巧妙设计无机化学实验，提高人才培养质量

柴兰兰，马继龙，郝扶影，孙 林，金 凤，朱美安，胡向阳

(阜阳师范学院 化学与材料工程学院，安徽 阜阳 236037)

巧妙设计无机化学实验，提高人才培养质量

柴兰兰，马继龙，郝扶影，孙 林，金 凤，朱美安，胡向阳

(阜阳师范学院 化学与材料工程学院，安徽 阜阳 236037)

分析了无机化学实验教学现状，指出了教学过程中存在的问题，提出了解决的办法：巧妙设计无机化学实验为趣味性实验、探究性实验和串联式实验。实践表明该教学模式能激发大学一年级学生的兴趣、增强做实验的自主性，从而有效地提高人才培养质量。

无机化学实验；人才培养；趣味；探究；串联

2012年3月21日教育部印发的《高等教育专题规划》指出：“主动适应经济社会发展和人的全面发展需要，培养造就数以千万计的高素质专门人才和一大批拔尖创新人才”。化学是一门实践性很强的学科，化学实验是相关理论产生的基础，同时也是该学科促进生产力发展和服务社会的基石，因此化学相关专业高素质和创新人才的培养离不开实验[1]。通过实验中手脑并用，感知与思维、理论与实践相结合，不但使学生获得直观的感性认识，加深对化学知识的理解，激发其学习化学的兴趣，而且可以促进学生观察、分析和解决问题等综合能力的提高，同时培养其科学品质和创新思维[2]。教育部早在《关于进一步加强高等学校本科教学工作的若干意见》（2005）1号文件中特别强调：“要切实加强实验、实习、社会实践、毕业设计（论文）等实践教学环节，保障各环节的时间和效果”。作为化学相关专业开设的第一门实验基础课，无机化学实验不但要使学生掌握基础知识和基本技能，而且在学生学习兴趣的激发、综合能力的提高、科学品质和创新思维的培养方面起着至关重要的作用[3]。因此，有效地实施无机化学实验教学，确保教学质量、达成教学目标，为化学相关专业高素质和创新人才的培养奠定坚强基石。

1 无机化学实验教学现状

1.1 无机化学实验的对象基础薄弱

我院无机化学实验的对象是大一新生，多数来自于偏远地区。因受传统应试教育模式的影响和基层中学实验条件的限制，他们在中学阶段缺乏系统科学的基本实验技能的学习和训练，因此实验基础很薄弱。大部分学生没有动手做过实验，连最基本的搅拌操作都不会；部分学生不能正确叫出常用玻璃仪器名称，分不清蒸发皿和研钵。

1.2 无机化学实验的内容经典但陈旧

我们学院以北京师范大学无机化学教研室等编写的《无机化学实验》为教材，选择了其中经典的基本操作训练、验证性实验和少量综合设计性实验作为教学内容。鉴于学生薄弱的实验能力，开设的基础性实验较多，旨在使各类型实验协作发挥育人功能，一边补差补缺、夯实基础，一边初步培养学生发现、分析和解决问题的能力，启发其创新思维。

1.3 无机化学实验的教学方法成熟但单一

为了规范学生的基本操作、保证实验的顺利完成，教学过程中，教师一般采用“老师讲实验，学生做实验”的常规教学方法。在进行元素性质实验教学时，教师用粉笔在黑板上写出相关反应方程式，告诉学生会出现的实验现象，嘱咐实验过程中应注意的事项。学生听从教师指令，根据教材所罗列的实验试剂“照方抓药”，得到既定的实验结果，完成实验报告。在进行设计性实验教学时，教师首先将题目告诉学生，安排他们查找资料。抽取少数学生讲解实验，随后大家进行实验操作、得到实验产品。最后学生完成实验报告，教师根据学生表现及实验报告给出相应成绩。而且，普通的设计性实验其具体操作步骤可以通过网络方便地查出。因此对大多数学生而言，相比于“老师讲实验，学生做实验”的教学方法，这种教学模式并没有本质的区别。

1.4 无机化学实验的人才培养质量不高

在多年的教学实践中，我们发现无机化学实验的人才培养质量不高。学生做MnO2固体与浓H2SO4反应实验过程中，指导教师观察到大多数学生试管中的溶液为紫红色。实验教材明确列出相关反应方程式为2MnO2+2H2SO4(浓)=2MnSO4+O2↑+2H2O，现象理应为无色溶液[4]。然而，极少有学生发现此异常，更别提分析和解决此问题了。有些学生做实验时漫不经心，将许多试管放在试管架上，逐个滴加溶液并不振荡试管。个别学生自己不做实验而是袖手旁观。

究其原因，是验证性实验太多的缘故吗？设计性实验，从资料的查阅、实验步骤的确立、具体操作的实施、结果的分析讨论直至实验报告的书写均需要学生全程并主动参与，因此被认为是提高学生发现分析解决问题等综合能力、培养科学品质及创新思维的灵丹妙药，而备受教学工作者推崇。大家普遍认为无机化学实验教学过程中应减少验证性实验而增加综合设计性实验[5]。然而，所谓设计性实验，如硫酸亚铁铵的制备，其具体实验步骤可以通过网络方便地查出，这样开设起来其作用会大打折扣。若开设高难度的设计性实验，对实验基础薄弱的大一学生来说无疑是拔苗助长。习近平总书记在中国科学院第十七次院士大会和中国工程院第十二次院士大会上指出：“要按照人才成长规律改进人才培养机制，‘顺木之天，以致其性’，避免急功近利、拔苗助长”。验证性实验和设计性实验都是无机化学实验中重要的一部分，他们之间存在着有机的联系，在培养高素质和创新人才的过程中各有其重要功能，不能厚此薄彼[6]。我们认为单一的教学方法导致学生对教师和教材产生习惯性依赖，遇到实际问题则茫然不知所措，对学生综合素质及创新思维的培养极其不利。再则，在这种模式下即使不做实验也能知道结果、写出完美的实验报告，久而久之学生做实验的热情会被挫伤，出现偷工减料甚至不做实验的情况，何谈高素质和创新人才的培养。只要教师巧妙设计，寓趣味性、探究性、应用性、可操作性于每一次无机化学实验中，改变单一的教学模式，无论验证性实验还是设计性实验，在人才培养质量方面都可以达到事半功倍的效果。

2 巧妙设计无机化学实验

2.1 巧妙设计无机化学实验为趣味性实验

趣味性实验是指以生动、鲜明、新奇的实验现象来引发学生兴趣的一类实验[5]。KMnO4与Na2SO3分别在酸性、中性和强碱性条件下的反应现象应该是紫色褪去变成浅粉色、有褐色沉淀生成和溶液变成墨绿色。多姿多彩的实验现象正契合了趣味性实验的特点。因此可以将此实验设计成趣味性实验：以KMnO4和Na2SO3为主要原料调制不同颜色和状态的“鸡尾酒”。将此实验项目提前一周安排给学生。妙趣横生，兴趣大增。他们积极地查阅无机化学教科书，研究相关内容，寻求到了理论依据，预言可以调制三种“鸡尾酒”。他们继续查阅无机化学实验教材，罗列出了所需试剂、仪器，制定出了详细的实验方案。在实验过程中，大部分学生都把教材束之高阁，有条不紊地操作，成功调制出了三种“鸡尾酒”。只有在强碱性条件下，KMnO4与Na2SO3反应生成K2MnO4和Na2SO4而使溶液变成墨绿色。有个别学生因所加碱的量太少或最后加入，所调制的“鸡尾酒”和别的同学不同。教师适时地让大家停下来讨论调制过程，请其他同学为之出谋划策。在同学们的热情指导下，该学生的“鸡尾酒”最终调制成功。许多元素性质实验现象鲜明、生动、新奇，都可以设计为趣味性实验。如利用(NH4)2Cr2O7热分解设计成“火山喷发”实验、Fe3+与SCN–的反应设计成“捉鬼”实验、I2遇淀粉变蓝色设计成“绝密信函”。

正确观察、记录及分析实验现象，是一项基本的实验素养，是学生以后独立从事科学研究及工作实践必须具备的基本素质[7]。元素性质实验几乎不用分析仪器，反应是否发生及进行程度是依靠对实验现象的观察和判断，这才是培养学生基本能力的精髓所在[8]。实验现象可以说是缤纷多彩的，主要包括溶液颜色的变化、沉淀的生成或溶解、气体的生成及放热、燃烧、爆炸等。巧妙设计元素性质实验为趣味性实验可以引发学生做实验的兴趣，使之积极主动参与到实验教学中来，保证学生顺利完成实验，高效达成相关实验的育人功能，从而提高人才培养质量。

2.2 巧妙设计无机化学实验为探究性实验

探究性实验是只有课题而没有具体步骤的一类实验。它要求学生对课题进行方案设计，然后实施方案，得出结论[9]。教师应对现有教材进行认真挖掘和改造，设计出切实可行的探究性实验题目。可以将验证性实验作一些改进设计成探究性实验。教师抽丝剥茧出验证性实验的理论依据，也即是该实验需要验证的理论知识点，将此作为探究性实验题目。比如，碱金属Na燃烧产物的鉴定，奈斯勒试剂的配制及应用，食盐与亚硝酸盐的鉴别，定影剂Na2S2O3的性质等。指导教师还应归纳出学生易失败的验证性实验，分析失败原因，也将此作为探究性实验题目。如分步沉淀，教材详细描述：“在试管中加入 0.5 mL 0.1 mol·L–1NaCl溶液和 0.5 mL 0.05 mol·L–1K2CrO4溶液，然后逐滴加入 0.1 mol·L–1AgNO3溶液，边加边振荡，观察形成的沉淀的颜色变化”[10]。由于初始加入的NaCl和K2CrO4较多，需要滴入很多滴AgNO3溶液才能看到砖红色Ag2CrO4沉淀，不然只会看到白色AgCl沉淀。很多学生做此实验时只滴入几滴AgNO3溶液，因此无法看到完整的实验现象。在实验报告现象一栏中，少数学生“实事求是”地写“白色沉淀”，多数学生写“先产生白色沉淀，后产生砖红色沉淀”。这两种情况都违背了实验开设及教师教学的初衷。可以将此实验设计为探究性实验：试管中加NaCl和K2CrO4溶液各几滴，实验现象才能又快又明显地出现。五位学生为一组，大家分工合作，相互观摩，从一滴、两滴直到十滴。若各为一滴，当加入一滴AgNO3溶液时既产生白色沉淀也产生砖红色沉淀；从各加入两滴开始便可以观察到分步沉淀现象，即先产生白色沉淀、后产生砖红色沉淀。大家热烈讨论，为减少试剂的浪费，可以各加入两滴或三滴。改进教材，自信爆棚。巧妙设计验证性实验为探究性实验，虽然这种教学设计没有从根本上改变传统教学内容，但是教学模式的改变会给大一学生带来极大地震动。学生通过查阅无机化学教科书和实验教材，用心思考便能制定出具体、可行的实验步骤，只要认真操作就可以成功完成这些探究性实验题目。一方面确保了教学质量、达成了相关实验的教学目标，另一方面还培养了学生严谨认真、实事求是的科学品质，启发了其批判性和创新性思维，从而有效地提高人才培养质量。

当然，探究性实验要全方位、分层次开展，也要有难度略高于学生现有水平的课题，这能激发学生的挑战性。无机化学实验中难免产生废液，若随意排放势必会污染环境。在实验中对于那些可由学生现场处理的废液，要求学生探究进行无害化处理后再进行排放。如，Cr(VI)是主要的环境污染物之一，对人体健康危害较大，因此含Cr(VI)废液绝不允许任意排放。由于学生刚刚做过Cr化合物相关的性质实验，自然想到加入Pb2+、Ag+或Ba2+而形成铬酸盐沉淀。有的学生考虑到Cr(III)对环境及人体伤害极小，认为先用Fe2+或Na2SO3还原Cr(VI)到Cr(III)，再加入碱使之形成Cr(OH)3沉淀。我们肯定了学生的实验设计，并组织学生从实验效果和环保方面讨论哪一种方法更合适。大家纷纷表示后一种方法比较实用。考虑到Cr(OH)3的两性，引导学生进一步研究如何控制溶液的pH值以防形成Cr(OH)4–。他们根据Cr(OH)3的溶度积，计算出需控制溶液的pH值为8～9。活学活用，现实可行，药品现成。学生按照他们设计的方案成功地将含Cr(VI)废液进行了无害化处理。将无机废液处理巧妙设计为探究性实验，为学生创造理论与实践相结合的机会，培养学生解决实际问题的能力，并启发其创新性思维。

2.3 巧妙设计无机化学实验为串联式实验

串联式实验是指通过调整实验顺序，使一个实验的产物成为下一个实验的反应物[11]。硫酸亚铁铵的制备是设计性实验，也是物质制备实验，因此可以将此与Fe2+的性质实验相结合设计成串联式综合性实验：硫酸亚铁铵的制备及Fe2+的还原性研究。学以致用，立竿见影。相比于单一的制备实验，学生在资料查阅上更全面、方案设计上更详细。在实验过程中，学生为了完成预定目标，认真操作，细心观察每一步骤中因原材料、中间产物、目标产品的转化而产生的外观、颜色、形态的改变，及时发现并解决异常情况。个别学生所得产物Fe3+的含量较高，导致下一步实验失败。适时地鼓励学生查找原因，鞭策他们重新再做一次。他们仔细分析实验过程，查出原因，有的学生在FeSO4的制备过程中没有控制好溶液的pH值，有的学生为提高蒸发浓缩速率而利用酒精灯将混合溶液直接加热。学生吸取教训，对症下药，成功制得合格的产品。这样安排不仅体现了实验的实用性，而且贴合生产的实际情况，能使学生对以后的工作更加直观地了解，因此激发了学生的兴趣，增强了他们的责任感，确保了实验的顺利进行，提高了教学效率和人才培养质量。

3 教学效果

高素质和创新人才的培养不是一朝一夕的事情，更不能靠某一个或某一类实验，它是一项长久而系统的工程。面对刚刚从“填鸭式”教学模式中走出来的大一新生，无机化学实验教学既要与高中教学保持一定的衔接，更要积极引导学生参与整个实验过程中。每一次实验课教师都要精心安排，必须有巧妙设计的环节或内容，但也不需要太多谨防过犹不及。所谓的趣味性实验、探究性实验及串连式实验的内容都没有脱离教材，这对于实验基础薄弱的大一新生恰恰是适合的，每一个学生都可以通过努力而成功完成。巴班斯基认为“如果教学方法和教学手段的选择符合于所提出的任务，考虑到内容的特点和学生的能力，那么教学效率就是相应条件下可能达到的最高水平”[12]。的确，当无机化学实验教学中实施了以上教学探索后，教学效率达到了较高水平，人才培养质量也有了明显提高。

3.1 激发学习兴趣，调动起学习自主性

新颖的实验项目首先引发了学生的好奇心，使之产生强烈的探求欲望、积极主动参与到实验教学中来。随后精彩纷呈的实验过程，成功完成具有一定挑战性实验设计的满足感再一次激发了学生的兴趣。兴趣是最好的老师，能调动起学生学习的自主性，大家认真投入到每个实验教学中及各个环节中，几乎没有袖手旁观的学生了。许多学生在大一下学期即加入教师的科研实验室进行系统、深入的科研探索。

3.2 学生的综合能力提高

“纸上得来终觉浅，欲知此事须躬行”。经过一年无机化学实验系统扎实的训练，学生掌握了基础知识和基本技能，锻炼了理论与实践相结合的能力，提高了观察、发现分析解决问题等综合能力。在做MnO2固体与浓H2SO4反应实验过程中，多数学生发现了异常现象。学生查阅了无机化学教材，列出相关反应方程式为4MnO2+6H2SO4(浓)=2Mn2(SO4)3+O2↑ +6H2O[13]。互相探讨后推测MnO2与浓H2SO4的用量比是决定产物的关键因素，并通过一系列对比实验证实了其推测。

3.3 培养了学生严谨认真、实事求是的科学品质，启发了其批判性和创新性思维

经过趣味性、探究性和串联式实验的亲身实践后，学生对试剂用量及加入顺序、反应温度等关键因素对反应产物及现象的影响不但有了感性认识，还有了理性思维。渐渐地学生不但养成了严谨认真、实事求是的科学品质，而且其批判性和创新性思维也得到了启发。在实验中，学生不再漫不经心，而是一丝不苟地操作，客观地记录现象和数据。当实验异常或失败时，学生能够认真分析，查明原因，重新操作，直至实验成功。有的学生改进了实验设计，个别学生还在大一或大二期间获得了“大学生创新创业训练计划项目”。

4 小结

正所谓“好的开始是成功的一半”，无机化学实验课也要肩负起培养高素质和创新人才的责任。通过巧妙设计无机化学实验为趣味性、探究性和串联式实验，激发了学生做实验的兴趣，增强了他们做实验的自主性，对学生综合素质的培养起到了积极、有效的推进作用，从而提高了人才培养质量。无机化学实验的巧妙设计是一项系统的工程，是常态化的工作，我们将在以后的教学工作中不断进行探索。

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Designing inorganic chemistry experiment cleverly and improving the quality of talent cultivation

CHAI Lan-lan,MAJi-long,HAO Fu-ying,SUN Lin,JIN Feng,ZHU Mei-an,HU Xiang-yang
(School of Chemistry and Materials Engineering,Fuyang Normal University,Fuyang Anhui236037,China)

The current situation of inorganic chemistry experiment teaching was analyzed.The existing problems in the process of inorganic chemistry experiment teaching were pointed out.In order to resolve the problems,interesting experiments,inquiry experiments and series experiments of inorganic chemistry have been designed cleverly.The results showed that this teaching model can motivate the study enthusiasm of the freshman and enhance students’autonomy in the process of inorganic chemistry experiment teaching,which improved the quality of talent cultivation effectively.

inorganic chemistry experiment;talent cultivation;interesting;inquiry;series

G642文献识别码：A

1004-4329（2017）04-112-05

10.14096/j.cnki.cn34-1069/n/1004-4329（2017）04-112-05

2017-03-23

国家自然科学基金项目（21401024）；安徽省自然科学基金项目（1508085MB21）；安徽省教育厅自然科学研究项目（2014KJ008）；阜阳师范学院教学研究项目（2015JYXM02）资助。

柴兰兰（1980－ ），女，博士，副教授，研究方向：无机功能材料。