谈基础化学实验教学改革观念

庄京彭卿 王训

(清华大学化学系 北京100084)

教学研究与改革

谈基础化学实验教学改革观念

庄京*彭卿 王训

(清华大学化学系 北京100084)

教育改革成功的关键是改革者教育观念的改革，基础化学实验教学的改革应首先从教师的教育观念和教学方式的改变入手。明确基础化学实验教育的目的是为创新打好坚实的实验素质基础，在实验过程中于细节处渗透知识点、培养问题意识，同时应提高教师自身的科研素质。

化学是一门以实验为基础的科学，化学中很多新领域的发展源于实验过程中新现象的发现与捕捉，现有的化学理论与规律大部分也都是从实验中总结出来的［1－4］。如惰性气体的发现最初始于Cavendish与Rayleigh实验过程中残存的微小气泡与不同氮源氮气毫克级的质量差别;碳富勒烯则是Kroto等人研究星际空间冷暗云中富含碳的星辰实验过程中的一个意外发现。正是由于化学家们艰苦不懈的努力，在实验过程中善于对各种新的实验现象进行总结、提炼、抽象而后规律化，才有了化学科学的诞生与发展。

培养具有创新意识和创新能力的高素质人才是高等教育改革的主题，而教育改革成功的关键是教育观念的改革。从事基础化学实验教学的教师如何使自己的教育观念适应当今高等教育形势的发展和要求，是值得我们深思和探讨的一个问题。

目前的实验教学并未充分发挥出其应有的作用，以无机及分析化学实验课为例，实验课程中存在的主要问题是:①目前普遍使用的实验教材的教学内容以验证性实验为主，主要围绕学生课堂所学知识展开，缺乏对实验背景知识及相关领域进展的介绍;②在无机化学实验中，学生把全部精力都放在对已有理论结果的验证以及方程式的书写上，而忽略了实验过程中现象的观察;③在定量化学分析实验中，学生的基本操作不规范，尚缺良好的科学素养。这些对学生创新能力的培养是不利的，想要解决这些问题，首先应该从改革教师的教育观念和明确基础实验教学的作用入手。

1 明确目标——为创新打好坚实的实验素质平台

对基础实验教学进行改革的前提是要明确基础实验教学在创新教育中所起的作用和承担的角色，并在教学中融会贯通，让学生明确实验教学的作用，让大学低年级的学生体会到“创新”并不是一个空泛和遥不可及的词语。

基础化学实验教学的目的是使学生在教师的指导下训练基本操作技能、掌握经典化学知识;同时，使学生不仅可以对化学产生基本的感性认识，更重要的是通过对各种实验现象的观察，培养学生对问题的敏感性，激发其求知欲以及锻炼其总结归纳的能力，培养创新意识和良好的思维习惯，为创新能力的获得打好基础，使其具备基本的科学素养。实验能够大大提高学生的动手能力，实验中的操作、数据记录、误差分析等环节能很好地起到培养学生严谨的科学态度和实事求是、一丝不苟的科学作风以及独立分析、解决问题的能力的作用。因此，我们认为系统、扎实的训练及实验技能和科研素质的培养应该是基础实验教学的重中之重。

如果面向大学低年级学生开设的基础化学实验只停留在通过开设新的、有趣的实验来引起学生兴趣是片面的，应该把精力更多地投注在教师教学观念以及教学方式的改革上。

2 细节中渗透知识点——培养问题意识

近代英国科学哲学家波普尔说:“科学只能从问题开始”，“科学知识的增长永远始于问题，终于问题——越来越深化的问题、越来越能触发新问题的问题”。作为任课教师，如何利用实验课堂来培养学生的问题意识，并以此激发学生的求知欲望，最终使他们获得解决问题的能力，这是一个值得研究的课题。

以无机元素化学实验为例，学生都做过KMnO4在不同pH条件下参与反应生成产物各不相同的实验——酸性时生成Mn2+，中性时生成MnO2，碱性时生成MnO2－4。如果学生在实验操作中不注意药品加入的次序，将反应物混合后才调节体系的pH，则只能得到MnO2一种产物。这不仅仅是一个药品加入次序的问题，更涉及到热力学稳定与动力学可能性。因此，在实验过程中可以给学生提出一个具有启发性的问题:如果将反应物KMnO4与Na2SO3先混合再调节pH，充分放置陈化，最终的反应产物会是什么?像这类例子在无机实验中还有很多，都是培养学生细致观察和发现问题的好机会。

再比如，为了书写方便，我们将Sn4+与OH－的反应物写成Sn(OH)4，但实际上4价锡的氢氧化物结构非常复杂，一般认为新制备的为α－锡酸H2SnO3，长时间放置则转化为β－锡酸，二者存在结晶性的差异，性质也有很明显的区别。如α－锡酸具有两性，在Sn(Ⅳ)氢氧化物酸碱性质实验过程中，若Sn(Ⅳ)溶液为新配制，则得到的Sn(Ⅳ)氢氧化物沉淀显示两性，因此学生很容易得出结论:Sn(Ⅳ)的氢氧化物具有两性。但实验过程中往往并非如此，如果Sn(Ⅳ)溶液经过长时间放置，即使是新鲜制备的Sn(Ⅳ)氢氧化物也不会呈现两性，溶于酸但不溶于碱，大部分学生会对此感到疑惑:明明是新鲜制备的α－锡酸，为什么仍然不溶?这要从微观角度去分析，同样是澄清的Sn(Ⅳ)溶液，从宏观上看不出区别，但由于Sn(Ⅳ)容易水解，会生成很多非常细小的晶核，对于长时间放置的Sn(Ⅳ)溶液，这些晶核实际上已经转换为β－锡酸，并在实验过程中起诱导晶体生长的作用，因而大量生成β－锡酸，而不是α－锡酸。经过上述引导，学生对晶体生长的微观机制、纳米化学等问题产生了浓厚的兴趣。更应该指出的是，人们对物质的认识是永无止境的，如至今仍未制得纯的α－锡酸，其精确结构的描述仍有待科学技术手段的进步。

与Sn(Ⅳ)的氢氧化物类似，Fe的氢氧化物常被写作Fe(OH)3，但实际上Fe的氢氧化物和Al(OH)3等3价金属氢氧化物不同，Fe(OH)3并不存在，迄今也不为人所知，更精确的描述应为FeOOH，而且FeOOH又可分为α－FeOOH、β－FeOOH及γ－FeOOH。Fe3+在不同pH范围内的水解反应非常复杂，也可以生成α－Fe2O3，并非一成不变的FeOOH。JP Jolivet等人研究发现［5］，在接近中性时，Fe3+一般水解得到α－Fe2O3，在酸性、碱性条件下易得到α－FeOOH。不同种类氢氧化物的生成与体系中的离子强度也有密切关系:如在较高温度Fe(Ⅲ)水解生成α－Fe2O3的过程中，在较低氯离子条件下，Fe(Ⅲ)经由6－line ferrihydrite水解生成α－Fe2O3;而在高氯离子条件下，则经过介稳态的β－FeOOH，然后生成α－Fe2O3。这些看似普通的问题背后蕴藏着丰富的知识，一定程度上的引导可以让学生认识到即使是经典的元素化学部分也还有广阔的未知领域等待大家去探索，可以此激发学生的求知欲望。此外，我们还将一些科研工作中常用、但基础教学基本不涉及的知识与技术介绍给学生。比如为了弄清Sn(OH)4与FeOOH的晶体结构，可以通过X射线衍射仪对其进行分析。

3 提高实验课教师的科研素质

作为教师，思考最多的应该是:不论授课的对象是化学专业还是非化学专业的学生，通过这门实验课的学习能够留给他们哪些终身受益的东西。创新过程包括两方面，一是提出问题，二是解决问题。现行的教学模式多是应试教育，只注重学生学到的知识量，但学不能致用，不能很好地将书本上的知识与现实中的现象联系起来，这也是为何我们的学生普遍具有良好的理论知识与数理基础，但进入研究生阶段后，创新能力反而不足的原因之一。另外，从创新角度看，提出问题更为重要。因此，在教学过程中，应该更多地去培养学生发现问题的能力。教师在这个过程中理应承担起自己的责任，传授的不仅是具体的知识，更应该是思维方式，要注重提升自身的素质，尤其是科研素质。很难想象一个自身对化学的发展没有任何了解、只局限于实验教材内容的教师能够培养学生的创新意识。因此，在提高任课教师自身素质的基础上，改革教学方式是较之实验教材、教学内容改革更加刻不容缓的事情。在教学过程中，应以引导和启发为主，同时将化学领域内的最新进展介绍给学生，以激发学生的创新欲望。

实验课教师应该参与科研工作，这不仅能更新自己原有的知识，而且能够了解化学的发展以及相关领域的最新进展，并把这些信息融入到实验教学中，以弥补在教材中缺乏对实验背景知识及相关领域进展介绍的不足。

对于无机化学实验中的化合物，学生的印象只是各种颜色的沉淀，只能获取一些表观印象。但实际上，无机化合物具备多种功能，有着广泛的实际应用。以KMnO4与Na2SO3的反应为例，中性条件下反应产物为MnO2。二氧化锰是一种有重要工业应用的化合物，结构非常复杂，在自然界中存在多种晶型，如α、β、γ等。不同晶型具有不同的理化性质与用途，如α可用于分子筛，β可用于催化领域，γ可用于电极材料，δ可用于多孔材料等。清华大学化学系无机化学研究所在纳米材料合成上具有丰富经验，曾基于KMnO4与MnSO4之间的简单氧化还原反应，以水热法控制不同反应条件分别合成了α、β、γ、δ不同晶型的二氧化锰纳米线、纳米带、纳米管等材料。在实验课教学过程中，对这些知识点的简单介绍，可使学生不仅对二氧化锰这种化合物本身有更深的认识，还能对纳米科技领域建立初步概念;更重要的是认识到许多重要的无机功能材料就是通过一些非常简单的无机化学反应得到的。简单的无机化学反应背后蕴藏着丰富的物理、化学、材料研究内容，任何一个新的现象都有可能成为新的科学发现的起点。从纷繁复杂的表象背后看到问题的实质，从简单的化学反应背后看到丰富的物理化学研究内容，可以逐渐帮助学生树立起正确的科学研究观念。

一代艺术巨匠达芬奇的绘画生涯是从画蛋开始的。当他感到乏味的时候，他的老师佛罗基奥对他说:“不要以为画蛋容易。要知道，一千个蛋当中从来没有两个是形状完全相同的，即使是同一个蛋，只要变换一下角度去看，形状也就不同了。”作为化学实验课教师，我们真的应该扪心自问，我们是否给自己的学生充分展示了“画蛋”的奥妙呢?在化学发展史上，居里夫人的女儿能够获得诺贝尔化学奖，与她母亲的善于指导与示范作用密不可分;卡文迪许实验室成立以来连续培养了20多位诺贝尔奖得主，毫无疑问与该实验室长期建立起来的良好学术氛围与传统密切相关。尽管我们达不到像佛罗基奥与居里夫人那样的名师的高度，但从自身做起，尽量提高自身素质，是每一位教育工作者的职责。对于基础实验教学的教师，我们应该让学生在普通的教学实验室中感受到化学发展最前沿的气息，并适时展示化学领域最为激动人心的成果，让学生知道他们现在所做的类似于“画蛋”的枯燥实验正是在为以后创作“蒙娜丽莎”奠定基础。

［1］ 田曙坚，廖一平，焦书明.大学化学，2005，20(1):25

［2］ 袁书玉，丁廷桢.高等工程教育研究，1995(4):82

［3］ 陈慧兰，吴琴媛，徐培珍.大学化学，1994，9(3):13

［4］ 陆靖，马林，赵滨，等.实验技术与管理，2002，19(3):91

［5］ Jolivet JP，Chanéac C，Tronc E.Chem Commun，2004，481