莊京彭卿 王訓(xùn)

(清華大學(xué)化學(xué)系 北京100084)

教學(xué)研究與改革

談基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革觀念

莊京*彭卿 王訓(xùn)

(清華大學(xué)化學(xué)系 北京100084)

教育改革成功的關(guān)鍵是改革者教育觀念的改革，基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革應(yīng)首先從教師的教育觀念和教學(xué)方式的改變?nèi)胧?。明確基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教育的目的是為創(chuàng)新打好堅(jiān)實(shí)的實(shí)驗(yàn)素質(zhì)基礎(chǔ)，在實(shí)驗(yàn)過程中于細(xì)節(jié)處滲透知識(shí)點(diǎn)、培養(yǎng)問題意識(shí)，同時(shí)應(yīng)提高教師自身的科研素質(zhì)。

化學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的科學(xué)，化學(xué)中很多新領(lǐng)域的發(fā)展源于實(shí)驗(yàn)過程中新現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)與捕捉，現(xiàn)有的化學(xué)理論與規(guī)律大部分也都是從實(shí)驗(yàn)中總結(jié)出來的［1－4］。如惰性氣體的發(fā)現(xiàn)最初始于Cavendish與Rayleigh實(shí)驗(yàn)過程中殘存的微小氣泡與不同氮源氮?dú)夂量思?jí)的質(zhì)量差別;碳富勒烯則是Kroto等人研究星際空間冷暗云中富含碳的星辰實(shí)驗(yàn)過程中的一個(gè)意外發(fā)現(xiàn)。正是由于化學(xué)家們艱苦不懈的努力，在實(shí)驗(yàn)過程中善于對(duì)各種新的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行總結(jié)、提煉、抽象而后規(guī)律化，才有了化學(xué)科學(xué)的誕生與發(fā)展。

培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力的高素質(zhì)人才是高等教育改革的主題，而教育改革成功的關(guān)鍵是教育觀念的改革。從事基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的教師如何使自己的教育觀念適應(yīng)當(dāng)今高等教育形勢(shì)的發(fā)展和要求，是值得我們深思和探討的一個(gè)問題。

目前的實(shí)驗(yàn)教學(xué)并未充分發(fā)揮出其應(yīng)有的作用，以無機(jī)及分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)課為例，實(shí)驗(yàn)課程中存在的主要問題是:①目前普遍使用的實(shí)驗(yàn)教材的教學(xué)內(nèi)容以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，主要圍繞學(xué)生課堂所學(xué)知識(shí)展開，缺乏對(duì)實(shí)驗(yàn)背景知識(shí)及相關(guān)領(lǐng)域進(jìn)展的介紹;②在無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生把全部精力都放在對(duì)已有理論結(jié)果的驗(yàn)證以及方程式的書寫上，而忽略了實(shí)驗(yàn)過程中現(xiàn)象的觀察;③在定量化學(xué)分析實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生的基本操作不規(guī)范，尚缺良好的科學(xué)素養(yǎng)。這些對(duì)學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)是不利的，想要解決這些問題，首先應(yīng)該從改革教師的教育觀念和明確基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的作用入手。

1 明確目標(biāo)——為創(chuàng)新打好堅(jiān)實(shí)的實(shí)驗(yàn)素質(zhì)平臺(tái)

對(duì)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行改革的前提是要明確基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)在創(chuàng)新教育中所起的作用和承擔(dān)的角色，并在教學(xué)中融會(huì)貫通，讓學(xué)生明確實(shí)驗(yàn)教學(xué)的作用，讓大學(xué)低年級(jí)的學(xué)生體會(huì)到“創(chuàng)新”并不是一個(gè)空泛和遙不可及的詞語。

基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的是使學(xué)生在教師的指導(dǎo)下訓(xùn)練基本操作技能、掌握經(jīng)典化學(xué)知識(shí);同時(shí)，使學(xué)生不僅可以對(duì)化學(xué)產(chǎn)生基本的感性認(rèn)識(shí)，更重要的是通過對(duì)各種實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)問題的敏感性，激發(fā)其求知欲以及鍛煉其總結(jié)歸納的能力，培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)和良好的思維習(xí)慣，為創(chuàng)新能力的獲得打好基礎(chǔ)，使其具備基本的科學(xué)素養(yǎng)。實(shí)驗(yàn)?zāi)軌虼蟠筇岣邔W(xué)生的動(dòng)手能力，實(shí)驗(yàn)中的操作、數(shù)據(jù)記錄、誤差分析等環(huán)節(jié)能很好地起到培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和實(shí)事求是、一絲不茍的科學(xué)作風(fēng)以及獨(dú)立分析、解決問題的能力的作用。因此，我們認(rèn)為系統(tǒng)、扎實(shí)的訓(xùn)練及實(shí)驗(yàn)技能和科研素質(zhì)的培養(yǎng)應(yīng)該是基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重中之重。

如果面向大學(xué)低年級(jí)學(xué)生開設(shè)的基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)只停留在通過開設(shè)新的、有趣的實(shí)驗(yàn)來引起學(xué)生興趣是片面的，應(yīng)該把精力更多地投注在教師教學(xué)觀念以及教學(xué)方式的改革上。

2 細(xì)節(jié)中滲透知識(shí)點(diǎn)——培養(yǎng)問題意識(shí)

近代英國科學(xué)哲學(xué)家波普爾說:“科學(xué)只能從問題開始”，“科學(xué)知識(shí)的增長永遠(yuǎn)始于問題，終于問題——越來越深化的問題、越來越能觸發(fā)新問題的問題”。作為任課教師，如何利用實(shí)驗(yàn)課堂來培養(yǎng)學(xué)生的問題意識(shí)，并以此激發(fā)學(xué)生的求知欲望，最終使他們獲得解決問題的能力，這是一個(gè)值得研究的課題。

以無機(jī)元素化學(xué)實(shí)驗(yàn)為例，學(xué)生都做過KMnO4在不同pH條件下參與反應(yīng)生成產(chǎn)物各不相同的實(shí)驗(yàn)——酸性時(shí)生成Mn2+，中性時(shí)生成MnO2，堿性時(shí)生成MnO2－4。如果學(xué)生在實(shí)驗(yàn)操作中不注意藥品加入的次序，將反應(yīng)物混合后才調(diào)節(jié)體系的pH，則只能得到MnO2一種產(chǎn)物。這不僅僅是一個(gè)藥品加入次序的問題，更涉及到熱力學(xué)穩(wěn)定與動(dòng)力學(xué)可能性。因此，在實(shí)驗(yàn)過程中可以給學(xué)生提出一個(gè)具有啟發(fā)性的問題:如果將反應(yīng)物KMnO4與Na2SO3先混合再調(diào)節(jié)pH，充分放置陳化，最終的反應(yīng)產(chǎn)物會(huì)是什么?像這類例子在無機(jī)實(shí)驗(yàn)中還有很多，都是培養(yǎng)學(xué)生細(xì)致觀察和發(fā)現(xiàn)問題的好機(jī)會(huì)。

再比如，為了書寫方便，我們將Sn4+與OH－的反應(yīng)物寫成Sn(OH)4，但實(shí)際上4價(jià)錫的氫氧化物結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，一般認(rèn)為新制備的為α－錫酸H2SnO3，長時(shí)間放置則轉(zhuǎn)化為β－錫酸，二者存在結(jié)晶性的差異，性質(zhì)也有很明顯的區(qū)別。如α－錫酸具有兩性，在Sn(Ⅳ)氫氧化物酸堿性質(zhì)實(shí)驗(yàn)過程中，若Sn(Ⅳ)溶液為新配制，則得到的Sn(Ⅳ)氫氧化物沉淀顯示兩性，因此學(xué)生很容易得出結(jié)論:Sn(Ⅳ)的氫氧化物具有兩性。但實(shí)驗(yàn)過程中往往并非如此，如果Sn(Ⅳ)溶液經(jīng)過長時(shí)間放置，即使是新鮮制備的Sn(Ⅳ)氫氧化物也不會(huì)呈現(xiàn)兩性，溶于酸但不溶于堿，大部分學(xué)生會(huì)對(duì)此感到疑惑:明明是新鮮制備的α－錫酸，為什么仍然不溶?這要從微觀角度去分析，同樣是澄清的Sn(Ⅳ)溶液，從宏觀上看不出區(qū)別，但由于Sn(Ⅳ)容易水解，會(huì)生成很多非常細(xì)小的晶核，對(duì)于長時(shí)間放置的Sn(Ⅳ)溶液，這些晶核實(shí)際上已經(jīng)轉(zhuǎn)換為β－錫酸，并在實(shí)驗(yàn)過程中起誘導(dǎo)晶體生長的作用，因而大量生成β－錫酸，而不是α－錫酸。經(jīng)過上述引導(dǎo)，學(xué)生對(duì)晶體生長的微觀機(jī)制、納米化學(xué)等問題產(chǎn)生了濃厚的興趣。更應(yīng)該指出的是，人們對(duì)物質(zhì)的認(rèn)識(shí)是永無止境的，如至今仍未制得純的α－錫酸，其精確結(jié)構(gòu)的描述仍有待科學(xué)技術(shù)手段的進(jìn)步。

與Sn(Ⅳ)的氫氧化物類似，F(xiàn)e的氫氧化物常被寫作Fe(OH)3，但實(shí)際上Fe的氫氧化物和Al(OH)3等3價(jià)金屬氫氧化物不同，F(xiàn)e(OH)3并不存在，迄今也不為人所知，更精確的描述應(yīng)為FeOOH，而且FeOOH又可分為α－FeOOH、β－FeOOH及γ－FeOOH。Fe3+在不同pH范圍內(nèi)的水解反應(yīng)非常復(fù)雜，也可以生成α－Fe2O3，并非一成不變的FeOOH。JP Jolivet等人研究發(fā)現(xiàn)［5］，在接近中性時(shí)，F(xiàn)e3+一般水解得到α－Fe2O3，在酸性、堿性條件下易得到α－FeOOH。不同種類氫氧化物的生成與體系中的離子強(qiáng)度也有密切關(guān)系:如在較高溫度Fe(Ⅲ)水解生成α－Fe2O3的過程中，在較低氯離子條件下，F(xiàn)e(Ⅲ)經(jīng)由6－line ferrihydrite水解生成α－Fe2O3;而在高氯離子條件下，則經(jīng)過介穩(wěn)態(tài)的β－FeOOH，然后生成α－Fe2O3。這些看似普通的問題背后蘊(yùn)藏著豐富的知識(shí)，一定程度上的引導(dǎo)可以讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到即使是經(jīng)典的元素化學(xué)部分也還有廣闊的未知領(lǐng)域等待大家去探索，可以此激發(fā)學(xué)生的求知欲望。此外，我們還將一些科研工作中常用、但基礎(chǔ)教學(xué)基本不涉及的知識(shí)與技術(shù)介紹給學(xué)生。比如為了弄清Sn(OH)4與FeOOH的晶體結(jié)構(gòu)，可以通過X射線衍射儀對(duì)其進(jìn)行分析。

3 提高實(shí)驗(yàn)課教師的科研素質(zhì)

作為教師，思考最多的應(yīng)該是:不論授課的對(duì)象是化學(xué)專業(yè)還是非化學(xué)專業(yè)的學(xué)生，通過這門實(shí)驗(yàn)課的學(xué)習(xí)能夠留給他們哪些終身受益的東西。創(chuàng)新過程包括兩方面，一是提出問題，二是解決問題?，F(xiàn)行的教學(xué)模式多是應(yīng)試教育，只注重學(xué)生學(xué)到的知識(shí)量，但學(xué)不能致用，不能很好地將書本上的知識(shí)與現(xiàn)實(shí)中的現(xiàn)象聯(lián)系起來，這也是為何我們的學(xué)生普遍具有良好的理論知識(shí)與數(shù)理基礎(chǔ)，但進(jìn)入研究生階段后，創(chuàng)新能力反而不足的原因之一。另外，從創(chuàng)新角度看，提出問題更為重要。因此，在教學(xué)過程中，應(yīng)該更多地去培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題的能力。教師在這個(gè)過程中理應(yīng)承擔(dān)起自己的責(zé)任，傳授的不僅是具體的知識(shí)，更應(yīng)該是思維方式，要注重提升自身的素質(zhì)，尤其是科研素質(zhì)。很難想象一個(gè)自身對(duì)化學(xué)的發(fā)展沒有任何了解、只局限于實(shí)驗(yàn)教材內(nèi)容的教師能夠培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。因此，在提高任課教師自身素質(zhì)的基礎(chǔ)上，改革教學(xué)方式是較之實(shí)驗(yàn)教材、教學(xué)內(nèi)容改革更加刻不容緩的事情。在教學(xué)過程中，應(yīng)以引導(dǎo)和啟發(fā)為主，同時(shí)將化學(xué)領(lǐng)域內(nèi)的最新進(jìn)展介紹給學(xué)生，以激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新欲望。

實(shí)驗(yàn)課教師應(yīng)該參與科研工作，這不僅能更新自己原有的知識(shí)，而且能夠了解化學(xué)的發(fā)展以及相關(guān)領(lǐng)域的最新進(jìn)展，并把這些信息融入到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，以彌補(bǔ)在教材中缺乏對(duì)實(shí)驗(yàn)背景知識(shí)及相關(guān)領(lǐng)域進(jìn)展介紹的不足。

對(duì)于無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的化合物，學(xué)生的印象只是各種顏色的沉淀，只能獲取一些表觀印象。但實(shí)際上，無機(jī)化合物具備多種功能，有著廣泛的實(shí)際應(yīng)用。以KMnO4與Na2SO3的反應(yīng)為例，中性條件下反應(yīng)產(chǎn)物為MnO2。二氧化錳是一種有重要工業(yè)應(yīng)用的化合物，結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，在自然界中存在多種晶型，如α、β、γ等。不同晶型具有不同的理化性質(zhì)與用途，如α可用于分子篩，β可用于催化領(lǐng)域，γ可用于電極材料，δ可用于多孔材料等。清華大學(xué)化學(xué)系無機(jī)化學(xué)研究所在納米材料合成上具有豐富經(jīng)驗(yàn)，曾基于KMnO4與MnSO4之間的簡單氧化還原反應(yīng)，以水熱法控制不同反應(yīng)條件分別合成了α、β、γ、δ不同晶型的二氧化錳納米線、納米帶、納米管等材料。在實(shí)驗(yàn)課教學(xué)過程中，對(duì)這些知識(shí)點(diǎn)的簡單介紹，可使學(xué)生不僅對(duì)二氧化錳這種化合物本身有更深的認(rèn)識(shí)，還能對(duì)納米科技領(lǐng)域建立初步概念;更重要的是認(rèn)識(shí)到許多重要的無機(jī)功能材料就是通過一些非常簡單的無機(jī)化學(xué)反應(yīng)得到的。簡單的無機(jī)化學(xué)反應(yīng)背后蘊(yùn)藏著豐富的物理、化學(xué)、材料研究內(nèi)容，任何一個(gè)新的現(xiàn)象都有可能成為新的科學(xué)發(fā)現(xiàn)的起點(diǎn)。從紛繁復(fù)雜的表象背后看到問題的實(shí)質(zhì)，從簡單的化學(xué)反應(yīng)背后看到豐富的物理化學(xué)研究內(nèi)容，可以逐漸幫助學(xué)生樹立起正確的科學(xué)研究觀念。

一代藝術(shù)巨匠達(dá)芬奇的繪畫生涯是從畫蛋開始的。當(dāng)他感到乏味的時(shí)候，他的老師佛羅基奧對(duì)他說:“不要以為畫蛋容易。要知道，一千個(gè)蛋當(dāng)中從來沒有兩個(gè)是形狀完全相同的，即使是同一個(gè)蛋，只要變換一下角度去看，形狀也就不同了。”作為化學(xué)實(shí)驗(yàn)課教師，我們真的應(yīng)該捫心自問，我們是否給自己的學(xué)生充分展示了“畫蛋”的奧妙呢?在化學(xué)發(fā)展史上，居里夫人的女兒能夠獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，與她母親的善于指導(dǎo)與示范作用密不可分;卡文迪許實(shí)驗(yàn)室成立以來連續(xù)培養(yǎng)了20多位諾貝爾獎(jiǎng)得主，毫無疑問與該實(shí)驗(yàn)室長期建立起來的良好學(xué)術(shù)氛圍與傳統(tǒng)密切相關(guān)。盡管我們達(dá)不到像佛羅基奧與居里夫人那樣的名師的高度，但從自身做起，盡量提高自身素質(zhì)，是每一位教育工作者的職責(zé)。對(duì)于基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的教師，我們應(yīng)該讓學(xué)生在普通的教學(xué)實(shí)驗(yàn)室中感受到化學(xué)發(fā)展最前沿的氣息，并適時(shí)展示化學(xué)領(lǐng)域最為激動(dòng)人心的成果，讓學(xué)生知道他們現(xiàn)在所做的類似于“畫蛋”的枯燥實(shí)驗(yàn)正是在為以后創(chuàng)作“蒙娜麗莎”奠定基礎(chǔ)。

［1］ 田曙堅(jiān)，廖一平，焦書明.大學(xué)化學(xué)，2005，20(1):25

［2］ 袁書玉，丁廷楨.高等工程教育研究，1995(4):82

［3］ 陳慧蘭，吳琴媛，徐培珍.大學(xué)化學(xué)，1994，9(3):13

［4］ 陸靖，馬林，趙濱，等.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2002，19(3):91

［5］ Jolivet JP，Chanéac C，Tronc E.Chem Commun，2004，481