面向無機材料專業的案例式分析化學教學探索與實踐

王叢，孫曉婷，周文婷，袁小航

石家莊理工職業學院機械工程系，石家莊 050000

1 引言

無機非金屬材料工程專業是傳統工科，該專業主要學習和研究的內容就是——水泥基復合材料及其制品，所涉及的主要原料有：水泥、粗細骨料、混凝土外加劑、礦質材料等建筑材料。這些建筑材料的質量是保證建筑工程質量的物質基礎，在建筑材料質量和性能的評估過程中，化學分析方法具有不可替代的作用[1-3]。這要得益于化學分析法具有操作簡單、耗時短、便于實行等優點。因此，對于無機非金屬材料工程專業的學生來說，學習分析化學的重點是要學習一些化學分析的原理和方法，以實現最終在建筑材料性能試驗檢測方面的應用。

目前我們的分析化學教材是面向多個專業編制的，包括生物類、化學類、環境類、醫學類、材料類等多個本科專業，書中介紹的知識點基礎性強，應用示例普適性強，而與學生所學專業的工程實踐結合力度不夠。比如，在講解酸堿滴定法時，會介紹氫氧化鈉(NaOH)和碳酸氫鈉(Na2CO3)混合堿含量的分析；介紹配位滴定法時，會講解水中鈣離子(Ca2+)、鎂離子(Mg2+)含量的分析。這些經典案例能很好地展示理論的應用，但是對于某些專業的學生來說，這些案例缺乏一定的有效性和針對性。同時，學生在初入大學時，缺少專業概念和工程概念，對于專業基礎課程中的理論知識如何做到學以致用會產生一些迷茫和疑惑，難以做到分門別類、有的放矢的高效學習。而在大四進行專業課學習時，大部分學生對這些基礎理論知識會產生不同程度的遺忘，難以建立相關知識點之間的聯系，更多的是對試驗操作步驟死記硬背，而不去深究試驗方法背后的原理。長此以往，學生逐漸失去主動學習的興趣，變成以能通過考試、拿到學分為目的功利化學習[4-6]。

結合無機非金屬材料工程專業特點，本文介紹了在分析化學教學過程中，可以融入到課程中的一些化學分析在建筑材料檢測中的貼近專業、實用性強的應用案例，并對教學方法進行了探索。通過這些案例的展示，使學生深刻理解理論在實踐中的具體應用，鍛煉學生運用專業學科知識解決實際問題的能力，增強學生的專業認同感、自豪感和使命感，旨在培養具備一定專業素質的工程型人才。

2 分析化學專業案例教學方法探索

2.1 教學背景與教學思路

化學分析法是一種經典的分析方法，在檢測過程中無需專門的儀器，檢測方法容易理解和操作，受時間、地點的限制少，分析準確度和精密度較高，相對誤差可以控制在0.1%-0.2%，且化學分析方法成本較低。因此，一些小型的工廠、建筑工地、中小學校也都組建有自己的化學分析實驗室。正是由于化學分析如此的“接地氣”，也使得化學分析在建筑材料試驗檢測中得到了廣泛的應用。甚至有專門規定了水泥化學檢測方法的國家標準——GB/T 176-2017《水泥化學分析方法》[7]，詳細介紹了水泥多種組分的化學檢測方法；類似的有關化學分析方法檢測標準還有GB/T 14684-2011《建筑用砂》[8]、GB/T 8077-2000《混凝土外加劑勻質性試驗方法》[9]和JTG E30-2005《水泥及水泥混凝土試驗規程》[10]等。

這些試驗方法的核心原理就是分析化學所講的知識點，但是分析化學教材中所介紹的教學案例范圍更大，學生在將分析化學知識點與專業實際應用相結合時，容易產生困惑，甚至找不到方向。這就要求教師在給無機非金屬材料工程專業學生的授課過程中注重應用型和工程化教學，比如，在講解沉淀滴定法時，通常會介紹幾種根據人名命名的常用方法：莫爾法、佛爾哈德法、法揚司法等，學生難免會有淺嘗輒止的感覺，會產生疑問：這些方法是怎么跟專業應用相結合的呢？這時，教師可以進一步地將GB/T 14684-2011《建筑用砂》中關于集料氯化物含量測定的試驗融入講解中[7]，這個試驗采用的就是莫爾法。以這樣一個符合專業特點的案例來講解生澀難懂的理論知識，不僅會讓學生對這些知識點有更深刻的理解，激發學生的專業熱情，同時引導學生提前了解國家標準，培養學生的工程倫理意識。

2.2 教學案例設計和多樣化的教學方法

分析化學專業案例化教學可以與多種教學方法相結合，比如聯想教學法、對比教學法，同時組織學生對案例進行分析討論，達到有效理解概念、掌握規律的目的。

2.2.1 氧化還原滴定法案例設計

氧化還原滴定法是以氧化還原反應為基礎的滴定分析方法，應用十分廣泛，可以測定無機物和有機物，也有若干不同的滴定方式。氧化還原滴定法通常按照滴定劑的名稱來命名其分類，比如高錳酸鉀法、重鉻酸鉀法、碘量法、間接碘量法、溴酸鉀法、釩酸鹽法和硫酸鈰法。

以碘量法為例，在教材案例講解完畢的基礎上，可以引入采用碘量法測定水泥中硫化物含量的試驗[7]案例。這是一種非常規測定硫化物的碘量法，試驗中用的滴定劑是KIO3，不是常規的滴定劑KI和單質碘(化學反應式見表1)。使用這種碘量法可以讓學生初步掌握不同的滴定劑在測試硫化物中的應用，學會具體問題具體分析。接下來以布置作業的形式引導學生查資料自學：在使用碘量法測定水中硫化物含量時的試驗步驟和所用試劑有哪些，這些跟測定水泥中的硫化物含量有什么不同？通過比較學習學生會發現，測定水中硫化物含量時使用的滴定劑是標準碘溶液，然后用NaS2O3對過量碘溶液進行返滴定，淀粉作為指示劑。這時可以拋出接下來的問題——為什么同樣測定硫化物的含量，所用的方法卻不相同？學生繼續帶著問題去查資料，就會了解碘標準溶液滴定適用于測定含硫量(質量分數) w ≥ 0.01%的試樣，對含硫量w ≤ 0.01%的試樣最好用KIO3標準溶液滴定，因為它比碘溶液穩定，且靈敏度稍高。此外，通過了解碘量法測定水泥中硫化物含量的試驗也會掌握在課堂上很容易忽略的一個知識點，那就是間接碘量法指示劑加入的時間問題。即考慮到終點滯后的影響，淀粉指示劑是在臨近終點加入的。這樣，利用碘量法靈活多樣的應用案例，通過講解-自學-講解-思考這樣循循善誘、層層遞進的教學方式，讓學生可以從多個角度逐步深刻地理解碘量法，及時找到課堂所學知識在實際生活中的映射，既拓寬了課程的知識面，又可使學生感受到學習的理論知識在本專業領域中實實在在的應用，具體設計思路如圖1所示。

表1 化學分析在建筑材料試驗檢測中的應用實例

圖1 氧化還原滴定法案例設計

此外還可以通過聯想教學法將專業案例的講解融入到教學中，使相關聯的課程產生互動。比如，碘量法用于檢測膠粘劑中游離甲醛(HCHO)的含量、利用銅還原-直接滴定法測定外加劑中還原糖含量這兩個試驗，教師可以通過留作業的形式，先組織學生查資料進行自學，然后開展翻轉課堂討論或小組研討，讓學生將得到的信息進行整理和分享。切入點就設置為分析化學與有機化學、分析化學與無機化學的交叉知識點是如何在這些試驗中體現。這樣把一門課程的知識點放到知識系統中教給學生，加強學科滲透，使學生在掌握目前所學課程的同時，也加深了對以往課程的理解，充分調動學生的表現欲望，發揮其主體作用，提升發散思維和系統把握知識的能力，逐步建立完整的知識體系。

2.2.2 重量分析法案例設計

重量分析法，一般先通過適當的方法將試樣中的被測組分與其他組分分離，轉化為稱量形式，然后稱重，根據稱量形式和被測組分的關系，計算出被測組分的含量。與沉淀滴定分析法一樣，是以沉淀溶解平衡為基礎的分析方法。由于此方法操作相對繁瑣、周期較長，因此沒有得到很廣泛的應用。而恰恰是在其他行業應用不多的重量分析法，在建筑材料檢測試驗中卻“大放異彩”。

在這個專題的講解中，可以采用線上線下混合式教學課堂，充分利用線上教學的優勢對線下課堂教學進行補充。比如，可以布置學生在中國大學MOOC、嗶哩嗶哩等網站觀看《超級工程》《創新中國》等一些紀錄片，讓學生了解到水泥質量檢測在建筑工程中的重要地位，使學生在收獲知識的同時，不斷增強專業自信心和民族自豪感。

接下來進行案例講解時，為了深入理解重量分析法中氣化法這個概念，可以引入利用灼燒差減法進行水泥燒失量的測定[7]和利用堿石棉吸收重量法進行水泥二氧化碳(CO2)的測定[6]。這兩個案例采用的都是氣化法，但是其目的和過程都是不同的。根據這兩個案例的關系，在教學中可以采用啟發式和討論式的教學方式，引導學生分別從試驗目的、試驗原理和試驗過程這三個方面進行深入的比較分析，設計思路如圖2所示。通過比較會發現，兩個試驗的過程是不同的：水泥燒失量的測定需要對水泥進行灼燒，測量的是水泥在這個過程中質量減少的量；堿石棉吸收重量法是利用堿石棉吸收水泥分解放出的CO2，稱量的是堿石棉質量增加的量。一個“減少”，一個“增加”，體現了氣化法的靈活性。而為什么試驗過程是不同呢，這是由試驗目的決定的。對水泥進行灼燒，目的是得到水泥排出的結晶水和有機雜質、碳酸鹽分解出的CO2、硫酸鹽分解出的SO2總的質量損失。而堿石棉吸收重量法是為了得到分解出的CO2的質量。雖然試驗目的和過程都是不同的，但是采用的都是重量法中的氣化法。

圖2 重量分析法案例設計

通過這種教學方法，引導學生求“同”求“異”，鼓勵學生從多個角度進行獨立思考，發現兩者之間的內在聯系和區別，以求更深刻地理解氣化法的概念、原理和應用。這些具有對比特征案例的引入，不僅培養了學生透過事物表現看本質和整合知識的能力，也提高了課堂教學的趣味性，可以全方位調動學生的學習積極性。

2.2.3 配位滴定法案例設計

配位滴定法是以生成配合物的化學反應為基礎的滴定分析方法，通常用來檢測金屬離子的含量，常用的配位劑是乙二胺四乙酸(EDTA)。在日常的課堂教學和實驗教學中，水的總硬度的測定是非常經典的例子——用EDTA來檢測水中鈣鎂離子的總含量和各自的含量，來表征水硬度的大小。教師可以進一步引入利用EDTA對水泥中氧化鈣(CaO)含量測定的試驗[7]來豐富對這個滴定方法的介紹(化學反應式見表1)，加深學生對該滴定方法的理解。在這個試驗中，EDTA為滴定劑，三乙醇胺作為掩蔽劑，用氫氧化鉀(KOH)調節pH，鈣黃綠素-甲基百里香酚藍-酚酞作為指示劑。水的總硬度的測定和水泥中氧化鈣(CaO)含量測定這兩個試驗的表象是不同的，但實質都是EDTA對金屬離子的滴定，教師可以引導學生總結歸納這兩個試驗的共性，比如試驗中的待測離子、掩蔽劑、pH調節劑等，學會使用歸納法將復雜的問題簡單化。

教師可以在學生了解了配位滴定法測定CaO的方法后，進一步介紹酸堿滴定法和氧化還原滴定法測定CaO的試驗，并將這三種方法進行橫向比較，設計思路如圖3所示。其中酸堿滴定法用的滴定劑是鹽酸和NaOH，采用的是返滴定法；氧化還原滴定法采用的是間接滴定法，先使Ca2+轉化為草酸鈣(CaC2O4)，再用H2SO4處理，使之全部轉化為草酸(H2C2O4)，再用高錳酸鉀(KMnO4)滴定H2C2O4。這三種檢測方法的目的是相同的，就是對CaO含量的測定；但是三種滴定方法的滴定反應、滴定方式和使用的試劑都是不同的，可以引導學生分析這些不同點——即個性，加深對這三種滴定方法的理解，以及對直接滴定法、返滴定法和間接滴定法這三種不同滴定方式的理解，使學生掌握科學的思維方法和學習技能。

圖3 配位滴定法案例設計

總之，專業案例教學應當根據專業特點，選擇貼近實際生產的教學案例(表1)，開展靈活多樣的教學方式，建立以學生為主導的教學模式，不斷提高學生專業基礎課的學習主動性，完善和提升學生解決實際問題的能力。

2.3 課程考核評價

課程考核是評價教學和學習效果的有效手段，結合課程特點和教學方式，采用案例分析、章節作業和期末考試這種過程性和終結性結合的全過程考核方式，提升課程難度，激發學生學習動力。其中章節作業主要通過布置作業、批閱點評、答疑解惑的方式，使學生鞏固加深對新知識的理解。期末考試主要是綜合考查學生對課程理論基礎知識的掌握程度，增加專業應用案例的考查，突出對解決實際問題能力的考核，比如：請列舉一種關于水泥的化學分析試驗來解釋配位滴定法的基本原理，并說明試驗中所采用的滴定劑、指示劑、試驗步驟和注意事項。案例分析部分主要包括課程討論、案例分享等環節，注重考查學生課程的參與度、查找和整理資料能力、分析歸納能力以及語言表達能力。當然，實施案例化教學方法時也會遇到一些問題，如少數學生思考不積極，參與度不高的現象，需要教師搞好教育鼓勵、督促提醒，并采取一定的獎懲措施。

3 結語

本文討論了分析化學針對無機非金屬材料工程專業的案例式教學方法，即在課堂教學中將分析化學的知識點與學生所學專業充分結合，將化學分析方法在無機非金屬材料實際檢測中的應用穿插到課程中進行案例式教學。教師所選擇的教學案例和具體的融入方式，既要緊貼所教授的課程內容，也要充分考慮學生的專業，使分析化學的教學與學生的實際需求相適應，充分激發學生的學習興趣和主動意識，使學生得到適合其自身發展需要的教育，實現“教”與“學”相得益彰，“供”與“需”深度契合。