融入統籌理念的分析化學實驗教學

姚奇志，金谷，李玲玲,2，李嬌,2，劉紅瑜,2

1中國科學技術大學化學與材料科學學院，合肥 230026

2化學國家級實驗教學示范中心(中國科學技術大學)，合肥 230026

分析化學是高校化學類專業的一門重要基礎課。歐洲化學協會聯合會定義分析化學是一個發展和應用各種方法、儀器及策略，以獲得物質在特定時間和空間有關組成和性質信息的科學分支。這就決定了分析化學是一門實驗性強和應用范圍廣的學科，涉及到化學、物理學、生物學、地質學、環境科學、醫療和食品等學科，與人們的日常生活和生產實踐息息相關。分析化學實驗是分析化學的重要組成部分，它是將一系列實驗操作與物質的組成、性質融為一體、理論聯系實際的綜合性課程。因此，分析化學實驗對學生理論知識運用，實踐技能和綜合能力的培養具有重要作用，是實施素質教育，培養創新人才，促進知識向能力轉化的重要平臺。分析化學實驗也具有內容多、操作步驟復雜、單元教學耗時長的特點，每一個實驗項目涉及玻璃儀器洗滌、試劑稱取、溶液配制、溶液標定和試樣溶液的滴定，甚至試樣的各種前處理等一系列過程。分析化學實驗課程的這些特點為開展統籌學理念教學提供了多維度空間。近年來，我們在日常實驗教學過程中，通過融入統籌學方法，指導學生科學合理地設計實驗過程，有條不紊地開展實驗，不僅提高了實驗課的效率和學生實驗預習的自覺性，實現知識技能傳授和統籌能力培養，而且也促進了學生對實驗內容的理解和掌握，提升了學生的實驗能力和綜合素質，取得了事半功倍的教學效果。

1 統籌學中的統籌方法介紹

統籌學是一門現代科學，是應用數學來研究和分析一項工作的合理組織與安排的科學。統籌學作為一門用來解決實際問題的學科，已經深入到日常生活中。數學家華羅庚以日常生活中的燒水泡茶為例給出了很好的說明：想泡茶喝，沒有開水，水壺沒洗，茶壺、茶杯也沒洗；火生了，茶葉也有了。怎么辦？泡茶各項準備工作所需時間見圖1。

圖1 泡茶前所需準備工作時間

方法甲：洗水壺，灌水燒水；洗茶壺、洗茶杯、拿茶葉；水開，泡茶喝。

方法乙：洗水壺，洗茶壺、洗茶杯，拿茶葉，灌水燒水；水開，泡茶喝。

方法丙：洗水壺，灌水燒水；水開；拿茶葉，洗茶壺、洗茶杯，泡茶喝。

哪一種方法省時高效？很明顯第一種方法更加科學合理，甲在16 min就可以喝茶，而乙、丙則需要19 min[1]。甲很好地規劃準備工作節奏，利用燒開水所需15 min的等待時間清洗茶壺、茶杯、拿茶葉，所以水開即可泡茶。華羅庚先生用日常生活中小事例生動地給我們闡釋了統籌學的應用。

2 分析化學實驗課程特點

2.1 數據要求嚴格，器皿潔凈度高

分析化學實驗是為了獲得被測物的濃度、含量等信息，側重培養學生“量”的概念。化學分析要求學生實驗結果的誤差不超過6‰-8‰。這就要求實驗過程中所用到的器皿必須用自來水清洗干凈，并用蒸餾水潤洗3遍，部分容量器皿須用操作液潤洗3遍，才能滿足誤差操作要求。因此，分析化學實驗中各類器皿的洗滌用時長。

2.2 操作步驟繁多，實驗耗時長

為了確保實驗結果的精密度和準確度，不論標準溶液標定，還是樣品的滴定，每位同學必須至少平行做3份，實驗任務重，操作步驟復雜，實驗所需時間長。

2.3 前處理過程復雜，操作要求高

從配位滴定實驗開始均有復雜的試樣前處理過程，前處理過程涉及到試樣加熱，調控溶液pH等操作，需要用到通風柜、電熱板等公用設備。而且該過程不僅要準確控制樣品溶液pH，對操作速度也有嚴格要求。例如，無汞鹽法測定鐵礦石中全鐵含量的預還原步驟，不僅要求控制好溫度，確保溶液中Fe3+完全被還原，而且要求盡可能快完成預還原操作，減小空氣中的O2對還原產物的影響。

2.4 操作要求規范，確保數據準確度

鑒于分析實驗對數據結果的嚴格要求，學生實驗過程中的關鍵操作步驟必須嚴格按照規范操作進行。規范操作是數據準確的根本保證，任何不規范的小失誤都可能帶來比較大的誤差，導致實驗失敗。

3 我校分析化學實驗教學現狀

經過二十余年教學改革和實踐，我校分析化學實驗教學水平和效果穩步提升。如今在實驗課堂上，學生“照方抓藥”的現象明顯改善。實驗前能夠針對實驗內容和步驟，認真預習和思考；實驗過程中，帶著自己的思考進行實驗，遇到異常現象能先思考再討論、請教。在綜合、探究、設計型實驗項目中，能運用所學理論知識展開深入探究，并發表課程研究相關的教學論文[2-4]。盡管如此，但在教學實踐中，我們也發現學生對整體實驗內容的把控能力和實驗過程統籌尚存不足，實驗過程中匆匆忙忙、丟三落四，實驗儀器擺放凌亂、臺面不整潔等現象時常發生，甚至有的學生在規定的實驗課時內，無法完成實驗。這些說明雖然學生掌握了基本操作規范，分析和解決問題能力也得到提升，但對實驗步驟安排、實驗時間分配、實驗儀器布局等不夠合理，統籌能力欠缺。

4 分析化學實驗與統籌方法

4.1 教學內容的統籌安排

根據知識體系循序漸進的原則，我校秋季學期分析化學實驗安排如表1所示[5]。首先是基本操作練習和簡單的酸堿滴定，逐步過渡到需要預處理控制溶液pH的配位滴定，發展到既有復雜預處理又有滴定條件控制的氧化還原滴定，最后完成自主探究實驗和開放設計實驗。

表1 分析化學實驗項目安排

基于該層次化、遞進式教學體系，我們在“安全教育，基本操作練習”單元，清楚交代實驗室的空間布局、試劑擺放規律，通風柜、電熱板等公用設備使用要求，使學生對實驗環境及硬件設施有總體的了解，以便后續進行統籌安排。“未知堿濃度測定”單元，通過介紹著名的“華羅庚燒水泡茶”統籌法，引入統籌理念；在“有機酸摩爾質量測定”實驗中，通過對具體實驗環節統籌實例講授，向學生展示統籌規劃的優越性。后續實驗中，要求學生在預習時，按照實驗內容和步驟，運用統籌學方法，設計出具體實驗流程。借助現代多媒體技術，通過翻轉課堂的教學模式，線上指導和線下討論相結合，逐步將統籌學方法引入實驗課堂教學中，培養學生的統籌能力，拓展實驗課教學的育人功能。

4.2 統籌方法引入實驗教學實例

以“有機酸摩爾質量測定”實驗中NaOH溶液標定步驟為例。原教材中實驗步驟：配制鄰苯二甲酸氫鉀標準溶液于250 mL容量瓶中，準確移取25.00 mL于錐形瓶進行標定，平行標定3份。為了便于統籌方法教學，我們將移液標定設計為單份稱樣標定，具體步驟如下：準確稱取0.4-0.6 g鄰苯二甲酸氫鉀于250 mL錐形瓶中，加25 mL蒸餾水，溶解完全后，滴加2滴0.5%的酚酞指示劑，用標準NaOH溶液滴定至出現穩定粉紅色半分鐘不褪去，根據消耗NaOH溶液體積計算出NaOH溶液準確濃度，平行標定3份，要求精密度小于2‰。此過程中，由于鄰苯二甲酸氫鉀晶體顆粒較大，完全溶解需要時間或者加熱，對該過程的處理可以有多種方法。圖2給出了標定前各項準備工作所需的預估時間。課堂上，通過提問、討論，同學們列舉了多種可能的途徑。

圖2 標定前準備工作所需要時間

方法甲：首先清洗所有實驗所需儀器，然后配制NaOH溶液，并將溶液加入滴定管；用托盤托著3個錐形瓶，帶好記錄本到天平室，分別稱取鄰苯二甲酸氫鉀于各錐形瓶中，用量筒各加入25 mL蒸餾水；放在電熱板上加熱至完全溶解，放置在實驗臺面冷卻至室溫，開始滴定；耗時61 min。

方法乙：先洗三個錐形瓶和量筒，分別稱取鄰苯二甲酸氫鉀于各錐形瓶內，用量筒各加入25 mL蒸餾水，搖勻放置在實驗臺；清洗其他儀器，配制NaOH溶液，并將溶液加入滴定管；此時，錐形瓶里基準物已經完全溶解，開始滴定；耗時23 min。

方法丙：清洗所有實驗所需儀器；配制NaOH溶液，并將溶液加入滴定管；拿著1個錐形瓶和記錄本到天平室，稱取鄰苯二甲酸氫鉀于錐形瓶內，用量筒加入25 mL蒸餾水，放在電熱板上加熱至完全溶解，放置在實驗臺面冷卻至室溫，開始滴定；再稱取第2份基準物……；耗時超過85 min。

顯然，方法乙的操作，科學地運用了統籌方法，對實驗內容進行了合理的安排和分配，充分利用溶解基準物所需要的時間進行其他準備工作，僅23 min就可以開始進行滴定。同樣的工作量，方法甲的操作中，沒有合理地利用溶解樣品所需時間，增加了加熱溶解及溶液冷步驟，61 min才能開始滴定。方法丙則照搬實驗教科書，沒有自己的思考，滴定前的準備工作耗時超85 min。

通過該課程教學案例講授和討論，使學生了解統籌方法是科學利用時間和資源的藝術。融入統籌方法的實驗過程，如同指揮一場戰役，需要運籌帷幄，提前布局，按計劃各“兵種”協同配合。

4.3 融入統籌方法的實驗教學成效

(1)內化了實驗內容：“學而不思則罔，思而不學則殆”。融入統籌學理念的實驗教學，學生在實驗預習階段，首先要了解實驗目的和原理，再結合所學理論知識，厘清各實驗步驟之間的相互關系和相互影響因素。哪些步驟可以同時進行，哪些步驟需要提前完成，哪些試劑只能現配現用等。只有這樣，才有可能對實驗步驟進行有效的整合，設計出合理的實驗流程圖。此過程不僅訓練學生的統籌能力，更加深了學生對實驗內容的掌握和理解，實現所學知識的內化。

(2)培養了學以致用的實踐能力：“紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行”。融入統籌方法教學后，要求學生在實驗前，規劃設計實驗流程，該環節既檢驗了學生對理論知識的理解和掌握，也為學生運用理論知識解決實際問題提供了機會，培養他們學以致用的實踐能力。例如：“返滴定法測定明礬中鋁含量”“無汞鹽法測定鐵礦石中全鐵含量”兩個實驗(表1)滴定前的預處理環節均需要加熱操作。在鋁含量測定實驗中，樣品溶液的加熱預處理可以同時進行，但同樣的操作在全鐵測定實驗中則不能生搬硬套，因為預還原產物Fe2+易被空氣中的O2氧化，3份樣品同時處理，則會產生比較大的誤差，導致實驗失敗，所以學生設計流程圖時，必須運用所學的氧化還原反應知識進行綜合分析。這不僅是一個主動思考的過程，更是鍛煉學生如何用所學理論知識解決實際問題的能力。

(3)提高了實驗課的教學效率，提升了學生綜合素質：“凡事預則立，不預則廢”。融入統籌方法的實驗教學實踐證明，學生逐漸養成了“先動腦后動手”的實驗習慣，培養了主動思考的能力，實驗效率明顯提高。在規定的實驗課時內，學生能很好地完成實驗任務，課堂秩序井然有序。不僅如此，學生撰寫的實驗報告條理性、系統性更強，對實驗現象和數據結果的分析討論更有深度，綜合實驗能力得到提高。因此，融入了統籌方法的分析化學實驗教學培養了學生合理規劃的統籌能力，提高了實驗效率，拓展了教與學的空間，學生綜合素質得到顯著提升。

5 結語

教學實踐證明，將統籌方法融入分析化學教學，學生實驗效率明顯提高，扎堆稱取試劑或扎堆排隊預處理，“想到什么做什么”的混亂現象不見了。取而代之的是學生實驗時，臺面整潔，儀器擺放有序，各自有條不紊地完成實驗。同時，學生對實驗內容的理解和掌握更加深入，知識運用能力明顯增強，實驗成就感和實驗興趣顯著提升。融入了統籌理念的分析化學實驗教學，不僅培養了學生良好的思維和實驗習慣，也促使教師不斷學習，完善自身知識、能力體系，保障分析化學實驗教學質量穩步提升。