分析化学实验课程设计探索
2023-05-13焦书燕李文卓喻国敏朱根兴张留学
贾 旭, 焦书燕, 李文卓, 喻国敏, 朱根兴, 张留学
(中原工学院 材料与化工学院, 河南 郑州 450007)
作为高等学历教育的基石,大学本科教育在人才培养方面发挥着承上启下的作用。它不仅要传授给学生专业知识,更注重对学生的全面教育,包括人格的健全教育、思维能力和创新能力的培养等。基于这样的培养任务和目标,在本科教育的各个环节,特别是在课程教学过程中对学生进行全方位培养,需要教师根据时代的发展对教学活动中的各项内容进行优化设计。教师通过对教学活动内容设计和调整,能够使学生能更为高效地掌握理论知识和提高的逻辑思维能力。
化学专业是理论与实验并重的自然科学学科,对学生思维能力和创新能力的培养尤为重要[1]。其中,分析化学是化学类专业的重要基础课程,被称为科学技术的“眼睛”,是进行科学研究的基础。分析化学课程既有很强的实用性,又有严密、系统的理论,是理论与实际密切结合的学科[2]。分析化学及其实验课程在教给学生基本的分析化学原理和方法的同时,又可以使学生建立起严格的“量”的概念,深入理解分析方法和基本原理,正确熟练地掌握分析化学的实验方法和基本操作技能,学会正确记录和处理实验数据及正确表述分析结果的方法,养成严格、认真、实事求是的科学素养,提高观察问题、分析问题和解决问题的能力。分析化学及其实验课程教学,不仅能使学生熟练地掌握定量分析化学的基本概念和基本理论,而且学生懂得建立这些概念和理论的化学处理方法和思维方法。在教学过程中,教师着重加强对学生进行素质教育,注重对学生能力的培养以及激发学生的创新意识。因此,分析化学及其实验课程在学生科学素质的培养上起着其他课程难以替代的重要作用。在开设分析化学实验课程时,应根据培养目标,有针对性地设置相关实验,使学生能够通过实验课形成严谨的思维模式和掌握辩证唯物主义的世界观和方法论。
1 实验题目的设计
分析化学实验与理论课程同步开设,实验内容与理论课程内容相互对应,共开设12个实验,涵盖酸碱滴定、配位滴定、氧化还原滴定、沉淀滴定、重量分析法以及吸光光度法等内容。实验课程教学中,理论与实验相辅相成、相互促进、相互支撑,使学生能够更清晰直观地理解和掌握分析化学的知识。实验题目的选择在符合教学大纲对课程知识要求的基础上,突出了对学生思想的启迪和培养作用。
1.1 唯物辩证思维的培养
酸碱滴定实验是分析化学滴定实验中的第一个实验,是打牢滴定实验技能的重要环节。在这一部分中,设计安排《碱液中氢氧化钠和碳酸钠含量的测定》、《鸡蛋壳中氧化钙含量的测定(酸碱滴定法)》和《有机酸分子量测定》3个实验。在酸碱滴定中,常用的终点指示剂有酚酞、甲基橙、甲基红和石蕊等。例如,石蕊在pH<4.5时,显示红色,4.5
1.2 因地因时制宜理念的培养
在进行科学研究过程中,往往需要根据研究对象、实验室条件以及测试任务要求等具体情况制定合理的实验方案。因此,我们安排了“鸡蛋壳三部曲”系列实验课题来培养学生的因地因时制宜的理念。
鸡蛋壳中的主要成分为碳酸钙和蛋白质,还含有镁、锌、铜、锰、铁、硒等微量元素,其中碳酸钙的含量约为83%～85%,蛋白质的含量约为15%～17%。围绕鸡蛋壳中碳酸钙的含量,我们分别以酸碱滴定、配位滴定和氧化还原滴定3种方法设计安排3个实验。酸碱滴定法是将准确称量的鸡蛋壳经过定量过量的盐酸溶液处理后,再用标准氢氧化钠溶液进行返滴定。配位滴定法是将一定质量的鸡蛋壳经过盐酸溶液溶解,然后用氢氧化钠调节溶液的pH值到12以上,然后加入钙指示剂用标准EDTA溶液测定。氧化还原滴定法是将准确称量质量的鸡蛋壳经过盐酸溶解,然后加入过量的草酸铵,并用氨水调节溶液pH至钙离子完全沉淀,收集洗涤草酸钙沉淀,将硫酸溶液加入到草酸钙沉淀中置换出草酸根,最后用标准高锰酸钾溶液滴定。这3种方法虽然都可以实现对鸡蛋壳中钙含量的测定,但是酸碱滴定法由于盐酸的易挥发性,使得测定结果的准确度和精密度不够理想;配位滴定法测定过程中需加入氨-氯化铵缓冲溶液维持溶液pH值稳定,还需要加入掩蔽剂掩蔽共存的其他金属离子,使得操作过程较为繁琐;高锰酸钾法测定过程中草酸钙沉淀的形成与处理过程较为复杂,且高锰酸钾氧化反应历程较为复杂,使得测定结果准确度相较于配位滴定法偏低且测定过程非常耗时[4]。通过这3个实验,从不同角度比较这几种方法,引导学生在进行实验时综合考虑不同的实验方案,对比筛选出最为适宜的实验方法,从而树立因地制宜,制定合理解决方案的意识。
1.3 环保理念的培养
实验课程不仅是理论知识付诸实践的平台,更是培养学生环保理念的重要载体。因此,我们在实验课程教学中也注重引导培养学生的环保意识。例如,在“铁矿石中全铁含量的测定”实验中,铁矿石样品的传统处理方式是将铁矿石经盐酸溶解后滴加SnCl2溶液,将Fe3+还原为Fe2+,剩余过量的Sn2+用过量的HgCl2溶液处理为Hg2Cl2和Sn4+。其中,HgCl2为剧毒物质,对人体和环境都不友好,污染较为严重。为了使学生牢固树立环保意识,我们对实验进行了优化,铁矿石经盐酸分解后,用SnCl2溶液还原Fe3+时加入甲基橙作为指示剂,Sn2+将Fe3+还原完全后,过量的Sn2+可将甲基橙还原为氢化甲基橙而褪色,不仅指示了终点,而且Sn2+还能继续使氢化甲基橙还原为N,N-二甲基对苯二胺和对氨基苯磺酸,过量的Sn2+则也可以被消除[5]。反应方程式如下所示:
另外,本实验中所选用的滴定剂重铬酸钾是一种有毒且有致癌性的强氧化剂,它被国际癌症研究机构划归为第一类致癌物质,如果将重铬酸钾废液直接排放,会对环境造成严重危害。因此,我们要求学生将所有重铬酸钾废液统一回收到专属废液桶中,不能随意倾倒,使学生时刻绷紧环境保护这根弦。
2 实验教学形式
2.1 实事求是作风的培养
分析化学及其实验课程在教给学生基本的分析化学原理和方法的同时,在授课过程中特别重视使学生建立起严格的“量”的概念。我们通过引入英国科学家雷利和莱姆塞通过比重发现稀有气体氩的故事使学生意识到“量”的重要性。雷利通过精密天平测定氮气的密度时,发现从空气中分离出来的和从含氮物质中制得的氮气每升质量相差0.006 4 g。莱姆塞基于这一发现,经过认真的分析和研究后指出,这一差别是由于从空气里分离出来的单质氮中含有某种不为人知的气体。最后,雷利和莱姆塞经过多次重复实验,发现了空气中所含的惰性气体氩气。因此,在进行分析化学实验教学时,要求每个学生准备一个记录本,用于原始实验数据的记录,并且实验记录本要求编写页码,不得撕页、修改、伪造,实验课结束后抽查学生实验数据记录与实验报告数据的一致性,从基础实验培养学生实事求是的实验作风。
2.2 团队意识的培养
分析化学实验采用“自主互动式实验教学法”(翻转课堂)。该方法流程为:学期初学生分组并抽签选定实验→小组学生预习、查资料、设计实验方案并制作课件→学生讲解及同组成员补充→其他小组学生挑错→教师点评、纠正错误及补充实验关键点→教师提问、讨论→学生实验操作→撰写上交实验报告→实验课程总结汇报。自主互动式实验教学法避免了传统模式教师主讲、学生被动接受知识的弊端,明显提高了学生预习实验的效果;激发了学生的互动积极性和创造性。小组实验模式可增强学生的团队意识,提高学生协作互助的能力;学生主讲的模式可激发学生参与实验的热情,锻炼学生资料查阅、方案设计及表达能力;互动环节中学生挑错可调动全体学生预习及参与实验的热情;总结汇报环节可加深学生对实验的理解,提高学生分析问题和解决问题的能力。
2.3 劳动意识的培养
实验课程是劳动教育的主要依托课程,可将劳动教育融入专业教育,寓教于劳,构建具有本专业特色的劳动教育体系,开展专业劳动教育。在实验教学过程中,通过抓住关键环节开展劳动教育,使学生在动手实践过程中提升劳动技能,体会知行合一的乐趣和美的享受。因此,我们在设计课程评价环节时将劳动教育纳入评价体系考核点。针对分析化学注重“量”的学科性质特点,要求学生在整个实验过程中使学生考虑任何一个可能会影响实验数据的因素。例如,规范玻璃仪器清洗操作,一些高精度的仪器杜绝使用毛刷清洗,以免影响到实验结果的准确性。在实验过程中规范仪器在实验台的摆放,保持实验操作空间合理有序。实验结束时,认真清理公共及个人实验台面,保持实验台面干净整洁。当在实验过程中发生如分析天平等公共实验仪器受到污染的情况时,本着谁污染谁处理的原则及时处理,如情况特殊,要第一时间报告教师,寻求教师的指导和帮助。值日生最后要按要求认真打扫实验室,按照教师要求合理处置剩余药品试剂,保持实验室干净卫生,离开实验室时仔细检查水、电、气等是否关闭,养成有始有终的好习惯。
3 结语
本科实验课程的开设不仅要培养学生实验技能,更要以实验课程为载体,培养学生思维能力和道德情操。
因此, 分析化学实验课程立足于培养学生的综合素质,对实验内容的选择和课程教学形式都进行了精心设计,旨在使学生辩证全面地分析问题、因地因时选择合理的解决方案,在实验过程中养成实事求是的科学态度,善于凝聚团队力量高质高效完成任务,并将环境保护意识贯穿整个过程。通过这样的实验探索,可在全方位培养学生素质,实现立德树人根本任务。
