在生活化学实验展示训练中培养学生的科学素养

訾学红, 陈永宝, 刘淑珍, 李 钒, 张红光

(北京工业大学 环境与能源工程学院 基础化学实验中心, 北京 100124)

1 生活化学实验的必要性

新世纪高校人才的培养目标是“卓越人才”及“创新人才”,强调创新能力与创新素质的培养[1-3],通过通识教育课程实现素质教育是国内外大学的普遍选择。开设通识课程及开展交叉学科教育,是实施素质教育和提高学生基本科学素养的一个有效途径[4-7]。

化学既是一门实用性的学科,也是一门创造性的学科,自然形成与人工合成的物质都与化学有着密不可分的关系,生活中的衣、食、住、行处处充满着化学的应用[8]。然而高校中很多专业,特别是文科专业的学生很少有机会接触化学。为了弥补这方面的不足,很多高校都开设了各种化学类选修课,如南开大学的“化学纵横谈”[9]、清华大学的“化学与社会”[10]、上海师范大学的“现代人与化学”[11]。非化学专业的学生,特别是文科专业的学生,尽管他们无需掌握很深层次的专业化学知识,但化学通识教育对于他们的影响不容忽视,通过了解与生活相关的化学知识,有利于培养学生的综合科学素养,完善学生的知识结构,为今后从事相关工作打下基础。

我校化学实验教学中心开设了校选通识课“生活化学实验”,课程中动手实践环节包括与生活内容相关的8个基础实验：固体酒精制造、化妆品选择制备、居室环境污染物检测、饮用水国家标准检测、指纹提取与初步鉴定、密信(隐形文字的书写与读取)、振荡反应制备化学时钟和饮料中VC含量检测。这些实验都是在教师的指导下进行的,实验选题与研究目标都是教师指定的,通过这些实验能够在兼顾学生兴趣的同时开拓学生视野,增强学生动手能力。

为了给学生提供更多的自主研究实验机会,充分调动学生的主动性,充分发挥学生的思维想象力,发现并满足学生学习化学的兴趣点,在“生活化学实验”课程基础上增加了实验展示训练环节,让每位学生根据自己的兴趣提出与生活化学相关的实验项目(实验选题)。以下对展示训练的要求、内容、实施、效果等进行介绍。

2 展示训练的要求

展示训练的实验分为科学实验和趣味实验2部分,学生除了要做一个生活中与化学相关的小实验外,还要把所做的实验嵌套在一个生动而有条理的生活情景中。其中,科学实验要求实验生活化,重点在于要选取与日常生活紧密联系的化学实验内容,且实验现象明显,并能运用化学知识予以明确解释。学生通过实验,可以对生活中的一些现象给予科学分析和解释。在进行现场展示实验的同时,可配合PPT、自制视频等,提高现场展示度和可视度。趣味实验(详见本文第4部分)的目的是激发非化学专业学生对化学的兴趣,要求实验操作过程安全、现象直观有趣。同样在进行现场展示实验时,可配以PPT、自制视频,既保证项目的趣味性和可操作性,又能将有关化学知识点贯穿其中。

3 展示训练的实施

为了让学生更充分地准备展示训练环节,更好地锻炼自主实验能力,培养综合科学素养,展示训练的实施过程主要包括如下环节:

(1) 实验准备环节。“生活化学实验”课程一般安排在每学期的第4—11周进行,第4周是关于生活与化学的介绍,第5—8周为8个基础实验教学时间。在第5周,即在基础实验教学开始的一周,布置展示实验要求,让学生对所要开展的展示训练有一个大体的概念。在第6周,让学生通过查阅资料进行自主选题,自己确定与生活相关的化学展示训练实验内容,并提出大致的实验思路。实验内容的选择还应与指导教师进行沟通,教师会综合考虑实验室和相关实验试剂的情况后提出建议,尽量选择操作相对简单、实验现象明显、重复性高、安全性高的实验。另外,教师也会对相关实验的注意事项进行特别强调。

(2) 实验实施环节。在第7—9周,要求学生设计并实施展示实验。在这个阶段,学生可以自行讨论和修改实验方案,反复尝试实验,优化实验条件,并跟踪记录实验(纸质记录或者多媒体摄像等),在这种动态、开放、多元的实验环境中,学生自主安排实验时间,自行完成实验材料的准备(尽可能从生活中选取)及实验用仪器的校准和测试。如果学生感兴趣,也可让他们自己动手设计、安装实验装置。当实验不顺利时,学生应尽可能通过查阅资料、书籍等方式自己找出失败原因及解决办法,教师也可与学生进行启发式讨论。在第9周结束时,学生的展示训练已经初步完成,此时还需要将实验设计放置于一个常见的生活场景中,突出展示训练在生活中的意义。然后学生预演整个展示过程,并在听取教师和其他学生的意见后,修改并最终确定展示方案。

(3) 实验展示环节。第10周将进行实验展示。通常可以把同一类型的实验放到一起来展示,统一设计实验生活场景,各个实验互相串接,就像一台内容丰富的话剧表演。这种源于生活、高于生活的戏剧化情境与展示训练相结合的设计,让学生完全摆脱掉课堂的拘束和压抑感,在轻松的条件下完成对知识的接受,而且历久弥新。例如,学生以食品制作为主题设计了如下情节,在某学生的生日聚会上,大家共同制作美味大餐,包括餐前开胃酒及彩色豆腐、松花蛋、泡菜等,当然还有蛋糕和餐后酸奶等。幸福欢快的聚餐背后,是生物化学中的接种发酵、蛋白质转化、蛋白质变性、食品添加剂发泡原理等化学转化过程,让学生在轻松快乐的氛围中学到了有关的化学知识,学会思考现象背后的问题,学会如何发现问题和解决问题。

(4) 实验整理环节。展示环节结束后,每位学生要提交关于整个展示训练过程的书面报告,包括实验的设计思路、实验过程、实验设计场景以及最后的展示过程等,锻炼文字整理能力和总结提炼能力。

4 展示训练的实验内容

展示训练中的科学实验内容都是生活中经常接触到且与化学密切相关的,例如：再生纸涉及去色制浆；肥皂涉及油脂与碱的皂化反应；晴雨花(心语花)涉及无水氯化钴和氯化钴晶体的转变；食品的制作(葡萄酒、泡菜、蛋糕、豆腐、酸奶等)涉及酵母或乳酸菌发酵、蛋白质转化、蛋白质变性、食品添加剂发泡原理；彩色温度计涉及钴的水合物加热失水时呈现不同颜色；人造琥珀涉及高分子特征和合成；用水果/蔬菜制作水果/蔬菜电池等。

展示训练的趣味实验是指类似小魔术的一些化学反应或者化学现象,比如密信涉及淀粉遇碘变蓝；冰渣燃烧涉及乙酸钙溶液放到酒精中析出像冰渣一样的乙酸钙晶体；水点纸(纸中隐藏有钠)涉及钠与水接触发生化学反应；蛋壳刻画涉及醋精腐蚀蛋壳；泡沫灭火器涉及明矾(Al2(SO4)3)与小苏打(NaHCO3)反应生成CO2；大象牙膏涉及过氧化氢与碘化钾的反应；多彩泡泡涉及水的表面张力；水中写字涉及铁盐的水解产物与羧甲基纤维素发生化学反应；纸币不怕火涉及NaCl溶液中的氯离子与硝酸银中的银离子反应生成AgCl沉淀物阻燃等。

从这些实验内容可以看出,学生的兴趣点是多方面的。因为实验内容都是学生自己提出来的,因此当在实验遇到困难时,他们更愿意自己想方设法解决问题,有利于激发他们的探究热情,使他们在轻松快乐中学习化学知识,锻炼动手实践能力。

5 展示训练的效果评价

“生活化学实验”课程中的展示实验环节已经连续开展7年,本校数字媒体技术、信息与计算科学、物联网工程、软件工程管理、给排水科学与工程、金融学、社会学、广告学、法学、英语、工商管理、国际经济与贸易等30余个专业的学生均有参加。该课程展示环节为众多学生提供了自主开展生活化学展示训练的机会,对于提高实践动手能力、学习化学知识、培养科学素养都有积极的推进作用,不少学生觉得很有收获。

6 结语

实践证明,在“生活化学实验”通识类课程中增设展示实验环节,将化学实验定位为面向全校学生的通识化、素质类课程,符合公共课程“通识化”的教学理念[12]。由于实验内容贴近日常生活及生产实践,又都是学生自己的兴趣所在,既能展示化学的基本原理和基本操作,又有良好的趣味性,能吸引学生积极参与,有助于充分发挥学生自主实验的主观能动性,在一定程度上提高了非化学专业的学生的基本化学素养。