金課建設背景下無機及分析化學習題的改革與實踐*

景紅霞, 李巧玲, 武志剛, 段紅珍，焦晨旭

(中北大學 理學院化學系，山西 太原 030051)

教育部《關于一流本科課程建設的實施意見》(教高[2019]8號)文件明確指出：“要加強研究型、項目式學習，豐富探究式、論文式、報告答辯式等作業評價方式，提升課程學習的深度。加強非標準化、綜合性等評價，提升課程學習的挑戰性”，對“金課”建設提出了明確的指導和要求?！敖鹫n”即一流課程，是高校課程未來發展的新形態，是推動高等教育教學質量改革，實現高等教育內涵式發展的必然趨勢，一時之間成為高校教育教學改革方向[1-2]。

《無機及分析化學》是《無機化學》和《分析化學》兩門課程的有機整合，其后續課程是《有機化學》《物理化學》等相關基礎課及專業課。因而，無機及分析化學的“金課”，不僅要包含相關理論基礎知識，還要結合學科發展前沿，讓學生掌握基礎知識和技能，訓練其思維能力和創新能力[3-4]。習題是搭建學生學習理論與聯系實際的重要橋梁，對于學生鞏固基本知識點，培養正確思維方法和靈活運用基本知識解決實際問題的綜合能力具有重要意義[5]。本文以《無機及分析化學》課程為例，探討課程建設中的有關習題的改革，即非標準答案試題的實踐過程與教學效果。

1 《無機及分析化學》習題的改革

無機及分析化學的課后習題，大多是以鞏固章節所學知識為目的而設定的，其特點是條件充足，結論唯一，基本上都有標準的答案，學生只需根據某個知識點的內容套用公式，即可算出答案。這種以強化知識和套用公式的學習，更多地是關注學生學習的結果，只能使學生積累一些基礎知識，卻無法培養學生應用知識的綜合能力和自主創新能力。而且，這類習題難度不大，沒有挑戰性，學生會感到枯燥乏味，難以引起學習興趣。

開放式習題是僅給出框架性和方向性要求，不給出具體的已知條件，學生需要通過查閱資料或自己設定部分條件進行習題的求解，因而這類習題沒有標準的解題過程和答案。

因此，針對上述問題，為了激發學生學習興趣，培養學生應用知識的能力和創新能力，以教育部教高[2019]8號精神為指導思想，我們在《無機及分析化學》課程中增設非標準答案習題—開放式習題。首先，我們結合我校各專業需求，設計出《無機及分析化學》課程開放性習題，并制定出評價標準。然后，將其廣泛應用在教學中，并將其引入到期末考試中，以達到激發學生學習興趣，培養學生自主創新意識和創新能力，提高學生綜合應用知識的能力的目的。

1.1 增設解決實際生產生活的開放式習題

在習題中增設能解決實際生產生活的開放式習題。學生在解答此類開放式習題時需要建立一個知識網絡并從中提取解題的關鍵點，而構建知識網絡的過程就是梳理知識之間聯系的過程。通過完成此類開放性習題，不僅讓學生跳出“公式—計算—唯一標準答案”的傳統思維模式，而且使學生對無機及分析化學產生了濃厚的興趣，覺得這門理論課程能解決較多實際生產、生活問題，從而提高學生應用知識的綜合能力。

1.2 增設充滿想象力的開放式習題

在學生能較好地解決實際生產生活習題的基礎上，增設充滿想象力的開放式習題。愛因斯坦說過：“想象力比知識更重要，因為知識是有限的，而想象概括一切，推動著進步，并且是知識進化的源泉”?？梢?，沒有想象就沒有創造，善于創造之人必善于想象。因此，在開放式習題的設計中加入富有想象力的元素。通過完成此類開放性習題，使學生在學習和應用知識的過程中，更要想象、獨立思考、自由探索，從而激發學生異想天開、創新創造的能力。

1.3 建立開放性習題評價標準

對于《無機及分析化學》課程的非標準答案試題，我們主要從三個方面對其進行評價：第一，學生獲取所需資料的能力；第二，學生面對生產生活實際問題時，能綜合運用所學知識去分析問題、解決問題的能力；第三，學生能充分發揮想象，從新的視覺去發現自然界中可利用無機及分析化學原理解決的事或物。

2 《無機及分析化學》開放性習題的設計及實踐

2.1 解決實際生產生活的開放性試題的設計及實踐

《無機及分析化學》課程是化工、環境等專業的理論基礎課，是培養各專業人才的理論基石。因此，本課程設計能解決實際生產生活的開放性試題，既能引起學生對化學相關課程的興趣，又能為后續課程的學習打下堅實的理論基礎。

案例1：實驗室有一瓶含有甲酸的試液，欲測出甲酸的含量(不考慮干擾因素)。

1)請問可以采用哪些方法進行測試？

2)在以上可行的方法中選擇一種方法，設計其具體實驗方案，并寫出甲酸含量的計算公式。(如選擇滴定分析法請從滴定分析的可行性，反應原理，指示劑的選擇依據等方面考慮)

這是一道綜合性較強的題，學生首先要考慮甲酸的性質，甲酸既具有酸性，又具有還原性，所以如果采用化學分析法計算其含量，則可以利用酸堿滴定法或者氧化還原滴定法，然后根據滴定分析的判據以及指示劑的選擇依據，可選擇酸堿直接滴定法和氧化還原返滴定法。如果采用儀器分析法計算其含量，可以利用電勢分析法，即設計測定容易pH的工作電池，來分析甲酸含量。

案例2：實驗室欲用Ag+/Ag和Fe3+/Fe2+兩個電對組成原電池，原電池反應如下：

1)判斷該原電池反應在 298 K，標準狀態下能否自發進行？并從熱力學角度加以證明。(自行查找相關數據)

2)該原電池反應在 298 K 時進行的程度如何？

3)如果該原電池反應在標準狀態下能自發進行，請自行設計實驗條件，使該原電池反應能逆向自發進行。從改變溶液濃度、生成沉淀或生成配合物三個角度設計，寫出具體實驗方案，并從熱力學角度加以證明。(三個角度只需選擇其中一個角度加以設計、證明。)

這一題為原電池的設計，表面上看屬于氧化還原平衡中的內容，但要解答此題，卻要利用熱力學知識判斷反應方向，化學反應限度和化學平衡移動原理，判斷反應進行的程度和改變反應方向的影響因素，而設計具體實驗條件時就要用到酸堿平衡、沉淀平衡和配位平衡的知識。

學生通過完成此類題目，第一，可以建立根據分析對象和分析要求選擇適合的分析方法、設計相應的測試條件，并正確處理分析結果的思維。第二，可以搭建處理常見化學反應的思維。即，反應能否正向自發 — 如能正向自發，得出反應的限度 如何通過改變反應的條件，改變反應的方向。第三，在解決以上題目遇到困難時，學生可通過查閱書、資料或者找老師答疑等方式予以解決。通過完成此類題目，使學生對本課程產生興趣，發現這門課程可以解決許多實際生產、生活問題。因而學生學習的積極性大大提高，從被動式學習轉為主動式學習。

2.2 具有想象力的開放性試題的設計及實踐

《無機及分析化學》課程的學習，不僅要包含相關理論基礎知識，結合學科發展前沿，讓學生掌握基礎知識和技能，還要訓練其思維能力和創新能力。目前，環境污染和能源危機是當今社會迫切需要解決的兩大基本難題。因此，本課程根據當今社會的需求，并結合各專業設計了幾個具有想象力的開放性試題。

案例1：對于環境專業的開放性試題。隨著經濟的高速發展，汽車的大量制造和使用雖然給人類生活帶來了便捷，但是汽車尾氣的大量排放卻加劇了環境污染，這樣不僅影響了國家可持續發展目標的實現，也給人類生命健康造成了巨大的威脅[6,7]。因此，請通過查閱文獻了解汽車尾氣的主要成份有哪些？選一種有害成份試圖采用化學反應法對其進行處理。寫出其可行的反應方程式，并結合反應熱力學和動力學知識，判斷其反應的可行性，影響反應速率的因素，反應的限度以及其影響平衡移動的因素。

案例2：對于材料、化工專業的開放性試題。新能源技術是解決能源危機、保護自然生態的重要措施，也是滿足人類文明可持續發展的重要保障。其中，新能源材料的研發與應用是重中之重[8]。因此，通過查閱文獻，選擇自己感興趣的新能源材料，自行設計其制備反應方程式，結合反應熱力學和動力學知識，判斷其反應的可行性，影響反應速率的因素，反應的限度以及其影響平衡移動的因素。

這兩個案例都要運用本課程所學的基本知識：根據Gibbs-Helmholtz方程判斷反應的自發性；再利用反應的標準摩爾自由能變與標準平衡常數間的關系，得到其標準平衡常數，即反應限度；并簡單分析其影響平衡的因素。學生們根據所查閱的文獻，選擇了不同的汽車尾氣成份，例如二氧化氮、一氧化碳等；以及不同的新能源材料，例如光電池電解水制取氫氣， 化學反應法制備氫氣等。

在以上開放性試題的評價過程中，盡管他們選擇的目標物不同，但是只要他們能根據目標產物設計出相應的化學反應過程，即反應方程式，并利用本課程所學知識點，對反應方向、速率及平衡進行合理分析，得到成績的等級就可以是“優”。盡管有的學生設計的反應不太合理，這是由于他們專業知識儲備不夠造成的，對于這種開放性習題，主要是鼓勵學生根據自己所查閱的知識選擇論點，對自己所學的內容進行批判和反思，鼓勵學生獨樹一幟，鼓勵學生新、奇、特的想法。

3 結語

經過兩個學年的改革，首先，學生在完成非標準答案試題的過程中，自己利用所學知識去解決生產生活中的實際問題，發現學這些知識是有用的，找到了成就感，從而自發自主學習，激發了學生學習的興趣。同時，學生們對于非標準答案試題的興趣和投入度遠大于教材上的課后習題，他們不僅能自覺復習總結，而且還能查詢資料，答案盡管不能做到完美，但是他們自學和解決問題的能力得到了提升。再者，他們能從新的視覺去發現自然界中可利用無機及分析化學原理解決的事或物，具有一定的創新意識和創新能力?？傊稛o機及分析化學》從習題的維度去促進教學創新和改革，打造具有高階性、創新性和有挑戰度的“金課”。