徐建強(qiáng), 陳 雯
(南京信息工程大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 南京 210044)
本科教學(xué)不只是傳授知識(shí),更要傳授獲取知識(shí)的方法和思想,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和科學(xué)品質(zhì),使學(xué)生具備潛在的發(fā)展能力和基礎(chǔ)[1],這一理念可應(yīng)用于理論與實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)。
分析化學(xué)通常被稱為生產(chǎn)和科研的“眼睛”,而定量分析類實(shí)驗(yàn)是分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)的重要組成部分,在社會(huì)經(jīng)濟(jì)各部門具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。定量分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)的任務(wù)是:使學(xué)生對(duì)分析化學(xué)基本理論加深理解,熟練準(zhǔn)確地掌握定量分析的基本操作,培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度,一絲不茍的工作作風(fēng),分析解決問(wèn)題的能力,為他們參加生產(chǎn)和科學(xué)研究打好一定的基礎(chǔ)[2]。它不只限于實(shí)驗(yàn)技能的培養(yǎng),也不只限于運(yùn)用分析化學(xué)的知識(shí)解決分析化學(xué)問(wèn)題的能力,實(shí)驗(yàn)課教學(xué)不僅是一個(gè)理論聯(lián)系實(shí)際的過(guò)程,更重要的是一個(gè)培養(yǎng)和挖掘?qū)W生手、眼、腦并用能力的綜合過(guò)程,培養(yǎng)學(xué)生進(jìn)一步發(fā)展的能力[3-4]。
我院在實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)考核方法等方面進(jìn)行了有益探索[5],我校環(huán)境科學(xué)、應(yīng)用化學(xué)、環(huán)境工程、給排水科學(xué)與工程、生態(tài)學(xué)等專業(yè)開設(shè)了大學(xué)化學(xué)、分析化學(xué)、儀器分析、水分析化學(xué)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等定量分析類實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開展無(wú)疑對(duì)學(xué)生理解有關(guān)學(xué)科的原理、掌握相關(guān)實(shí)驗(yàn)技能具有非常重要的作用。然而在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中如何調(diào)動(dòng)學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的積極性,使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中具有成就感和獲得感,從而激發(fā)學(xué)生實(shí)驗(yàn)教學(xué)的興趣卻是擺在每一位實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作者面前迫切需要解決的一大問(wèn)題。
為此,我校環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院化學(xué)系有關(guān)實(shí)驗(yàn)教學(xué)小組針對(duì)定量分析類實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn),經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期實(shí)踐,在綜合考慮實(shí)驗(yàn)教學(xué)的時(shí)間、經(jīng)濟(jì)以及社會(huì)效益的基礎(chǔ)上,摸索出了一套行之有效的創(chuàng)新教學(xué)實(shí)踐模式。
當(dāng)下定量分析類實(shí)驗(yàn)教材琳瑯滿目,而縱觀這些教材,實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目大都多是面面俱到,篇幅越來(lái)越厚。與此相反,實(shí)驗(yàn)教學(xué)學(xué)時(shí)往往非常有限。根據(jù)定量分析類實(shí)驗(yàn)課程的自身特點(diǎn)和規(guī)律,選擇合適的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目能起到事半功倍的作用。
僅以儀器分析實(shí)驗(yàn)為例,儀器分析是一門應(yīng)用廣泛的實(shí)踐性學(xué)科,課程的內(nèi)容廣泛,知識(shí)點(diǎn)分散,并且較為抽象,晦澀難懂,很多學(xué)生反映該門課程較難理解,導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)積極性不高[6-7]。目前一般儀器分析實(shí)驗(yàn)方法主要包括光譜分析、色譜分析和電化學(xué)分析三大類,傳統(tǒng)的儀器分析實(shí)驗(yàn)內(nèi)容體系陳舊,落后于科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,而用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的儀器設(shè)備不利于學(xué)生在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)掌握儀器的使用方法[8-9]。
為此,根據(jù)我校實(shí)驗(yàn)室的現(xiàn)有儀器設(shè)備條件,針對(duì)48學(xué)時(shí)的儀器分析實(shí)驗(yàn)課程,選擇了如表1所示的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。
表1 儀器分析實(shí)驗(yàn)課程實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目
表中紅外光譜儀通常用于有機(jī)化合物定性分析,但也可用于定量分析;元素分析儀不屬于色譜類分析儀器,但其分析原理與氣相色譜儀相類似。
在儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,學(xué)生應(yīng)從儀器的用途、結(jié)構(gòu)以及定量分析的依據(jù)和方法三方面去學(xué)習(xí)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)老師的點(diǎn)撥,不僅使學(xué)生理解了三類儀器分析方法的基本原理,同時(shí)理解了儀器分析實(shí)驗(yàn)的真諦。
表中各實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目所選用的實(shí)驗(yàn)材料,除試劑外,大多實(shí)驗(yàn)試樣均取自與生產(chǎn)或生活密切相關(guān)的物品,如工業(yè)廢水、天然降水、自來(lái)水、牛奶、飲料等,實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目與生產(chǎn)生活實(shí)際緊密結(jié)合可以極大地提高學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的積極性。
由于實(shí)驗(yàn)室所用的儀器設(shè)備常會(huì)因儀器類型、儀器型號(hào)、生產(chǎn)廠家等與實(shí)驗(yàn)中所用的儀器設(shè)備不相同,并且更新速度快,目前多數(shù)實(shí)驗(yàn)教材在實(shí)驗(yàn)方法內(nèi)容、所列設(shè)備和儀器等方面差別很大,且不同院校采用相同教材,導(dǎo)致教材的針對(duì)性欠佳[10-11]。
為了培養(yǎng)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的主體意識(shí),使學(xué)生積極參與實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)過(guò)程。對(duì)于定量分析類實(shí)驗(yàn)課程,從實(shí)驗(yàn)預(yù)備知識(shí)到實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目編寫了獨(dú)具特色的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)材料。預(yù)備知識(shí)部分重點(diǎn)介紹了課程設(shè)置的目的、學(xué)習(xí)方法、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目概況以及相關(guān)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目部分重點(diǎn)介紹了實(shí)驗(yàn)原理、方案,要求學(xué)生在理解實(shí)驗(yàn)原理的基礎(chǔ)上看懂實(shí)驗(yàn)方案,做到“會(huì)選擇儀器、會(huì)配制試劑、會(huì)進(jìn)行計(jì)算”[12]。該實(shí)驗(yàn)方案與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教材不同,實(shí)驗(yàn)內(nèi)容都是以流程圖或表格的形式來(lái)呈現(xiàn),可最大限度地避免學(xué)生“照方抓藥”式的完成實(shí)驗(yàn)。
初次見到與眾不同的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)材料,許多學(xué)生覺得無(wú)所適從。這就要求實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中精心組織教學(xué),把實(shí)驗(yàn)看成是一門技術(shù)傳授給學(xué)生。實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師要講清實(shí)驗(yàn)原理,從時(shí)間效益、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益的角度去剖析實(shí)驗(yàn)方案。例如,定量分析類實(shí)驗(yàn)經(jīng)常會(huì)涉及到試劑和試樣溶液的配制問(wèn)題,如果理解了試劑和試樣的概念,正確掌握了溶液濃度的表示方法,正確理解了實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)要求,就能花最少的時(shí)間、花最少的經(jīng)費(fèi),又好又快地完成相關(guān)的實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備工作。表2給出了定量分析類實(shí)驗(yàn)的儀器組合情況。
表2 定量分析類實(shí)驗(yàn)常用儀器的組合
表中分析天平是比較貴重的精密稱量?jī)x器,而臺(tái)秤則是便宜的粗糙的稱量?jī)x器;移液管/吸量管和容量瓶是精密的體積測(cè)量或體積控制儀器,而量筒、燒杯則是粗糙的體積測(cè)量或控制儀器。如果理解了實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo),就可以避免落入定量分析實(shí)驗(yàn)“稱得越準(zhǔn)越好”“量得越準(zhǔn)越好”的實(shí)驗(yàn)誤區(qū),從而提高實(shí)驗(yàn)效率。
在提高實(shí)驗(yàn)效率的同時(shí),實(shí)驗(yàn)教學(xué)還需考慮社會(huì)效益問(wèn)題。這里的社會(huì)效益指的是環(huán)境保護(hù)問(wèn)題。定量分析類實(shí)驗(yàn)不可避免地會(huì)接觸到各種各樣的化學(xué)試劑,在化學(xué)分析實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和實(shí)施過(guò)程中存在著試劑、藥品、溶液使用量大,實(shí)驗(yàn)后的廢液隨意傾倒和丟棄的現(xiàn)象[13]。實(shí)驗(yàn)過(guò)程產(chǎn)生的廢棄物或多或少都會(huì)帶來(lái)環(huán)境問(wèn)題。這就要求在選擇實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目時(shí)盡可能選擇耗用化學(xué)試劑少的、涉及有毒有害試劑少的、實(shí)驗(yàn)廢棄物易處理的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目組織實(shí)驗(yàn)教學(xué)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)的組織過(guò)程也可以最大限度地減少環(huán)境問(wèn)題。
化學(xué)需氧量是衡量廢水有機(jī)污染程度的一個(gè)重要指標(biāo),化學(xué)需氧量的測(cè)定是環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)中的一個(gè)經(jīng)典實(shí)驗(yàn),目前國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)采用的是重鉻酸鉀法(一種氧化還原滴定方法),該方法涉及到毒性較大的重鉻酸鉀化學(xué)試劑,并且該實(shí)驗(yàn)要在強(qiáng)酸性條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn),產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)廢液中有重金屬鉻和廢硫酸。如果按一個(gè)教學(xué)班40人計(jì)算,兩人一組進(jìn)行實(shí)驗(yàn),初步估算要產(chǎn)生5 600 mL的廢液。為減少?gòu)U液的產(chǎn)生及減少實(shí)驗(yàn)室廢液處理的壓力,對(duì)這一實(shí)驗(yàn)的組織形式進(jìn)行了改革,變?cè)瓉?lái)兩人一組實(shí)驗(yàn)為全班一組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。使實(shí)驗(yàn)廢液由5 600 mL減少到280 mL。為了活躍實(shí)驗(yàn)室的氣氛,增加學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的參與度,結(jié)合實(shí)驗(yàn)方案另設(shè)計(jì)了一些實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié):① 回流實(shí)驗(yàn)裝置的組裝比賽,從中選出兩套符合安裝規(guī)范的裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)(其中一套進(jìn)行水樣實(shí)驗(yàn),另一套進(jìn)行空白試驗(yàn))。② 空白試驗(yàn)與對(duì)照試驗(yàn)的討論,明確這兩種試驗(yàn)的方法與用途。③ COD計(jì)算公式的推導(dǎo),明確COD的本義與實(shí)驗(yàn)定義。④ 實(shí)驗(yàn)過(guò)程所用試劑配制方法討論,使學(xué)生正確的確立定量分析實(shí)驗(yàn)中“量”的概念。
實(shí)現(xiàn)課程目標(biāo),除了要靠教學(xué)內(nèi)容來(lái)體現(xiàn),靠教學(xué)方法和組織管理來(lái)落實(shí)外,積極有效考核評(píng)價(jià)體系的建立也是至關(guān)重要的[14],實(shí)驗(yàn)報(bào)告和實(shí)驗(yàn)考核模式相對(duì)比較簡(jiǎn)單,主觀性強(qiáng),很難體現(xiàn)學(xué)生的真實(shí)水平[15]。實(shí)驗(yàn)作為一門課程,如何考查學(xué)生的水平直接關(guān)系到學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的積極性和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果。針對(duì)實(shí)驗(yàn)課程的特殊性,主要從以下3個(gè)方面對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能作出全面評(píng)價(jià)。
(1) 從實(shí)驗(yàn)原始數(shù)據(jù)看學(xué)生實(shí)驗(yàn)基本功。定量分析實(shí)驗(yàn)正確的分析結(jié)果是建立在規(guī)范的操作基礎(chǔ)之上的。滴定分析中移液管、滴定管、容量瓶的使用以及儀器分析中吸量管、容量瓶、大型儀器的使用直接影響到原始數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度進(jìn)而影響分析結(jié)果的準(zhǔn)確度。在介紹了這些體積測(cè)量?jī)x器、大型儀器的使用規(guī)范后,如何考察學(xué)生的掌握情況是實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師必須考慮的一大問(wèn)題,這直接關(guān)系到學(xué)生走上未來(lái)工作崗位后的實(shí)驗(yàn)基本功底。為此,針對(duì)不同的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了一些表格,用來(lái)收集學(xué)生實(shí)驗(yàn)后的原始數(shù)據(jù),并運(yùn)用電腦對(duì)學(xué)生的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,并將處理結(jié)果及時(shí)與學(xué)生進(jìn)行分析討論。通過(guò)討論不僅使學(xué)生加深了對(duì)實(shí)驗(yàn)原理的理解,同時(shí)找到了自身的不足,也對(duì)精密度、準(zhǔn)確度、重現(xiàn)性、選擇性、靈敏度等定量分析實(shí)驗(yàn)用語(yǔ)有了更加清晰的認(rèn)識(shí),從中獲得了實(shí)驗(yàn)的成就感。通過(guò)不同學(xué)生實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較也激發(fā)了學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的積極性。
(2) 從實(shí)驗(yàn)報(bào)告看學(xué)生實(shí)驗(yàn)科學(xué)素養(yǎng)。實(shí)驗(yàn)報(bào)告與學(xué)術(shù)論文有所不同,更不是實(shí)驗(yàn)教材的翻版,學(xué)生只要在理解了實(shí)驗(yàn)原理的基礎(chǔ)上就應(yīng)該以簡(jiǎn)明扼要的形式完成一份實(shí)驗(yàn)報(bào)告,實(shí)驗(yàn)報(bào)告應(yīng)包括實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容(數(shù)據(jù)記錄與處理)、思考題等項(xiàng)目。其中數(shù)據(jù)記錄與處理、思考題是考察學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的重要依據(jù)。首先,作為科學(xué)實(shí)驗(yàn),數(shù)據(jù)記錄應(yīng)以儀器的準(zhǔn)確度為依據(jù),數(shù)據(jù)處理包括有效數(shù)字的運(yùn)算和作圖等內(nèi)容,只有經(jīng)過(guò)反復(fù)訓(xùn)練才能改變學(xué)生記錄數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)隨心所欲的不良習(xí)慣;其次,好的思考題是實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的延伸,能夠反映學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)原理的理解和實(shí)驗(yàn)技能的掌握情況。
(3) 從實(shí)驗(yàn)書面考試看教師實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。教學(xué)是教師與學(xué)生的互動(dòng)過(guò)程,也是教師與學(xué)生一起成長(zhǎng)的過(guò)程。實(shí)驗(yàn)原始數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)報(bào)告只能反映學(xué)生完成某個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的情況,不能反映學(xué)生全面的實(shí)驗(yàn)技能掌握情況,更不能完整反映實(shí)際的教學(xué)效果。為此,針對(duì)定量分析類實(shí)驗(yàn),安排了實(shí)驗(yàn)書面考試這一教學(xué)環(huán)節(jié)。所謂實(shí)驗(yàn)書面考試,就是以筆試的形式完成一次實(shí)驗(yàn),要求學(xué)生在理解了實(shí)驗(yàn)原理的基礎(chǔ)上,完成從準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)到實(shí)驗(yàn)結(jié)果呈現(xiàn)這一整套過(guò)程,全程考察學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能,其中設(shè)計(jì)了一系列的問(wèn)題,包括試劑選擇、試劑準(zhǔn)備、儀器選擇、數(shù)據(jù)處理與計(jì)算等實(shí)驗(yàn)技能相關(guān)的問(wèn)題。學(xué)生普遍認(rèn)為,定量分析類實(shí)驗(yàn)的考試過(guò)程是檢驗(yàn)自己實(shí)驗(yàn)技能的過(guò)程,是一個(gè)比較輕松的過(guò)程,是不必進(jìn)行專門復(fù)習(xí)的一類考試,從中也看到了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果。
實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有兩方面的功能:① 通過(guò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以幫助學(xué)生理解有關(guān)學(xué)科的理論;② 通過(guò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能。其中實(shí)驗(yàn)技能的培養(yǎng)至關(guān)重要,實(shí)驗(yàn)技能的培養(yǎng)可以為學(xué)生將來(lái)從事相關(guān)行業(yè)的工作、從事相關(guān)領(lǐng)域的研究打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。實(shí)驗(yàn)是一門技術(shù),實(shí)驗(yàn)教學(xué)既是一門技術(shù)也是一門藝術(shù),這是每位實(shí)驗(yàn)教學(xué)指導(dǎo)教師都要潛心研究的課題。當(dāng)看到學(xué)生視實(shí)驗(yàn)課是一種享受的時(shí)候,當(dāng)看到學(xué)生為滿意的實(shí)驗(yàn)結(jié)果充滿成就感的時(shí)候,當(dāng)看到學(xué)生不因?qū)嶒?yàn)考試而愁眉苦臉的時(shí)候,實(shí)驗(yàn)教學(xué)才是成功的。
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