面向无机材料专业的案例式分析化学教学探索与实践

王丛，孙晓婷，周文婷，袁小航

石家庄理工职业学院机械工程系，石家庄 050000

1 引言

无机非金属材料工程专业是传统工科，该专业主要学习和研究的内容就是——水泥基复合材料及其制品，所涉及的主要原料有：水泥、粗细骨料、混凝土外加剂、矿质材料等建筑材料。这些建筑材料的质量是保证建筑工程质量的物质基础，在建筑材料质量和性能的评估过程中，化学分析方法具有不可替代的作用[1-3]。这要得益于化学分析法具有操作简单、耗时短、便于实行等优点。因此，对于无机非金属材料工程专业的学生来说，学习分析化学的重点是要学习一些化学分析的原理和方法，以实现最终在建筑材料性能试验检测方面的应用。

目前我们的分析化学教材是面向多个专业编制的，包括生物类、化学类、环境类、医学类、材料类等多个本科专业，书中介绍的知识点基础性强，应用示例普适性强，而与学生所学专业的工程实践结合力度不够。比如，在讲解酸碱滴定法时，会介绍氢氧化钠(NaOH)和碳酸氢钠(Na2CO3)混合碱含量的分析；介绍配位滴定法时，会讲解水中钙离子(Ca2+)、镁离子(Mg2+)含量的分析。这些经典案例能很好地展示理论的应用，但是对于某些专业的学生来说，这些案例缺乏一定的有效性和针对性。同时，学生在初入大学时，缺少专业概念和工程概念，对于专业基础课程中的理论知识如何做到学以致用会产生一些迷茫和疑惑，难以做到分门别类、有的放矢的高效学习。而在大四进行专业课学习时，大部分学生对这些基础理论知识会产生不同程度的遗忘，难以建立相关知识点之间的联系，更多的是对试验操作步骤死记硬背，而不去深究试验方法背后的原理。长此以往，学生逐渐失去主动学习的兴趣，变成以能通过考试、拿到学分为目的功利化学习[4-6]。

结合无机非金属材料工程专业特点，本文介绍了在分析化学教学过程中，可以融入到课程中的一些化学分析在建筑材料检测中的贴近专业、实用性强的应用案例，并对教学方法进行了探索。通过这些案例的展示，使学生深刻理解理论在实践中的具体应用，锻炼学生运用专业学科知识解决实际问题的能力，增强学生的专业认同感、自豪感和使命感，旨在培养具备一定专业素质的工程型人才。

2 分析化学专业案例教学方法探索

2.1 教学背景与教学思路

化学分析法是一种经典的分析方法，在检测过程中无需专门的仪器，检测方法容易理解和操作，受时间、地点的限制少，分析准确度和精密度较高，相对误差可以控制在0.1%-0.2%，且化学分析方法成本较低。因此，一些小型的工厂、建筑工地、中小学校也都组建有自己的化学分析实验室。正是由于化学分析如此的“接地气”，也使得化学分析在建筑材料试验检测中得到了广泛的应用。甚至有专门规定了水泥化学检测方法的国家标准——GB/T 176-2017《水泥化学分析方法》[7]，详细介绍了水泥多种组分的化学检测方法；类似的有关化学分析方法检测标准还有GB/T 14684-2011《建筑用砂》[8]、GB/T 8077-2000《混凝土外加剂匀质性试验方法》[9]和JTG E30-2005《水泥及水泥混凝土试验规程》[10]等。

这些试验方法的核心原理就是分析化学所讲的知识点，但是分析化学教材中所介绍的教学案例范围更大，学生在将分析化学知识点与专业实际应用相结合时，容易产生困惑，甚至找不到方向。这就要求教师在给无机非金属材料工程专业学生的授课过程中注重应用型和工程化教学，比如，在讲解沉淀滴定法时，通常会介绍几种根据人名命名的常用方法：莫尔法、佛尔哈德法、法扬司法等，学生难免会有浅尝辄止的感觉，会产生疑问：这些方法是怎么跟专业应用相结合的呢？这时，教师可以进一步地将GB/T 14684-2011《建筑用砂》中关于集料氯化物含量测定的试验融入讲解中[7]，这个试验采用的就是莫尔法。以这样一个符合专业特点的案例来讲解生涩难懂的理论知识，不仅会让学生对这些知识点有更深刻的理解，激发学生的专业热情，同时引导学生提前了解国家标准，培养学生的工程伦理意识。

2.2 教学案例设计和多样化的教学方法

分析化学专业案例化教学可以与多种教学方法相结合，比如联想教学法、对比教学法，同时组织学生对案例进行分析讨论，达到有效理解概念、掌握规律的目的。

2.2.1 氧化还原滴定法案例设计

氧化还原滴定法是以氧化还原反应为基础的滴定分析方法，应用十分广泛，可以测定无机物和有机物，也有若干不同的滴定方式。氧化还原滴定法通常按照滴定剂的名称来命名其分类，比如高锰酸钾法、重铬酸钾法、碘量法、间接碘量法、溴酸钾法、钒酸盐法和硫酸铈法。

以碘量法为例，在教材案例讲解完毕的基础上，可以引入采用碘量法测定水泥中硫化物含量的试验[7]案例。这是一种非常规测定硫化物的碘量法，试验中用的滴定剂是KIO3，不是常规的滴定剂KI和单质碘(化学反应式见表1)。使用这种碘量法可以让学生初步掌握不同的滴定剂在测试硫化物中的应用，学会具体问题具体分析。接下来以布置作业的形式引导学生查资料自学：在使用碘量法测定水中硫化物含量时的试验步骤和所用试剂有哪些，这些跟测定水泥中的硫化物含量有什么不同？通过比较学习学生会发现，测定水中硫化物含量时使用的滴定剂是标准碘溶液，然后用NaS2O3对过量碘溶液进行返滴定，淀粉作为指示剂。这时可以抛出接下来的问题——为什么同样测定硫化物的含量，所用的方法却不相同？学生继续带着问题去查资料，就会了解碘标准溶液滴定适用于测定含硫量(质量分数) w ≥ 0.01%的试样，对含硫量w ≤ 0.01%的试样最好用KIO3标准溶液滴定，因为它比碘溶液稳定，且灵敏度稍高。此外，通过了解碘量法测定水泥中硫化物含量的试验也会掌握在课堂上很容易忽略的一个知识点，那就是间接碘量法指示剂加入的时间问题。即考虑到终点滞后的影响，淀粉指示剂是在临近终点加入的。这样，利用碘量法灵活多样的应用案例，通过讲解-自学-讲解-思考这样循循善诱、层层递进的教学方式，让学生可以从多个角度逐步深刻地理解碘量法，及时找到课堂所学知识在实际生活中的映射，既拓宽了课程的知识面，又可使学生感受到学习的理论知识在本专业领域中实实在在的应用，具体设计思路如图1所示。

表1 化学分析在建筑材料试验检测中的应用实例

图1 氧化还原滴定法案例设计

此外还可以通过联想教学法将专业案例的讲解融入到教学中，使相关联的课程产生互动。比如，碘量法用于检测胶粘剂中游离甲醛(HCHO)的含量、利用铜还原-直接滴定法测定外加剂中还原糖含量这两个试验，教师可以通过留作业的形式，先组织学生查资料进行自学，然后开展翻转课堂讨论或小组研讨，让学生将得到的信息进行整理和分享。切入点就设置为分析化学与有机化学、分析化学与无机化学的交叉知识点是如何在这些试验中体现。这样把一门课程的知识点放到知识系统中教给学生，加强学科渗透，使学生在掌握目前所学课程的同时，也加深了对以往课程的理解，充分调动学生的表现欲望，发挥其主体作用，提升发散思维和系统把握知识的能力，逐步建立完整的知识体系。

2.2.2 重量分析法案例设计

重量分析法，一般先通过适当的方法将试样中的被测组分与其他组分分离，转化为称量形式，然后称重，根据称量形式和被测组分的关系，计算出被测组分的含量。与沉淀滴定分析法一样，是以沉淀溶解平衡为基础的分析方法。由于此方法操作相对繁琐、周期较长，因此没有得到很广泛的应用。而恰恰是在其他行业应用不多的重量分析法，在建筑材料检测试验中却“大放异彩”。

在这个专题的讲解中，可以采用线上线下混合式教学课堂，充分利用线上教学的优势对线下课堂教学进行补充。比如，可以布置学生在中国大学MOOC、哔哩哔哩等网站观看《超级工程》《创新中国》等一些纪录片，让学生了解到水泥质量检测在建筑工程中的重要地位，使学生在收获知识的同时，不断增强专业自信心和民族自豪感。

接下来进行案例讲解时，为了深入理解重量分析法中气化法这个概念，可以引入利用灼烧差减法进行水泥烧失量的测定[7]和利用碱石棉吸收重量法进行水泥二氧化碳(CO2)的测定[6]。这两个案例采用的都是气化法，但是其目的和过程都是不同的。根据这两个案例的关系，在教学中可以采用启发式和讨论式的教学方式，引导学生分别从试验目的、试验原理和试验过程这三个方面进行深入的比较分析，设计思路如图2所示。通过比较会发现，两个试验的过程是不同的：水泥烧失量的测定需要对水泥进行灼烧，测量的是水泥在这个过程中质量减少的量；碱石棉吸收重量法是利用碱石棉吸收水泥分解放出的CO2，称量的是碱石棉质量增加的量。一个“减少”，一个“增加”，体现了气化法的灵活性。而为什么试验过程是不同呢，这是由试验目的决定的。对水泥进行灼烧，目的是得到水泥排出的结晶水和有机杂质、碳酸盐分解出的CO2、硫酸盐分解出的SO2总的质量损失。而碱石棉吸收重量法是为了得到分解出的CO2的质量。虽然试验目的和过程都是不同的，但是采用的都是重量法中的气化法。

图2 重量分析法案例设计

通过这种教学方法，引导学生求“同”求“异”，鼓励学生从多个角度进行独立思考，发现两者之间的内在联系和区别，以求更深刻地理解气化法的概念、原理和应用。这些具有对比特征案例的引入，不仅培养了学生透过事物表现看本质和整合知识的能力，也提高了课堂教学的趣味性，可以全方位调动学生的学习积极性。

2.2.3 配位滴定法案例设计

配位滴定法是以生成配合物的化学反应为基础的滴定分析方法，通常用来检测金属离子的含量，常用的配位剂是乙二胺四乙酸(EDTA)。在日常的课堂教学和实验教学中，水的总硬度的测定是非常经典的例子——用EDTA来检测水中钙镁离子的总含量和各自的含量，来表征水硬度的大小。教师可以进一步引入利用EDTA对水泥中氧化钙(CaO)含量测定的试验[7]来丰富对这个滴定方法的介绍(化学反应式见表1)，加深学生对该滴定方法的理解。在这个试验中，EDTA为滴定剂，三乙醇胺作为掩蔽剂，用氢氧化钾(KOH)调节pH，钙黄绿素-甲基百里香酚蓝-酚酞作为指示剂。水的总硬度的测定和水泥中氧化钙(CaO)含量测定这两个试验的表象是不同的，但实质都是EDTA对金属离子的滴定，教师可以引导学生总结归纳这两个试验的共性，比如试验中的待测离子、掩蔽剂、pH调节剂等，学会使用归纳法将复杂的问题简单化。

教师可以在学生了解了配位滴定法测定CaO的方法后，进一步介绍酸碱滴定法和氧化还原滴定法测定CaO的试验，并将这三种方法进行横向比较，设计思路如图3所示。其中酸碱滴定法用的滴定剂是盐酸和NaOH，采用的是返滴定法；氧化还原滴定法采用的是间接滴定法，先使Ca2+转化为草酸钙(CaC2O4)，再用H2SO4处理，使之全部转化为草酸(H2C2O4)，再用高锰酸钾(KMnO4)滴定H2C2O4。这三种检测方法的目的是相同的，就是对CaO含量的测定；但是三种滴定方法的滴定反应、滴定方式和使用的试剂都是不同的，可以引导学生分析这些不同点——即个性，加深对这三种滴定方法的理解，以及对直接滴定法、返滴定法和间接滴定法这三种不同滴定方式的理解，使学生掌握科学的思维方法和学习技能。

图3 配位滴定法案例设计

总之，专业案例教学应当根据专业特点，选择贴近实际生产的教学案例(表1)，开展灵活多样的教学方式，建立以学生为主导的教学模式，不断提高学生专业基础课的学习主动性，完善和提升学生解决实际问题的能力。

2.3 课程考核评价

课程考核是评价教学和学习效果的有效手段，结合课程特点和教学方式，采用案例分析、章节作业和期末考试这种过程性和终结性结合的全过程考核方式，提升课程难度，激发学生学习动力。其中章节作业主要通过布置作业、批阅点评、答疑解惑的方式，使学生巩固加深对新知识的理解。期末考试主要是综合考查学生对课程理论基础知识的掌握程度，增加专业应用案例的考查，突出对解决实际问题能力的考核，比如：请列举一种关于水泥的化学分析试验来解释配位滴定法的基本原理，并说明试验中所采用的滴定剂、指示剂、试验步骤和注意事项。案例分析部分主要包括课程讨论、案例分享等环节，注重考查学生课程的参与度、查找和整理资料能力、分析归纳能力以及语言表达能力。当然，实施案例化教学方法时也会遇到一些问题，如少数学生思考不积极，参与度不高的现象，需要教师搞好教育鼓励、督促提醒，并采取一定的奖惩措施。

3 结语

本文讨论了分析化学针对无机非金属材料工程专业的案例式教学方法，即在课堂教学中将分析化学的知识点与学生所学专业充分结合，将化学分析方法在无机非金属材料实际检测中的应用穿插到课程中进行案例式教学。教师所选择的教学案例和具体的融入方式，既要紧贴所教授的课程内容，也要充分考虑学生的专业，使分析化学的教学与学生的实际需求相适应，充分激发学生的学习兴趣和主动意识，使学生得到适合其自身发展需要的教育，实现“教”与“学”相得益彰，“供”与“需”深度契合。