基于工程实践能力培养的比较法教学设计*

赵春玲,周开梅,胡爱红,魏 鹏

（湖北工业大学材料与化学工程学院，湖北 武汉 430068）

分析化学实验课是化学类相关专业的学科基础课程,它在培养学生的思维能力、动手能力、创新能力以及分析解决问题的能力等方面具有重要作用[1-3]。但是,目前分析化学实验课程还存在一些问题,如学生高中化学实验基础薄弱；部分学生被动照搬实验步骤；考核结束后知识点的遗忘率高等等。特别引起我们注意的是,学生在后期参与科研活动独立完成定量测定任务时,分析化学实验技能运用的往往不够熟练。

当前,在新工科建设及工程教育认证的大趋势下,如何提升学生的工程实践能力已成为高校亟待解决的问题[4-6]。因此,为了适应当前人才培养的需要,突出对学生工程实践能力的培养,亟需改进分析化学实验课程的教学方法。比较法应用范围广,是一种重要的研究方法[7-8],适合分析化学实验课程细节繁多、要求严格的特点。因此,本文结合教学和指导学生参与科研活动的经验,将比较法应用于分析化学实验课的教学设计,旨在实现高效课堂,培养和提高学生的工程实践能力。

1 称量操作的比较法教学设计

称量是分析化学实验中重要的基础操作之一。由于 “分析天平的称量练习”是验证性实验,容易让学生感到在照搬实验步骤。而实际工作需要操作者根据不同称量对象和要求做出正确的选择。因此,面对缺乏工程实践经验的学生这一学习主体,以往经典的教学方法不能完全满足培养工程类人才能力的要求,需要不断创新传统的授课方式。

目前实验室常用的天平是电子分析天平和托盘天平(或普通电子天平）。教师在设计教学过程的时候,既要考虑学生是零起点且高中化学基础差异较大,又要考虑让他们对 “称量”有一个总体认识。这样才有利于学生在将来的实际工作中学会独立思考、辨析问题本质并独立解决问题的能力。因此,教师讲授的不仅是某个操作单元的要点,而是要使学生能够建立整体观、课堂更加高效。改进后的具体措施如下。

(1）比较不同种类天平的称量对象。首先教师展示电子分析天平、托盘天平(或普通电子天平）,强调在实际工作中,应根据不同称量要求选择不同的天平。称量对象可选择氢氧化钠、邻苯二甲酸氢钾以及实际试样如茶叶、Vc药片、石灰石及水泥熟料等粉末物质。教师以直观的样品进行比较演示,很自然地引出为什么会有 “粗称”和 “准确称取”。而对于茶叶粉末等实际试样,则可以根据是否要求定量测定以及文献资料中是否有 “准确称取”的要求等进行判断。同时,也要强调各种天平共同需要注意的是都不能超出最大称量,以保护仪器设备、培养学生的责任感。

(2）比较分析天平的两种主要称量方法:固定质量称样法和差减称样法。因为托盘天平的操作相对比较简单,教师重点讲解分析天平的相关称量方法。大多数学生在高中阶段接触的是托盘天平,相比称量瓶更习惯使用药匙,可能就会出现一些不规范操作。所以需要引入新的教学设计,引导学生积极主动思考。演示对比两种称量方法在操作上非常特征的区别:前者采用药匙,后者采用称量瓶。固定质量称样法的特点是:接收器皿如表面皿要参加称量,必须是洁净且干燥的；称量的对象不易吸潮、在空气中性质相对稳定。差减称样法的特点是:接收容器如锥形瓶、烧杯不参加称量；称量瓶应在干燥器内保存；称量的对象是易吸水、易与空气反应、易氧化的试样。应注意到固定质量称样法(如采用表面皿）要进行试样的二次转移,从这个角度上说差减称样法在应用时更有优势。需要说明的是,差减称样法练习中要求采用洁净且干燥的小烧杯作为接收容器,其主要目的是为了检验操作的准确度,而在实际工作中,因为定量测定任务一般都较繁重,锥形瓶或烧杯洗净后只要外壁干燥没有水分,就可以做接收试样的容器。

因此,结合实际工作的真实情况进行演示讲解,有利于学生建立自主解决问题的信心,更有利于学生能根据实际工作的要求正确地选择设备和方法,而不是简单地照搬实验步骤。

2 溶液配制方法的比较法教学设计

配制溶液是实用性非常强的重要操作。实验课前对部分新生的调查结果显示:配制一瓶浓度大致为0.2 mol·L-1氢氧化钠溶液时,有人错误地选择了容量瓶,原因是他们认为越精确的玻璃仪器越好。高中学对氢氧化钠会腐蚀玻璃的性质非常熟悉,但面对真实的配制过程,却忽略了这一点。事实上,氢氧化钠即使没有腐蚀性,它的纯度也决定了不需要用容量瓶配制,否则在实际工作中就是增加了不必要的步骤。书本知识较熟练但未与实践相联系的情况是比较常见的。因此,设计了两种配制溶液方法的比较法教学过程,即粗配溶液以及准确配制溶液的过程。

教师首先演示比较试剂瓶和容量瓶的精度,强调试剂瓶是容器而容量瓶是量器。尽管有的试剂瓶带有刻度,粗配时先在小烧杯内溶解,然后转移至试剂瓶用水稀释到刻度,但是这个体积是粗略的,不能因此误认为试剂瓶是量器,相比之下容量瓶才能真正起到 “定容”的作用。当然也要认识到容量瓶的这种定容作用是 “瞬时”完成的,此时的浓度已确定,即使不腐蚀玻璃也没必要储存溶液。

两种不同的溶液配制方法各具特点,理论基础却是同一个公式,即c(物质的量浓度）=n(物质的量）/V(溶液的体积）。试样即溶质如果纯度达不到哟求,就意味着n是不确定的,所以在确定体积这一步过于追求精度的意义不大。对于基准试剂来说一定的质量就意味着n是确定的,所以对体积才有更高的要求,即要求在操作上采取 “定容”这一关键步骤。

另外,学生参加实际工作时对易水解盐类的配制不熟练,表面原因是文献资料上没有写明需要采取预先加酸等措施,实质是理论知识和实验操作脱节造成的。教师可以演示溶质水解和正常配制的现象加以比较。因此,配制溶液时应关注溶质的性质和容器的特点,才能顺利完成任务,也就落实了将工程实践能力的培养融入到教学中。

3 分光光度法实验的比较教学法设计

分光光度法的经典实验是 “邻二氮杂菲分光光度法测定铁”,由于学时限制,一次课上学生反复演练的时间短。跟踪学生在后期其他课程实验、各类科研活动中的实际表现,尤其是当仪器更换型号之后,学生自主应用分光光度计的熟练程度还有所不足。学生通过理论课学习了朗伯-比尔定律,但还不能将自己对公式的认知和现实应用的场景相联系。新的比较法教学设计重点就是要引导学生如何快速把抽象符号转化成现实操作。

首先,比较光强I、透光率T与吸光度A。教师要讲解清楚分光光度计实质直接测量的是光强,仪器进一步计算出透光率和吸光度。又因为在检流计标尺上,透光率的刻度才是均匀的,所以分光光度计在操作上的本质是 “测I调T读A”。然后再回归教材讲解如何调T=0以及调T=100%。因此,通过比较三个物理量,抓住了实验的理论知识点和操作要点。即使离开了书本和熟悉的仪器,也能够做到心中有数,提高应变能力。

进一步地,吸收曲线和标准曲线它们在操作上有共同点:反复进行 “调T读A”。不同点是所需标准溶液的个数:前者1个,后者5个以上且具有浓度梯度；前者需要换波长,后者固定在某一波长处。同时,针对有少量学生会将比色皿的透光面和毛玻璃面放反的问题。教师同时演示两只比色皿透光面和毛玻璃面造成的实验后果,比起以往只演示一只比色皿更为直观有效。

拓展比较:演示比较玻璃和石英(注:紫外实验才用到）两种材质的比色皿。既可以避免应用时出错,也有利于培养学生的思辨能力和工程实践能力。

4 结 语

综上所述,将比较法教学设计应用于分析化学实验教学,具有以下几个方面的优点。

(1）新的比较法教学设计从实际工作角度出发,以理论知识、具体操作和现实场景的有机融合为原则,尽量实现化繁为简,有利于激发学生的学习兴趣、培养他们积极主动思考的能力。

(2）新的教学设计贴合初学者这一学习主体的认知水平和特点,有利于帮助学生建立自主学习的信心。

(3）实验过程中学生的大部分注意力都在具体步骤上,容易忽视实验原理。比较法教学可以有效地改善这一情况,能让学生更深刻地感悟到,看似简单枯燥的公式原理却具有指导实际操作的重要作用,从而训练他们敢于并善于去应用所学知识的能力。

(4）新的比较法教学能更好地引导学生建立全局观、大局观和整体观,防止片面看待问题。

和专业课程不同,基础化学实验课程难以展开具体工程案例,但是分析化学实验课应用性很强,与生产实际的联系非常紧密。因此,教师应重视这一特点,利用好实践教学环节逐步培养学生的工程思维,最终让学生感受到 “学能所用”。总之,新的教学方法可以强化对学生的工程思维和工程实践能力的培养。