分析化學課程融入思政元素的若干探索

甘峰，朱芳

中山大學化學學院，廣州 510275

中國特色社會主義高等教育的一個重要目標是培養社會主義的合格建設者和接班人。為了實現這個目標，在高等教育中加強學生的思想政治教育就是一件非常重要的工作。隨著中國的改革開放日益擴大，國外的多元化思想也通過各種渠道進入到了國內，對于高校學生的思想政治觀念產生了巨大的影響。鑒于此，2005年3月9日，中宣部和教育部就印發了加強和改進高等學校思想政治理論課的指導意見，明確要求高等院校加強學生的政治思想教育[1]。習近平總書記敏銳察覺到當今之世界正面臨百年未遇之大變局，兩次在重要場合對高等院校政治思想工作做出新的指示[2,3]，不但要求提升政治思想課的教學水平，還要求“其他各門課都要守好一段渠、種好責任田，使各類課程與思想政治理論課同向同行，形成協同效應。”為了更好地貫徹黨中央的重要指示，教育部專門發布了《高等學校課程思政建設指導綱要》，對于專業課程教學中如何引入思政元素給出了詳細的指導[4]。由此可以看出，我國對于思想政治教育的重視程度達到了一個前所未有的高度。對于專業課教學而言，如何在講授專業知識的同時融入思政元素，就是每個專業課教師必須思考和探索的課題。

分析化學是高校教學內容體系中的一門重要基礎課程，許多專業都將分析化學課程作為專業必修課或選修課，學生受眾非常廣，分析化學的教學課堂因而也是進行思政教育的一個重要陣地。各高校或專業講授分析化學課程的教學時間會有不同，一般都在一、二年級完成。這個時期的學生處于一個非常特殊的狀態，一方面他們已經學習了相關的思想政治課程，另一方面他們又可以從各種渠道廣泛接觸到各種媒體信息，各種觀念對于他們的思想造成反復的沖撞，因而這個時期如何延續思政教育對于學生形成正確的思想觀念至關重要。所以，如何在這個時期的分析化學課程教學過程中融入思政元素，如何引導學生沿著正確的世界觀方向繼續發展就顯得非常的重要。從文獻調研的情況看，在分析化學教學中融入思政元素的探索工作也是在近年才展開[5-9]，還有許多工作需要去做。

本文的目的是探索在分析化學教學過程中如何融入思政元素。與以往工作的不同之處是，作者擬從酸堿滴定法、配位滴定法和滴定終點誤差計算式三個方面來探索如何引入思政元素，從而實現從專業知識體系內涵的深度發掘和知識體系的創新來達到思政教育的目標。

1 酸堿滴定法中的兩個課程思政元素

1.1 從共軛酸堿定義的深度剖析提升學生的認知水平

1923年，布朗斯特（N.Br?nsted）提出酸堿質子理論，定義酸是質子的供體，堿是質子的受體。酸給出質子后變成了它的共軛堿，堿接受質子后變成了它的共軛酸。這個定義的出現是為了解決阿倫尼烏斯（S.A.Arrhenius）提出的酸堿電離理論的不足而提出的一個新的酸堿定義。酸堿電離理論的框架中，把電離出的陰離子全部都是OH-的物質定義為堿。然而，越來越多的化學事實證明，很多的物質會導致其水溶液中OH-的增加，但是這種增加不是該物質電離出OH-，而是因為它們奪取了水中的氫離子，由此導致水溶液中的OH-的增加。

布朗斯特的酸堿定義放棄了以物質釋放出氫離子或氫氧根離子的方式來定義酸或堿，而是從釋放或得到氫離子的角度來重新定義酸或堿。從文字上看雖然平平淡淡，但是這個定義卻蘊含著把酸和堿看作是辯證統一體的這樣一種思想。在酸堿質子理論的框架下，酸與堿可被視為是同一物質的兩種表現形式，它們借助于氫離子作為紐帶進行轉化。實際上，基于酸堿質子理論，可以得到一個學生們熟知的式子（式（1））。（本文出現的式子，非必要時不做額外解釋。下同。）

式（1）表明，Ka和Kb兩個參數其實只需要一個就足夠了，這也是我們需要向學生強調的一個關鍵點。這個結果究竟意味著什么呢？更進一步的思考可以發現，酸堿質子理論實際上包含了更深一層的涵義：酸與堿只是在釋放氫離子的能力方面存在差異。基于這層涵義，可以要求學生從酸的角度去看待物質，對于學生認知能力是一個挑戰。但是，如果學生一旦深入領會到了這一層涵義，對于他們在后續內容的學習方面就會起到巨大的幫助。為了讓學生更好地理解這一思想，我們直接給出氨的水溶液中兩種型體的分布分數計算式，如下：

我們在給出這兩個式子時，不解釋這個溶液體系是來自于氨氣溶于水中，還是銨鹽在水中解離。只是讓學生從共軛酸堿體系中的型體在釋放質子的能力方面去分析和思考這兩個式子。同時，我們布置一道作業，讓學生從NH3的Kb值去建立氨溶液體系中各型體的分布分數，并轉化為式（2）和式（3）。這樣一來，可以讓學生帶著疑惑進行思考，最終提升學生對于共軛酸堿理論的認知水平。

1.2 從酸堿滴定通式的建立過程領會從量變到質變

酸堿滴定方程描述滴定過程中隨著滴定劑的加入體系中pH的改變，酸堿滴定法根據滴定過程中pH的突變位置進行定量分析。所以，酸堿滴定方程的建立和滴定曲線的計算是酸堿滴定法教學內容體系中的核心內容。國內外的許多學者在建立酸堿滴定方程方面做了大量的工作，其中以德勒維（R.de Levie）[10]建立的酸堿滴定通式達到一個相對完美的境界。德勒維建立的酸堿滴定通式如下：

這里，下標t表示滴定劑；下標s表示樣品；Δ = [H+]- [OH-]；η = Vt/Vs；F是質子結合（或解離）函數，它是與溶液中的型體的分布分數相關的量，反映出得失質子的能力。

這個滴定方程在數學上是非常優美的，因為如果不區分下標，則分子項和分母項完全一樣！分子項和分母項究竟放入什么物質，并無特殊的限制，只是在F函數的計算上按照一定的規則進行即可。然而，令人感到不解的是，如此優美的數學表達式自1996年建立起來之后，一直都沒有進入到國內外的主流分析化學教材中。國內只有本文作者之一甘峰[11,12]將酸堿滴定通式引入到教學內容體系之中，這是符合“守正和創新相統一”的要求的。

在教學的過程中，我們首先把上述的問題提出來，讓學生們思考。然后，我們針對有代表性的滴定體系，采用從易到難的方式推導出相應的滴定方程。例如，用氫氧化鈉溶液分別滴定鹽酸、醋酸和磷酸時，可以從質量平衡和電荷平衡建立相應的滴定方程，它們如下：

從式（5）至式（7）的建立過程中，學生會發現：看似復雜的體系，居然有著非常簡潔的滴定方程。并且，這些滴定方程有著這兩個共性：（1）作為滴定劑的氫氧化鈉總是在分母項；（2）分子項都是酸的分析濃度乘以一個F函數并加上Δ項。這種由簡到難的過程，一方面可以消除學生的畏難情緒，另一方面也可以激發挑戰更為復雜體系的欲望。

在上面的基礎上，我們再度增加難度，提出這樣一個問題：如果用氫氧化鈉溶液滴定由鹽酸、醋酸和磷酸構成的混合酸，滴定方程應該有怎樣的形式？當然，在課堂上可以推導出這種情況下的滴定方程為：

式（8）又包含怎樣的內在涵義呢？它意味著在滴定過程中，混合體系中每個組分都是獨立的項。類似地，如果用混合堿滴定混合酸體系，那么分母項也會是混合堿中各組分的獨立的項的加和。德勒維正是在這樣的思維基礎上，直接給出滴定通式（4），由此實現從量變到質變的一個突躍。在教學過程中，要讓學生充分領會到這個量變到質變的過程，不是簡單的堆積實例，而是在對于共軛酸堿概念的深入理解，以及正確地認識到酸與堿是辯證統一體的基礎上升華實現的。借助基于酸堿滴定通式開發的輔助教學工具[13]，學生可以對各種復雜的體系進行學習和研究，對于酸堿滴定方法的技術細節有更為深入的理解。這樣的教學途徑，對于學生而言不但是一個知識進步的過程，也是一場思維洗禮的過程。

2 配位滴定法中的兩個課程思政元素

2.1 對配位滴定體系主、副反應泛化處理以消除思維桎梏

配位滴定法是較酸堿滴定法更為復雜的一類方法，原因在于該類方法所涉及的影響因素太多，且理論體系并不完善，常常使得學生感到難于把握。例如，一個最基本的問題是配位反應體系中主、副反應的劃分方式，從形式上似乎合理，但是從邏輯上看又存在難于逾越的困境。圖1所示是我們在教學過程中所使用的主、副反應劃分方式[12]。

圖1 配位滴定法主、副反應示意圖

圖1中所示的主、副反應劃分方式與當前國內外主流分析化學教材不同，我們有意將EDTA與其他金屬離子的副反應忽略掉了。我們之所以采用這樣的做法，目的是為了消除經典教學內容體系中存在的邏輯缺陷。原因在于，其他干擾金屬離子固然會在滴定過程中爭奪EDTA因而表現為副反應，但是設定為主反應的金屬離子也會與其他干擾金屬爭奪EDTA，故相對于其他干擾金屬離子，它也是副反應，由此陷入了邏輯循環。更糟糕的情況是，滴定過程中所有金屬離子的濃度實際上都發生改變，這就使得副反應系數本身成為一個變量而不是固定值，從而難以準確地描述副反應的影響程度。這類問題在教學過程中常常有學生提出來，如果不能把這些問題闡述清楚，就無法讓學生對配位滴定法的理論體系獲得正確的認知。

打破這個邏輯循環的一個簡單做法就是如圖1所示，放棄將EDTA與其他金屬離子的反應作為副反應這一劃分方式。這樣的做法從表面上看似乎不合理，但是實際上又蘊藏著合理的成分，因為它符合EDTA與所有金屬離子都會發生很強的配位反應這一事實。通過這種“分析問題、思考問題”的方式，而不是回避學生發現的問題，才能以隱性的方式實現思政教育之目的。在后面建立配位滴定通式的過程中，學生將會看到，這種對于副反應的泛化處理，拓展了配位滴定理論體系的疆界。

2.2 以配位滴定通式的建立過程激發學生的“創新意識”和“文化自信”

本文作者之一甘峰[11]在編著《分析化學基礎教程》一書時，首先撰寫的是酸堿滴定法這一章，緊接著開始撰寫配位滴定法這一章的內容。由于酸堿滴定通式的優美性和有效性一直感染著作者，促使作者思考能否為配位滴定建立一個通式。最終經過深入的研究建立了基于EDTA的配位滴定通式[14]，如式（9）、式（10）所示（注：按照新版教材重新表達[12]）：

式（9）和式（10）共同構成配位滴定通式，理論上可以計算EDTA通式滴定任意多個金屬離子的情形。配位滴定通式之所以能夠建立，其中一個重要的條件是泛化了主、副反應的處理方式。而配位滴定通式的建立，又為學生深入理解配位滴定的詳細過程提供了條件。圖2和圖3所示分別為用EDTA滴定銅、鋅離子構成的混合體系的滴定曲線和形成的配合物的濃度變化曲線。

圖2 EDTA滴定銅、鋅離子混合溶液的滴定曲線

圖3 滴定中形成配合物的濃度變化曲線圖

由于銅離子與EDTA的標準形成常數大于鋅離子與EDTA的標準形成常數，正常情況下應該是優先滴定銅離子。但是，當前的外部條件發生了改變：溶液中存在氨。氨可以與銅、鋅離子形成配合物，它使得整個反應體系發生了主、次易位。圖3的結果也表明鋅離子與EDTA的配合物優先形成。這個例子表明，配位滴定通式的建立，讓我們有了更好的分析配位滴定體系的理論工具。類似的例子在新版的教科書中有很多[12]，限于篇幅不一一列舉。這個理論是由中國人建立的，它改變了當前分析化學教科書中的內容多為外國人所建立的這樣一種狀況，是讓學生形成“文化自信”的一個很好的示例。

實際上，配位滴定通式的作用遠不止此。從圖3可以看到，配合物ZnY2-的濃度最大值在化學計量點的附近，大量的計算均表明類似的規律總是出現。在10多年前，本文作者之一甘峰就關注到這一規律可用于定量分析[15]，并進行了長期的思考和研究，最終在2020年發表了另一篇科研論文[16]，建立了基于儀器分析的絕對定量分析的數學理論。這一工作表明，中國人不但有能力建立起原創性的配位滴定教學內容，也有能力建立起原創性的科研工作。這種從教學到科研的貫通過程，顯然可以成為激發學生更加重視教學內容學習的一個很好的示例。

3 滴定終點誤差計算式中的課程思政元素

分析化學中滴定終點誤差的計算非常重要，它用于衡量一個滴定方法的準確度。一個滴定方法的終點誤差只有在一個可接受的范圍內，這個方法才有實用價值。當前國內的分析化學教材中絕大多數使用林幫公式計算終點誤差[17]。但是，從我們所能找到的歐美的一些主流分析化學教材中卻看不到林幫公式的身影，這不但困擾著教師，也困擾著學生。在教學領域，國內一直提倡與國際接軌，但是為什么在計算滴定終點誤差計算方面又與國際脫軌呢？這背后的真相究竟是什么？誰是真理，誰是謬誤！不僅教師應思考，學生也時常會問到。而教師的回答正確與否，對于學生真理觀的形成顯然有極大的影響。

實際上，在分析化學教學界對于林幫公式一直有質疑之聲。例如，畢鳳麗等[18]質疑林幫公式推導過程采用了近似處理，因而自身就是一個近似公式。邵利民[19,20]質疑其計算上的復雜性，提出以滴定的化學計量點和終點時的體積值計算終點誤差，該法實際上也是國外主流分析化學教材中普遍采用的方法。但是，僅僅從林幫公式的近似性以及計算過程的復雜性進行質疑，顯然不能從根本上揭示林幫公式的對錯問題。

2019年，本文作者發表了一篇論文，對林幫公式再度進行討論[21]。本文作者的做法是直接以終點誤差的主流定義為基準，從數學上揭示林幫公式的本質。滴定終點誤差的主流定義如下：

林幫的滴定終點誤差計算式及其展開過程如下：

從式（12）的結果可以看到，由于Vep≠ Vsp，所以林幫公式從數學上就偏離主流的終點誤差計算結果。這個結果表明，如果我們接受主流的滴定終點誤差定義，那么選擇林幫公式作為計算滴定終點誤差的做法就是不合適的。并且，如果再考慮到林幫公式在建立過程中還采用了近似處理[17]，則林幫公式的真理性是完全值得懷疑的。以嚴格的數學推理的方式來回答林幫公式的真理性問題，暗合了馬克思所說的：“理論只要徹底，就能說服人。”相較于其他的做法，式（12）顯然更具有說服力，更容易被學生所接受。

從式（12）的推演過程來看并不復雜，只需具有中學數學知識就可以做到。在課堂上強調這一點非常重要，如此才能讓學生體會到否定前人提出的理論有時候并不需要很高深的知識，也才能起到打動學生和引導學生的效果，實現在顯性地講授專業知識的同時，以一種隱性的方式培養學生敢于挑戰現有的理論知識體系的勇氣和信心，為他們未來從事創新性研究奠定思想基礎。

4 結語

本文以三個方面的實例對于分析化學教學中引入思政元素進行了初步的探索。從中可以看到，教學內容體系自身及其發展過程其實就蘊含著許多的思政元素。要達到好的思政教育效果，挖掘當前知識體系的內涵是很重要的一個方面，而“及時更新教學內容、豐富教學手段”也是非常重要的一個方面。酸堿滴定通式的引入和配位滴定通式的引入，是在原有教學內容體系的基礎上對于相關知識的深入推進和拓展，它以啟發學生進行辯證思考的方式使學生掌握滴定方程的建立方法。而對林幫公式的再度討論，則是啟發學生理性分析現實問題。我們相信，通過從教學內容中發掘思政元素，是可以實現專業課教學與思政教育同向同行，互相促進，實現“立德樹人”之最終目標。