林金華

(廈門大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院廈門大學(xué)化學(xué)實驗教學(xué)示范中心 福建廈門 361005)

綜合性大學(xué)基礎(chǔ)化學(xué)實驗(一)教學(xué)改革＊

林金華

(廈門大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院廈門大學(xué)化學(xué)實驗教學(xué)示范中心 福建廈門 361005)

結(jié)合綜合性大學(xué)基礎(chǔ)化學(xué)實驗(一)發(fā)展現(xiàn)狀,對該課程的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行分析,提出其教學(xué)目的和教學(xué)內(nèi)容的確定原則,并對教學(xué)體系改革,學(xué)生綜合素質(zhì)培養(yǎng),以及創(chuàng)新型實驗室建設(shè)進(jìn)行探討。

基礎(chǔ)化學(xué)實驗 (一)融合了無機化學(xué)實驗和分析化學(xué)基礎(chǔ)實驗兩門實驗課程[1],形成了一個新的實驗教學(xué)體系。基礎(chǔ)化學(xué)實驗(一)目前獨立設(shè)課,是綜合性大學(xué)化學(xué)專業(yè)培養(yǎng)學(xué)生動手能力乃至創(chuàng)新意識的一門重要課程。它除了對于啟迪學(xué)生的學(xué)習(xí)方法,訓(xùn)練學(xué)生的基礎(chǔ)性操作,以及培養(yǎng)學(xué)生的實驗技能具有重要意義外,還為后續(xù)的基礎(chǔ)化學(xué)實驗 (二)以及專業(yè)課程學(xué)習(xí)、知識應(yīng)用和科學(xué)研究打下扎實基礎(chǔ)。

近年來,我校將基礎(chǔ)化學(xué)實驗 (一)獨立設(shè)課并進(jìn)行教學(xué)改革,將該課程安排在本科一年級。本文對建立綜合性大學(xué)具有特色的基礎(chǔ)化學(xué)實驗(一)實驗室,以及進(jìn)行綜合性大學(xué)化學(xué)專業(yè)基礎(chǔ)化學(xué)實驗(一)的教學(xué)改革進(jìn)行探討。

1 教學(xué)目的

化學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的自然學(xué)科?；瘜W(xué)實驗在培養(yǎng)和造就未來化學(xué)家和化學(xué)工作者的教學(xué)環(huán)節(jié)中,占有特別重要的地位?；A(chǔ)化學(xué)實驗 (一)的教學(xué)目的是培養(yǎng)學(xué)生的動手能力、實驗技能、創(chuàng)新意識以及分析問題和解決問題的能力。

(1)重視化學(xué)實驗,注重實驗技能的提高。學(xué)生通過各種層次的實驗,直接獲取大量的實驗數(shù)據(jù),經(jīng)過分析、歸納、總結(jié),可由感性認(rèn)識上升至理性認(rèn)識;學(xué)生學(xué)習(xí)無機化學(xué)和分析化學(xué)相關(guān)的基礎(chǔ)理論和基本知識,可以進(jìn)一步用于指導(dǎo)化學(xué)實驗。在實驗初期,專門安排課時進(jìn)行實驗技能基礎(chǔ)訓(xùn)練。學(xué)生經(jīng)過嚴(yán)格訓(xùn)練,能較規(guī)范地掌握基本操作,提高實驗技能,正確使用各類相關(guān)儀器,具有準(zhǔn)確取得實驗數(shù)據(jù)和做出結(jié)果判斷的能力。

(2)通過實驗培養(yǎng)學(xué)生正確書寫實驗記錄、數(shù)據(jù)處理及結(jié)果表達(dá)的方法,確立嚴(yán)格的“量”的概念,并逐步提高對實驗現(xiàn)象及實驗結(jié)果進(jìn)行分析判斷、邏輯推理和做出正確實驗結(jié)論的能力。

(3)培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)務(wù)實的科學(xué)態(tài)度。在培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)能力的同時,更要注重培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神和科學(xué)品德,使學(xué)生從大一開始就逐步形成嚴(yán)謹(jǐn)務(wù)實的科學(xué)態(tài)度、勤奮好學(xué)的思想品質(zhì)、認(rèn)真細(xì)致的工作作風(fēng)、條理整潔的良好習(xí)慣和互助協(xié)作的團(tuán)隊精神。

(4)培養(yǎng)學(xué)生勤動手、勤觀測、勤思考的能力。①勤動手:要求學(xué)生獨立動手做實驗,對于諸如移液管、滴定管的使用等基本操作,要反復(fù)練習(xí),做到操作準(zhǔn)確、熟練自如;對實驗中出現(xiàn)的異?；蛴幸蓡柕默F(xiàn)象應(yīng)重做或進(jìn)行空白對照、標(biāo)準(zhǔn)對照。②勤觀測:實驗課上要求學(xué)生集中精力,仔細(xì)觀測實驗現(xiàn)象及數(shù)據(jù)。善于捕捉某些細(xì)微的、瞬間的現(xiàn)象,尋找實驗的“閃光點”,觸發(fā)頭腦的“靈感區(qū)”。同時要求做好觀測記錄,每個學(xué)生都要準(zhǔn)備一本專用的實驗預(yù)習(xí)記錄報告本,對于原始數(shù)據(jù)的記錄、修改、有效數(shù)字取舍等,需嚴(yán)格按規(guī)則進(jìn)行。③勤思考:要求學(xué)生在實驗過程中積極開動腦筋,手腦并用,要善于思考實驗中所觀察到的現(xiàn)象,特別是對那些與預(yù)期不相同的現(xiàn)象,更應(yīng)深入地分析,查找產(chǎn)生的原因,提出解決辦法。對于綜合設(shè)計和研究性實驗應(yīng)該既有敢想敢做的思想,又有科學(xué)分析的態(tài)度,開拓思路,勇于創(chuàng)新,敢于試驗。

(5)培養(yǎng)學(xué)生使用計算機能力。在基礎(chǔ)化學(xué)實驗(一)的教學(xué)內(nèi)容中,對于諸如化學(xué)反應(yīng)速率測定、磺基水楊酸合銅配合物的組成及穩(wěn)定常數(shù)測定、吸光光度法測定鐵的條件實驗等,我們要求學(xué)生用計算機處理原始數(shù)據(jù)。如采用工具軟件 Excel來處理數(shù)據(jù)、繪制圖表、計算實驗結(jié)果(反應(yīng)級數(shù)、活化能、穩(wěn)定常數(shù)、工作曲線等),由此加深學(xué)生對理論知識及實驗過程基本概念的理解,并培養(yǎng)學(xué)生使用計算機的能力。

(6)培養(yǎng)學(xué)生查閱文獻(xiàn)資料能力。我們在基礎(chǔ)化學(xué)實驗(一)課程中編入了延伸實驗 (即有助于拓展知識及創(chuàng)新思維的新實驗)、綜合設(shè)計和研究性實驗、外文文獻(xiàn)實驗。這些實驗難度大,知識面廣,學(xué)生要做好這些實驗,必須查閱大量相關(guān)文獻(xiàn)資料。這樣不僅有助于拓展學(xué)生的知識面,而且能培養(yǎng)他們查閱文獻(xiàn)資料的能力。

(7)加強綜合設(shè)計實驗力度,提高學(xué)生的綜合素質(zhì)?；A(chǔ)化學(xué)實驗 (一)要求每位學(xué)生至少獨立完成一個綜合設(shè)計實驗,要求學(xué)生提前一周擬出綜合設(shè)計實驗方案(含所需試劑、儀器設(shè)備、實驗課時等),并交教師批閱,教師審閱并修改后,交學(xué)生最后定稿。整個綜合設(shè)計實驗由學(xué)生在一定課時內(nèi)獨立完成。在完成綜合設(shè)計實驗后,要求學(xué)生進(jìn)行實驗總結(jié)和討論,對實驗結(jié)果進(jìn)行全面分析,尋找實驗成敗的原因,并進(jìn)行剖析。要求學(xué)生按論文格式撰寫綜合設(shè)計實驗報告。教師批閱實驗報告時,側(cè)重點不僅放在實驗數(shù)據(jù)及結(jié)果上,而且更注重綜合設(shè)計實驗的總結(jié)、討論的深度及廣度,即不僅培養(yǎng)學(xué)生拓寬知識面、收集數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)的能力,而且更注重培養(yǎng)學(xué)生的總結(jié)歸納能力及創(chuàng)造性思維。

2 教學(xué)內(nèi)容

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,為了適應(yīng)綜合性大學(xué)教學(xué)改革的需要,原來分設(shè) 4門基礎(chǔ)實驗課和 1門二級學(xué)科專業(yè)實驗課的模式已經(jīng)被打破。我們將化學(xué)實驗課獨立設(shè)置,逐步建立新的基礎(chǔ)化學(xué)實驗(一)教學(xué)體系?；谶@樣的新形勢要求及基礎(chǔ)實驗課教師長期的教學(xué)積累,并根據(jù)無機化學(xué)和分析化學(xué)理論課程的內(nèi)容和實驗課的學(xué)時數(shù),我們選擇具有代表性的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行教學(xué),以便在有限的學(xué)時內(nèi),較好地完成基礎(chǔ)化學(xué)實驗 (一)的教學(xué)任務(wù)。其教學(xué)內(nèi)容包括:

(1)基本實驗技能和基礎(chǔ)操作。

實驗基本常識;實驗基本操作;天平和光、電等儀器的使用。

(2)元素化學(xué)實驗。

氮族元素;銅分族與鋅分族元素;鐵、鈷、鎳元素;鉻和錳;氮氣和氮化鎂;常見的陽離子、陰離子混合物分析;未知陽離子、陰離子混合物分析(考查性實驗)。

(3)化學(xué)原理實驗。

(NH4)2S2O8氧化 I-的反應(yīng)級數(shù)、速率及活化能的測定;氧化還原與電化學(xué);配合物的生成與性質(zhì);置換法測定鎂的摩爾質(zhì)量;阿伏伽德羅常數(shù)測定;醋酸電離常數(shù)和電離度測定; Cu( IO3)2溶度積測定;磺基水楊酸合銅配合物的組成及穩(wěn)定常數(shù)測定;吸光光度法測定 d軌道分裂能。

(4)制備與分析實驗。

碳酸鈉的制備與分析;硫酸亞鐵銨的制備及組成分析;三草酸合鐵 (Ⅲ)酸鉀的制備及組成的測定;三氯化六氨合鈷(Ⅲ)的合成及組成的測定;硫酸銨中含氮量測定(甲醛強化法);鉛鉍混合液中 Pb2+、Bi3+濃度的連續(xù)測定;鋁合金中鋁含量的測定;海水中鹵素離子總量的測定(莫爾法);K2Cr2O7法測定礦石中 Fe的含量;銅合金中 Cu含量的測定 (考查性實驗);片劑中維生素 C含量的測定(改進(jìn)后的碘量法);鄰二氮菲吸光光度法測定 Fe的條件試驗及碳酸鹽礦中微量 Fe的測定;可溶性鋇鹽中鋇含量測定 (硫酸鋇重量法)[2]。水質(zhì)分析 (天然水總硬度測定;天然水中鹽類總量的測定;水中化學(xué)需氧量的測定)。

(5)綜合設(shè)計及研究性實驗。

HCl-H3BO3混合液分析 (酸堿滴定法);H2SO4-H2C2O4混合液的分析;Ca2+-EDTA混合液的分析(配合滴定法);蛋殼中 Ca、Mg含量測定;L-胱氨酸試劑純度的測定(溴酸鉀法);苯酚含量測定(溴酸鉀法);安乃近藥片中安乃近含量測定(碘量法)。

實驗內(nèi)容除“L-胱氨酸試劑純度的測定及安乃近藥片中安乃近含量測定”系選修課外,其余實驗均為必修課。每位學(xué)生除了必須獨立選做兩個綜合設(shè)計及研究性實驗 (18學(xué)時)外,還需完成 154個學(xué)時的實驗。這些實驗廣泛覆蓋了無機化學(xué)實驗和分析化學(xué)實驗,二者的有機融合,使其基本操作、合成制備、性質(zhì)鑒定及分析、實驗內(nèi)容及方法相互交融,相得益彰,形成一個內(nèi)在聯(lián)系密切的實驗教學(xué)新體系。在教學(xué)內(nèi)容上,除了對常規(guī)的實驗內(nèi)容進(jìn)行精選外,同時增加了一些有助于拓展知識及創(chuàng)新思維的新實驗。既注意到實驗的基礎(chǔ)性與系統(tǒng)性,又注意到其實用性與先進(jìn)性。在教學(xué)觀念上,更注重能力的培養(yǎng)和綜合素質(zhì)的提高。在實驗獨立設(shè)課及實驗課超前于理論課的情況下,引導(dǎo)學(xué)生自主地進(jìn)行預(yù)習(xí)更為重要。在實驗內(nèi)容里增加了一些“延伸實驗”,引導(dǎo)學(xué)生拓展思維空間及知識面。

3 建設(shè)多功能型創(chuàng)新型基礎(chǔ)化學(xué)實驗(一)實驗室

3.1 創(chuàng)新型實驗

要把綜合性大學(xué)建設(shè)成研究型、創(chuàng)新型人才基地,創(chuàng)新人才的培養(yǎng)尤其重要。為此,我們在基礎(chǔ)化學(xué)實驗(一)中開設(shè)創(chuàng)新型實驗,即數(shù)據(jù)處理的計算機方法。

我們共安排 18學(xué)時(必修課)的創(chuàng)新型實驗,具體包括:線性滴定計算機處理作圖法測定硼酸的含量、吸光光度法測定酸堿指示劑離解常數(shù)及酸度分布曲線的計算機數(shù)據(jù)處理、大宗分析測量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計處理 3個實驗,要求學(xué)生掌握 Excel軟件的一般知識以及線性回歸系數(shù)的確定,利用有關(guān)條件實驗及配合物組成的曲線求配合比。根據(jù)有關(guān)實驗數(shù)據(jù),求硼酸線性回歸方程的斜率、截距,相關(guān)系數(shù)及離解常數(shù)等。有利于拓展學(xué)生計算機應(yīng)用的視野,提高了學(xué)生使用計算機的能力。

3.2 驗證型實驗

我們在教學(xué)中選擇安排 24學(xué)時具有代表性的驗證型實驗 (必修課)。例如,置換法測定鎂的摩爾質(zhì)量的實驗,其原理是:利用金屬鎂與稀硫酸反應(yīng),置換出 H2,即 Mg+H2SO4=MgSO4+H2↑。由實驗可測定已知溫度和壓力下所生成 H2的體積,再由理想氣體狀態(tài)方程式計算 H2的物質(zhì)的量 (n(H2)),繼而推算出金屬鎂的摩爾質(zhì)量 (M(Mg)),即:M(Mg)= m(Mg)∕ n(Mg)=m(Mg)∕ n(H2)。學(xué)生將實驗所得出金屬鎂的摩爾質(zhì)量與理論值進(jìn)行比較驗證,找出實際值與理論值之間微小差異的原因,并進(jìn)行分析。又如 HAc電離常數(shù) Ka和電離度 a的測定、阿伏伽德羅常數(shù)的測定等實驗,使學(xué)生分別將根據(jù)實驗得出的實際電離常數(shù)Ka和電離度 a與理論值進(jìn)行比較驗證。這樣學(xué)生可以從不同角度來驗證所學(xué)的無機化學(xué)和分析化學(xué)基本理論,解決了學(xué)生對驗證型實驗中的物理化學(xué)常數(shù)的感性認(rèn)識這一實際問題。由此可見,考慮到綜合性大學(xué)高層次人才的培養(yǎng),驗證型實驗是必不可少的。

4 教學(xué)方法

(1)開放實驗室,培養(yǎng)學(xué)生的興趣。

在實驗室開放期間,安排專門的指導(dǎo)教師值班,不安排指定的實驗內(nèi)容,由學(xué)生自己選擇感興趣的實驗,查閱文獻(xiàn)資料,設(shè)計實驗方案,經(jīng)現(xiàn)場指導(dǎo)教師審核后進(jìn)行實驗。

(2)開展實驗課堂討論,訓(xùn)練學(xué)生講演能力。

在實驗前或?qū)嶒灪?指導(dǎo)教師可組織學(xué)生進(jìn)行課堂討論,學(xué)生對自己在預(yù)習(xí)中的心得體會,以及對實驗中異常現(xiàn)象或疑難問題的觀察、思考進(jìn)行討論,提出見解;對實驗結(jié)果進(jìn)行分析、判斷,評價其可靠性和合理性;對定量分析及常數(shù)測定中的誤差、偏差進(jìn)行分析,尋找產(chǎn)生的原因;對實驗方法、內(nèi)容發(fā)表看法、意見,提出創(chuàng)新建議;對整體實驗的評說、創(chuàng)意等進(jìn)行交流。從而提高了學(xué)生課堂表達(dá)、講演能力。

(3)實驗方法比較研究。

鼓勵學(xué)生對同一實驗采用不同方法。例如蛋殼中 Ca、Mg含量測定,可用的方法有:配位滴定法、酸堿滴定法、高錳酸鉀法[3]。學(xué)生在完成實驗后,可對不同的實驗方法進(jìn)行比較、分析和討論,總結(jié)歸納不同實驗方法的優(yōu)點與缺點。這樣不僅能提高學(xué)生選擇實驗方法的能力,而且更重要的是能拓寬學(xué)生的知識面。

5 教學(xué)效果

近年來,我?；A(chǔ)化學(xué)實驗 (一)的教學(xué)改革得到學(xué)生認(rèn)同。學(xué)生通過系統(tǒng)訓(xùn)練,掌握了闡明化學(xué)原理的實驗方法;掌握了無機物的一般制備、分離、提純及常見化合物和離子性質(zhì)鑒定的實驗方法;掌握了化學(xué)分析的常用方法,并能在試樣分析中加以應(yīng)用;提高了學(xué)生的實驗技能和綜合素質(zhì),包括查找資料、獨立操作、觀察現(xiàn)象、獲取數(shù)據(jù)、分析問題、解決問題,實驗報告的撰寫,數(shù)據(jù)的處理和表達(dá),最后得出結(jié)論等各個環(huán)節(jié);提高了學(xué)生獨立工作的能力,增強了學(xué)生的創(chuàng)新意識,為高年級畢業(yè)論文的設(shè)計及今后的科研工作打下了基礎(chǔ)。

實踐證明:教學(xué)改革有力地支持了綜合性大學(xué)化學(xué)專業(yè)基礎(chǔ)理論課程體系,增強了基礎(chǔ)化學(xué)實驗(一)在教學(xué)中的比重和地位,不僅能使學(xué)生學(xué)到更多的實驗知識和理論知識,而且更有助于學(xué)生拓展思維空間,豐富知識面,基本上達(dá)到了預(yù)期的教學(xué)效果。

[1] 蔡維平.基礎(chǔ)化學(xué)實驗(一).北京:科學(xué)出版社,2004

[2] 崔學(xué)桂,張曉麗.基礎(chǔ)化學(xué)實驗(Ⅰ)——無機及分析化學(xué)實驗.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2003

[3] 倪哲明.新編基礎(chǔ)化學(xué)實驗(Ⅰ)——無機及分析化學(xué)實驗.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2006

國家基礎(chǔ)科學(xué)人才培養(yǎng)基金項目(J0630429)