基于工程實踐能力培養的比較法教學設計*

趙春玲,周開梅,胡愛紅,魏 鵬

（湖北工業大學材料與化學工程學院，湖北 武漢 430068）

分析化學實驗課是化學類相關專業的學科基礎課程,它在培養學生的思維能力、動手能力、創新能力以及分析解決問題的能力等方面具有重要作用[1-3]。但是,目前分析化學實驗課程還存在一些問題,如學生高中化學實驗基礎薄弱；部分學生被動照搬實驗步驟；考核結束后知識點的遺忘率高等等。特別引起我們注意的是,學生在后期參與科研活動獨立完成定量測定任務時,分析化學實驗技能運用的往往不夠熟練。

當前,在新工科建設及工程教育認證的大趨勢下,如何提升學生的工程實踐能力已成為高校亟待解決的問題[4-6]。因此,為了適應當前人才培養的需要,突出對學生工程實踐能力的培養,亟需改進分析化學實驗課程的教學方法。比較法應用范圍廣,是一種重要的研究方法[7-8],適合分析化學實驗課程細節繁多、要求嚴格的特點。因此,本文結合教學和指導學生參與科研活動的經驗,將比較法應用于分析化學實驗課的教學設計,旨在實現高效課堂,培養和提高學生的工程實踐能力。

1 稱量操作的比較法教學設計

稱量是分析化學實驗中重要的基礎操作之一。由于 “分析天平的稱量練習”是驗證性實驗,容易讓學生感到在照搬實驗步驟。而實際工作需要操作者根據不同稱量對象和要求做出正確的選擇。因此,面對缺乏工程實踐經驗的學生這一學習主體,以往經典的教學方法不能完全滿足培養工程類人才能力的要求,需要不斷創新傳統的授課方式。

目前實驗室常用的天平是電子分析天平和托盤天平(或普通電子天平）。教師在設計教學過程的時候,既要考慮學生是零起點且高中化學基礎差異較大,又要考慮讓他們對 “稱量”有一個總體認識。這樣才有利于學生在將來的實際工作中學會獨立思考、辨析問題本質并獨立解決問題的能力。因此,教師講授的不僅是某個操作單元的要點,而是要使學生能夠建立整體觀、課堂更加高效。改進后的具體措施如下。

(1）比較不同種類天平的稱量對象。首先教師展示電子分析天平、托盤天平(或普通電子天平）,強調在實際工作中,應根據不同稱量要求選擇不同的天平。稱量對象可選擇氫氧化鈉、鄰苯二甲酸氫鉀以及實際試樣如茶葉、Vc藥片、石灰石及水泥熟料等粉末物質。教師以直觀的樣品進行比較演示,很自然地引出為什么會有 “粗稱”和 “準確稱取”。而對于茶葉粉末等實際試樣,則可以根據是否要求定量測定以及文獻資料中是否有 “準確稱取”的要求等進行判斷。同時,也要強調各種天平共同需要注意的是都不能超出最大稱量,以保護儀器設備、培養學生的責任感。

(2）比較分析天平的兩種主要稱量方法:固定質量稱樣法和差減稱樣法。因為托盤天平的操作相對比較簡單,教師重點講解分析天平的相關稱量方法。大多數學生在高中階段接觸的是托盤天平,相比稱量瓶更習慣使用藥匙,可能就會出現一些不規范操作。所以需要引入新的教學設計,引導學生積極主動思考。演示對比兩種稱量方法在操作上非常特征的區別:前者采用藥匙,后者采用稱量瓶。固定質量稱樣法的特點是:接收器皿如表面皿要參加稱量,必須是潔凈且干燥的；稱量的對象不易吸潮、在空氣中性質相對穩定。差減稱樣法的特點是:接收容器如錐形瓶、燒杯不參加稱量；稱量瓶應在干燥器內保存；稱量的對象是易吸水、易與空氣反應、易氧化的試樣。應注意到固定質量稱樣法(如采用表面皿）要進行試樣的二次轉移,從這個角度上說差減稱樣法在應用時更有優勢。需要說明的是,差減稱樣法練習中要求采用潔凈且干燥的小燒杯作為接收容器,其主要目的是為了檢驗操作的準確度,而在實際工作中,因為定量測定任務一般都較繁重,錐形瓶或燒杯洗凈后只要外壁干燥沒有水分,就可以做接收試樣的容器。

因此,結合實際工作的真實情況進行演示講解,有利于學生建立自主解決問題的信心,更有利于學生能根據實際工作的要求正確地選擇設備和方法,而不是簡單地照搬實驗步驟。

2 溶液配制方法的比較法教學設計

配制溶液是實用性非常強的重要操作。實驗課前對部分新生的調查結果顯示:配制一瓶濃度大致為0.2 mol·L-1氫氧化鈉溶液時,有人錯誤地選擇了容量瓶,原因是他們認為越精確的玻璃儀器越好。高中學對氫氧化鈉會腐蝕玻璃的性質非常熟悉,但面對真實的配制過程,卻忽略了這一點。事實上,氫氧化鈉即使沒有腐蝕性,它的純度也決定了不需要用容量瓶配制,否則在實際工作中就是增加了不必要的步驟。書本知識較熟練但未與實踐相聯系的情況是比較常見的。因此,設計了兩種配制溶液方法的比較法教學過程,即粗配溶液以及準確配制溶液的過程。

教師首先演示比較試劑瓶和容量瓶的精度,強調試劑瓶是容器而容量瓶是量器。盡管有的試劑瓶帶有刻度,粗配時先在小燒杯內溶解,然后轉移至試劑瓶用水稀釋到刻度,但是這個體積是粗略的,不能因此誤認為試劑瓶是量器,相比之下容量瓶才能真正起到 “定容”的作用。當然也要認識到容量瓶的這種定容作用是 “瞬時”完成的,此時的濃度已確定,即使不腐蝕玻璃也沒必要儲存溶液。

兩種不同的溶液配制方法各具特點,理論基礎卻是同一個公式,即c(物質的量濃度）=n(物質的量）/V(溶液的體積）。試樣即溶質如果純度達不到喲求,就意味著n是不確定的,所以在確定體積這一步過于追求精度的意義不大。對于基準試劑來說一定的質量就意味著n是確定的,所以對體積才有更高的要求,即要求在操作上采取 “定容”這一關鍵步驟。

另外,學生參加實際工作時對易水解鹽類的配制不熟練,表面原因是文獻資料上沒有寫明需要采取預先加酸等措施,實質是理論知識和實驗操作脫節造成的。教師可以演示溶質水解和正常配制的現象加以比較。因此,配制溶液時應關注溶質的性質和容器的特點,才能順利完成任務,也就落實了將工程實踐能力的培養融入到教學中。

3 分光光度法實驗的比較教學法設計

分光光度法的經典實驗是 “鄰二氮雜菲分光光度法測定鐵”,由于學時限制,一次課上學生反復演練的時間短。跟蹤學生在后期其他課程實驗、各類科研活動中的實際表現,尤其是當儀器更換型號之后,學生自主應用分光光度計的熟練程度還有所不足。學生通過理論課學習了朗伯-比爾定律,但還不能將自己對公式的認知和現實應用的場景相聯系。新的比較法教學設計重點就是要引導學生如何快速把抽象符號轉化成現實操作。

首先,比較光強I、透光率T與吸光度A。教師要講解清楚分光光度計實質直接測量的是光強,儀器進一步計算出透光率和吸光度。又因為在檢流計標尺上,透光率的刻度才是均勻的,所以分光光度計在操作上的本質是 “測I調T讀A”。然后再回歸教材講解如何調T=0以及調T=100%。因此,通過比較三個物理量,抓住了實驗的理論知識點和操作要點。即使離開了書本和熟悉的儀器,也能夠做到心中有數,提高應變能力。

進一步地,吸收曲線和標準曲線它們在操作上有共同點:反復進行 “調T讀A”。不同點是所需標準溶液的個數:前者1個,后者5個以上且具有濃度梯度；前者需要換波長,后者固定在某一波長處。同時,針對有少量學生會將比色皿的透光面和毛玻璃面放反的問題。教師同時演示兩只比色皿透光面和毛玻璃面造成的實驗后果,比起以往只演示一只比色皿更為直觀有效。

拓展比較:演示比較玻璃和石英(注:紫外實驗才用到）兩種材質的比色皿。既可以避免應用時出錯,也有利于培養學生的思辨能力和工程實踐能力。

4 結 語

綜上所述,將比較法教學設計應用于分析化學實驗教學,具有以下幾個方面的優點。

(1）新的比較法教學設計從實際工作角度出發,以理論知識、具體操作和現實場景的有機融合為原則,盡量實現化繁為簡,有利于激發學生的學習興趣、培養他們積極主動思考的能力。

(2）新的教學設計貼合初學者這一學習主體的認知水平和特點,有利于幫助學生建立自主學習的信心。

(3）實驗過程中學生的大部分注意力都在具體步驟上,容易忽視實驗原理。比較法教學可以有效地改善這一情況,能讓學生更深刻地感悟到,看似簡單枯燥的公式原理卻具有指導實際操作的重要作用,從而訓練他們敢于并善于去應用所學知識的能力。

(4）新的比較法教學能更好地引導學生建立全局觀、大局觀和整體觀,防止片面看待問題。

和專業課程不同,基礎化學實驗課程難以展開具體工程案例,但是分析化學實驗課應用性很強,與生產實際的聯系非常緊密。因此,教師應重視這一特點,利用好實踐教學環節逐步培養學生的工程思維,最終讓學生感受到 “學能所用”。總之,新的教學方法可以強化對學生的工程思維和工程實踐能力的培養。