討論。本研究授課對象為大學本科化學(師范)、應用化學專業，使用教材為北京師范大學等校合編《無機化學實驗》(第四版)。

1 氧化還原反應思維導圖設計

氧化還原反應實驗是大學無機化學實驗的重要內容，通過觀察實驗現象使學生掌握電極的本性、電對的氧化型或還原型物質的濃度、介質的酸度等因素對電極電勢、氧化還原反應的方向、產物、速率的影響。由于此實驗為驗證性實驗，實驗內容繁多，學生在進行實驗時往往每做一個對照教材的某一個部分，不能很好領會整個過程。

氧化還原反應是無機化學理論和實驗教學中的重要組成部分，自中學開始即接觸這一概念，但此時只停留在化合價的升降和有限的實例上，在大學階段的學習主要是以氧化還原電對的電極電勢為出發點來探討氧化還原反應過程，根據化學反應方向的判據，當兩個氧化還原電對在發生化學反應時，其自發進行的方向是電極電勢較大的氧化態與電極電勢較小的還原態之間發生反應，轉化生成對應的還原態和氧化態。另外，根據能斯特方程，一個氧化還原電對的電極電勢受到氧化態、還原態濃度、溶液pH值以及電極反應中其他離子濃度等因素的影響。因此，對氧化還原反應實驗原理的思維路徑也就是按照濃度、pH值“氧化還原電對電極電勢”氧化還原反應這一順序展開。實驗過程分五個部分：j濃度對電極電勢的影響；k氧化還原反應和電極電勢；l酸度和濃度對電極電勢的影響；m酸度對氧化還原反應速率的影響；n氧化數居中的物質的氧化還原性。實驗j通過設計原電池和電解池，觀察指針的偏轉，觀察實驗現象，其結果由濃度和電極電勢的關系—能斯特公式加以解釋。實驗k觀察三個反應現象，根據氧化還原反應進行方向與電對電極電勢大小之間的關系，從而推測三個氧化還原電對電極電勢的相對大小。在實驗l中，改變酸度，觀察還原產物的不同或產物顏色的變化，從而驗證酸度和濃度變化對氧化還原反應過程的影響。實驗m的速率快慢現象推測在氫離子濃度越大，其含氧酸氧化性越強。實驗n觀察處于中間氧化數的物質的反應。

在思維導圖設計(圖1)中，五個實驗內容用箭頭表示對應的實驗原理的相應位置；每一個實驗內容的思維導圖中僅標明進行的離子反應的反應物，學生通過思維導圖進行實驗，可以在思維導圖設計中用鮮明字體標出，并對實驗現象進行解釋；對于涉及的一些操作過程，以備注的形式標出，如設計原電池、濃差電池和電解池的操作。

圖1 氧化還原反應的思維導圖設計Fig.1 The mind maps of oxidation-reduction reaction

2 硫酸亞鐵銨的合成思維導圖設計

制備類型的實驗是無機化學實驗的主要內容之一，通過這些實驗，學生不但可以掌握本次實驗中目標產物的制備方法，而且，還可以使他們掌握溶解、加熱、過濾、蒸發、結晶、干燥、稱量等一系列基本操作。硫酸亞鐵銨的制備是典型的無機制備實驗，在實際教學過程中發現，學生做實驗時往往忽略教材上沒有提及的關鍵細節，如保持小火加熱、結晶階段停止加熱時機及充分靜置等結晶條件的影響，同時，思維導圖(圖2)中也包含了實驗中涉及的一些基本單元操作，并展開為學生需要掌握的要點。

圖2 硫酸亞鐵銨制備實驗思維導圖設計Fig.2 The preparation of the ferrous ammonium sulfate

3 結語

思維導圖作為簡單有效的思維手段，能提高記憶和學習效率。教師不但可以通過設計思維導圖，理順教學思路和組織授課語言，而且進行實驗授課時應用思維導圖講解實驗內容使整個教學過程脈絡清晰，提高授課效果；學生也可按照思維導圖進行預習和課后復習，有利于邏輯思維和發散思維養成。本文以氧化還原反應性質實驗和硫酸亞鐵銨制備實驗為例，設計和分析了無機化學實驗中的兩種主要類型-性質類型實驗和制備類型實驗的思維導圖。這樣的設計思路不但對于對無機化學實驗的其他項目有借鑒作用，而且可以推廣到有機化學實驗、分析化學實驗的教學方法改革中。