曹小華, 占昌朝, 徐常龍, 嚴(yán) 平, 雷艷虹, 肖國光

(九江學(xué)院 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院, 江西 九江 332005)

堿式碳酸銅制備是一個綜合設(shè)計性實驗,具有試劑安全易得、儀器設(shè)備簡單、產(chǎn)物易于制備、內(nèi)容適合探究等優(yōu)點,備受廣泛關(guān)注[1-7]。但在傳統(tǒng)“灌輸式”教學(xué)模式下,實際教學(xué)效果往往不夠理想?！岸嗑S互動教學(xué)”通過師師、師生、生生、小組與小組以及師生與環(huán)境等之間的多維互動,優(yōu)化各種教學(xué)因素,結(jié)合設(shè)疑、激趣、引思、探究、升華等過程,實施民主式教學(xué),突出學(xué)生主體地位,全面培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力、溝通能力、團(tuán)隊精神、合作意識、科研素養(yǎng)、競爭意識和創(chuàng)新能力,提升學(xué)習(xí)興趣、綜合素質(zhì)和能力,塑造學(xué)生健全人格,促使學(xué)生全面發(fā)展[8-12]。為真正發(fā)揮綜合性設(shè)計性實驗的教學(xué)育人效果,在江西省教改重點課題“無機化學(xué)課程多維互動教學(xué)模式的研究與實踐”等課題的立項資助下,進(jìn)行了多維互動教學(xué)模式探究,取得了比較顯著的教學(xué)效果。

1 教學(xué)現(xiàn)狀與問題

雖然堿式碳酸銅的制備實驗在絕大多數(shù)教材和高校多被定位為設(shè)計性實驗,但受實驗課時、教師水平、學(xué)生素質(zhì)及實驗條件等現(xiàn)實因素的影響,許多高校將其開設(shè)為半設(shè)計性實驗(學(xué)生僅設(shè)計部分實驗步驟),甚至異化為驗證性實驗(相對一般的驗證性實驗,只是考察的實驗因素多些而已),將其開設(shè)成真正的設(shè)計性實驗的不多[2]。

堿式碳酸銅的制備實驗教學(xué)現(xiàn)狀總結(jié)見表1。其中驗證性實驗和半設(shè)計性實驗大多以相同濃度(多為0.25～1.0 mol/L)的硫酸銅溶液和碳酸鈉溶液為原料,通過控制條件的復(fù)分解反應(yīng)來制備堿式碳酸銅[4]。運用單因素實驗法,分別考察反應(yīng)物配比、反應(yīng)溫度、加料方式及pH值等因素對制備反應(yīng)的影響(實際操作中,不少高校往往僅考察反應(yīng)溫度和反應(yīng)物配比的影響),多以肉眼觀察到的沉淀顏色、沉淀快慢及多少來判斷優(yōu)化的實驗條件[2]。

實際上,由于副反應(yīng)多,不同條件下產(chǎn)物顏色區(qū)別不明顯，產(chǎn)物多懸浮在試管中,不易準(zhǔn)確比較沉淀量多少，同時產(chǎn)物多在瞬間生產(chǎn),較難比較反應(yīng)速度的快慢。因此,通過肉眼評判來優(yōu)化實驗方案,實驗效果往往差強人意[4]。

表1 堿式碳酸銅的制備實驗現(xiàn)狀

2 多維互動教學(xué)模式實施的必要性

多維互動教學(xué)模式從實驗組織形式看,改變了傳統(tǒng)“灌輸式”單向知識傳授教學(xué)模式,注重構(gòu)建平等民主的師生關(guān)系、創(chuàng)設(shè)和諧的教學(xué)氛圍、實施民主式教學(xué),關(guān)注學(xué)生全面發(fā)展；注重師生、生生、小組小組等之間的多維互動,改變了傳統(tǒng)教學(xué)模式下單一知識傳遞過程,實現(xiàn)了信息知識、情感、語言、行為的多向傳遞,關(guān)注培育大學(xué)生健全人格[8]；突出學(xué)生主體地位,倡導(dǎo)團(tuán)隊協(xié)作,充分發(fā)揮教師的引導(dǎo)作用,突出問題導(dǎo)向,設(shè)疑激趣、探究發(fā)現(xiàn)、總結(jié)提升,全面提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和自主學(xué)習(xí)能力,促使學(xué)生從厭學(xué)到樂學(xué),從樂學(xué)到志學(xué)。從教學(xué)內(nèi)容來看,注意外擴(kuò)和內(nèi)延,既關(guān)注制備過程本身,同時關(guān)注產(chǎn)品應(yīng)用和質(zhì)量檢測,模擬實際工業(yè)生產(chǎn),對產(chǎn)物生產(chǎn)全流程進(jìn)行系統(tǒng)研究；既重視實驗現(xiàn)象的區(qū)別,更注重實驗理論解析,注意以理論指導(dǎo)實踐；實驗效果評判標(biāo)準(zhǔn),從肉眼對顏色、沉淀快慢及多少定性或半定量判據(jù)轉(zhuǎn)變成產(chǎn)率和純度等定量判據(jù),判斷更加準(zhǔn)確和科學(xué)；關(guān)注“三基”培養(yǎng),更注重知識的遷移和升華,做到學(xué)以致用。從考核形式上,以“設(shè)計方案+小論文+論文答辯”形式替代傳統(tǒng)的“預(yù)習(xí)報告+實驗報告”,更加注重多元化評價[9]。

多維互動教學(xué)模式留給了學(xué)生更多自由思索、自主選擇和全面發(fā)展的空間,能讓學(xué)生充分感受到實驗的興趣性、實用性、學(xué)術(shù)性、科學(xué)性、理論性、規(guī)范性、創(chuàng)造性和探索性,讓學(xué)生在愉悅的學(xué)習(xí)氛圍中增長知識、提高能力、增強素質(zhì)、健全人格,實現(xiàn)全面發(fā)展。

3 多維互動教學(xué)模式實施過程

多維互動教學(xué)模式通過“明確互動目標(biāo)—提出互動問題—開啟互動空間—體驗互動活動—分享互動成果—開展互動評價”6個環(huán)節(jié)來提高教學(xué)質(zhì)量。

3.1 明確互動目標(biāo)

教師首先要熟悉學(xué)生,精通教材,充分研討課程,明確多維教學(xué)目標(biāo)。具體包括:

(1) 知識與技能目標(biāo)。熟悉堿式碳酸銅的性質(zhì)；領(lǐng)悟堿式碳酸銅的制備原理,了解影響實驗的主要因素；進(jìn)一步鞏固水浴加熱、減壓過濾、離心分離等基本操作；學(xué)會單因素實驗探索法,培養(yǎng)學(xué)生獨立設(shè)計實驗的能力和基本的科研能力。

(2) 科學(xué)素養(yǎng)目標(biāo)。培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)素養(yǎng)、溝通能力、合作意識和團(tuán)隊精神,在和諧的教學(xué)互動中培育健全人格。

3.2 提出互動問題

體現(xiàn)“學(xué)以致用”“邊學(xué)邊用”:創(chuàng)設(shè)模擬真實的生產(chǎn)情境(假定每位學(xué)生都是企業(yè)家,創(chuàng)業(yè)項目“堿式碳酸銅的制備”,小組合作集體創(chuàng)業(yè)),提出真實的問題,激發(fā)探究興趣。讓情境、問題形成鏈條,相互鎖扣,有序展開。具體互動問題如:

(1) 為什么要制備(生產(chǎn))堿式碳酸銅？用途廣:用多媒體展示孔雀石、銅綠及市售堿式碳酸銅圖片,以及堿式碳酸銅在醫(yī)藥(如波爾多液)、飼料、顏料、煙花等領(lǐng)域應(yīng)用的圖片或資料,讓學(xué)生感知產(chǎn)物；利潤大:產(chǎn)品、原料等價格比較,環(huán)保評價,如何保證環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益？

(2) 如何制備(生產(chǎn))堿式碳酸銅？理論依據(jù):依據(jù)實驗原理,理論層面分析影響制備(生產(chǎn))的主要因素；現(xiàn)實選擇:原料選擇、原料配比、反應(yīng)溫度、溶液pH值、加料順序、靜置時間等因素如何優(yōu)選和控制？

(3) 制備(生產(chǎn))效益如何？產(chǎn)品質(zhì)量如何檢測(顏色、純度等,產(chǎn)品質(zhì)量測定方法)；產(chǎn)率如何？(產(chǎn)品干燥、稱重)？

3.3 開啟互動空間

引導(dǎo)學(xué)生感知素材,自主學(xué)習(xí),開啟多維互動空間。

(1) 通過啟發(fā)式講析,讓學(xué)生學(xué)透實驗原理,引導(dǎo)學(xué)生真正理解實驗的“來龍去脈”。如Cu2(OH)2CO3溶液顯弱堿性、易溶于酸和氨水,難溶于水,水溶液中受熱易分解,固體產(chǎn)品分解溫度為220 ℃。據(jù)此,可推測影響制備反應(yīng)的主要因素有:原料的種類、原料配比、反應(yīng)溫度、pH值、加料方式等；同時可通過熱分解法、EDTA返滴定法來測定產(chǎn)物質(zhì)量；殘留在試管中的堿式碳酸銅可通過稀硫酸、稀鹽酸等洗滌干凈。

(2) 教會學(xué)生信息檢索技巧、列舉或提供部分參考文獻(xiàn)(或資料)清單供學(xué)生學(xué)習(xí)參考。

(3) 提供往屆學(xué)生優(yōu)秀產(chǎn)品的照片、實驗小論文、發(fā)表的論文等感知材料,豐富信息量、增加親近感、優(yōu)化感知效果,進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和探究欲望,樹立信心,引導(dǎo)自學(xué)。

3.4 體驗互動活動

以練促學(xué),自主探究,充分體驗多維互動活動。

(1) 學(xué)生進(jìn)行分組,每4位學(xué)生一組,將全班學(xué)生分成6～8個小組；

(2) 不同小組之間選擇不同的原料合成堿式碳酸銅,探索相應(yīng)的優(yōu)化工藝；

(3) 各小組均系統(tǒng)考察堿式碳酸銅制備實驗的全過程，包括考察至少4個因素對制備反應(yīng)的影響、產(chǎn)物純度的檢測方法、并對實驗現(xiàn)象進(jìn)行理論解釋、經(jīng)濟(jì)及環(huán)境效益評價等；

(4) 各小組具體任務(wù)包括文獻(xiàn)信息調(diào)研、實驗方案設(shè)計、實驗準(zhǔn)備、方案實施、結(jié)果記錄與處理、撰寫小論文,涉及多次多維互動,由小組長依據(jù)小組成員特長進(jìn)行分工協(xié)作；

(5) 實驗結(jié)束后每小組需要提交完整的實驗設(shè)計方案、實驗小論文、過程記錄表,并制作PPT進(jìn)行匯報,作為實驗成績評價的重要依據(jù)。

3.5 分享互動成果

匯報交流,討論解疑,分享互動成果。

(1) 各小組依次匯報本組實驗方案實施情況(具體包括分工情況、產(chǎn)物用途、優(yōu)化工藝條件、產(chǎn)品質(zhì)量檢測方法、實驗結(jié)論及反思等),要求PPT匯報。

(2) 每個小組指定一名學(xué)生講解,成員可以補充,師生可自由提問,講解和答辯總時間控制在15 min左右。

(3) 學(xué)生回答問題時,教師可適當(dāng)啟發(fā),多進(jìn)行激勵性評價,充分調(diào)動學(xué)生的積極性。

(4) 對學(xué)生匯報存在的不足,教師不急于點評和指出,適時啟發(fā)學(xué)生反思,讓學(xué)生從不同組實驗情況對比中找到差距,發(fā)現(xiàn)不足。對學(xué)生難以解決的困惑,及時進(jìn)行解疑釋惑。

針對以上提出的互動問題,部分小組探究成果分享列舉如下。

3.5.1 關(guān)于堿式碳酸銅的性質(zhì)和用途

產(chǎn)品性質(zhì)及用途:因Cu2+作為重金屬離子使得蛋白質(zhì)變性失活,因而可用作木材防腐劑、殺蟲劑(如波爾多液)、種子殺菌劑、黑穗病的防止劑等；因適量的Cu2+是動植物必需的微量元素,可用作飼料添加劑；因Cu2+具有美麗的藍(lán)色,可用于煙火、信號彈、顏料生產(chǎn)等方面；此外,還可以用于電鍍、有機催化及固體熒光粉激活劑等領(lǐng)域。

3.5.2 關(guān)于堿式碳酸銅的制備過程

比較不同制備工藝(見表2),并進(jìn)行優(yōu)化選擇和理論解釋。

表2 堿式碳酸銅4條不同合成工藝比較

3.5.3 產(chǎn)品質(zhì)量檢測

不同來源的堿式碳酸銅,較為準(zhǔn)確、科學(xué)的表達(dá)式應(yīng)該是mCu(OH)2·nCuCO3[14],其m、n值需要具體測定?？赏ㄟ^熱分解法、EDTA返滴定法、ICP-OES法等方法測定銅離子含量,對照產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),評價實驗產(chǎn)品質(zhì)量[13-17]?？山柚鶻RD、IR及SEM了解產(chǎn)物的晶型結(jié)構(gòu)、形貌等(教師給出標(biāo)準(zhǔn)譜圖、上屆學(xué)生實驗產(chǎn)品譜圖、本次實驗產(chǎn)品譜圖,三者進(jìn)行對比、評價)[8],即使不能讓學(xué)生實際操作,介紹一下也能拓展學(xué)生視野,增長知識。

3.5.4 實驗注意事項

(1) 控制反應(yīng)溫度(不超過100℃),且不斷攪拌,否則會出現(xiàn)部分顏色變黑的現(xiàn)象。

(2) 反應(yīng)pH值對產(chǎn)物質(zhì)量影響較大,本反應(yīng)要求在弱堿性條件下進(jìn)行,因此加料順序一般都是可溶性銅鹽溶液(如CuSO4)加入可溶性碳酸鹽(如Na2CO3)溶液中。

(3) 洗滌沉淀要干凈。產(chǎn)品抽濾時,如濾液pH<7時要不斷洗滌,直到pH≈8左右,否則會出現(xiàn)大量硫酸銅和未反應(yīng)的溶液包裹著沉淀,影響產(chǎn)品質(zhì)量。

(4) 反應(yīng)后若觀察不到暗綠色或淡藍(lán)綠色沉淀,可將反應(yīng)物靜置一定時間。

(5) 產(chǎn)物最好控制80 ℃左右,烘干3 h,這樣既能避免產(chǎn)物高溫分解變黑,又能實現(xiàn)充分干燥。否則會出現(xiàn)產(chǎn)率超過100%現(xiàn)象。

3.5.5 知識遷移、提升

為實現(xiàn)實驗產(chǎn)物綜合利用,后續(xù)可開設(shè)“室溫下以乙酰丙酮和自制的堿式碳酸銅為原料合成乙酰丙酮銅”實驗[17],以及類同產(chǎn)物(如堿式碳酸鋅、硫酸亞鐵銨)的制備,以有利于培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)思維的習(xí)慣和綠色化學(xué)意識。

3.6 開展互動評價

結(jié)合各小組PPT匯報交流情況開展互動評價?；釉u價主題包括教師評價、小組評價和個人評價,評價內(nèi)容包括產(chǎn)品性質(zhì)用途、制備工藝選擇、產(chǎn)品質(zhì)量檢測、PPT匯報、論文及實驗報告和其他方面等,評價方式為形成性和激勵性評價。注重圍繞產(chǎn)品用途、制備及質(zhì)量檢測3個方面,透過現(xiàn)象看本質(zhì),從理論層面給出合理的解釋,對實驗情況進(jìn)行點撥引導(dǎo)、歸納總結(jié),以實現(xiàn)鞏固開拓、升華提高,知識靈活遷移運用。

4 多維互動教學(xué)模式實施效果

為考察多維互動教學(xué)模式實施效果,按照五同原則,即授課教師相同、實驗教材相同、實驗場地相同、實驗考試內(nèi)容和方式相同、實驗班與對比班情況基本相同(化學(xué)基礎(chǔ)、興趣及學(xué)習(xí)能力無顯著性差異),對比班采取“灌輸式”教學(xué),實驗班采用“多維互動教學(xué)模式”教學(xué),實驗班(臨床醫(yī)學(xué)專業(yè) A1511班,39人)和對比班(臨床醫(yī)學(xué)專業(yè)A1512班,40人),教學(xué)實施效果比較見表3。

可見,傳統(tǒng)教學(xué)模式注重“依葫蘆畫瓢”,有助于規(guī)范學(xué)生基本操作；多維互動教學(xué)模式則有助于提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和成就感,拓寬學(xué)生視野、厚實理論知識,廣受學(xué)生歡迎。

表3 多維互動教學(xué)模式與傳統(tǒng)授課效果對比

4 結(jié)語

多維互動教學(xué)模式充分體現(xiàn)和貫徹了“以人為本”“因材施教”“自主學(xué)習(xí)”“團(tuán)隊合作”等素質(zhì)教育理念,對培養(yǎng)學(xué)生的自主探究能力、合作精神、創(chuàng)新意識和科研素養(yǎng)具有重要意義,有助于在教學(xué)過程中構(gòu)建和諧的師生關(guān)系,培育大學(xué)生健全人格。雖然初步取得了預(yù)期效果,但在實施中尚存在諸多問題,如多維互動教學(xué)模式所需課時較多(往往為傳統(tǒng)教學(xué)模式課時的3倍)、部分內(nèi)容較難開展互動、部分學(xué)生因自學(xué)能力和素質(zhì)欠缺較難適應(yīng)多維互動模式、多元化評價體系有待健全等,亟待同行一起探索,不斷探索和完善,努力培養(yǎng)更多高素質(zhì)應(yīng)用創(chuàng)新型人才。