综合性大学基础化学实验(一)教学改革＊

林金华

(厦门大学化学化工学院厦门大学化学实验教学示范中心 福建厦门 361005)

综合性大学基础化学实验(一)教学改革＊

林金华

(厦门大学化学化工学院厦门大学化学实验教学示范中心 福建厦门 361005)

结合综合性大学基础化学实验(一)发展现状,对该课程的教学内容进行分析,提出其教学目的和教学内容的确定原则,并对教学体系改革,学生综合素质培养,以及创新型实验室建设进行探讨。

基础化学实验 (一)融合了无机化学实验和分析化学基础实验两门实验课程[1],形成了一个新的实验教学体系。基础化学实验(一)目前独立设课,是综合性大学化学专业培养学生动手能力乃至创新意识的一门重要课程。它除了对于启迪学生的学习方法,训练学生的基础性操作,以及培养学生的实验技能具有重要意义外,还为后续的基础化学实验 (二)以及专业课程学习、知识应用和科学研究打下扎实基础。

近年来,我校将基础化学实验 (一)独立设课并进行教学改革,将该课程安排在本科一年级。本文对建立综合性大学具有特色的基础化学实验(一)实验室,以及进行综合性大学化学专业基础化学实验(一)的教学改革进行探讨。

1 教学目的

化学是一门以实验为基础的自然学科。化学实验在培养和造就未来化学家和化学工作者的教学环节中,占有特别重要的地位。基础化学实验 (一)的教学目的是培养学生的动手能力、实验技能、创新意识以及分析问题和解决问题的能力。

(1)重视化学实验,注重实验技能的提高。学生通过各种层次的实验,直接获取大量的实验数据,经过分析、归纳、总结,可由感性认识上升至理性认识;学生学习无机化学和分析化学相关的基础理论和基本知识,可以进一步用于指导化学实验。在实验初期,专门安排课时进行实验技能基础训练。学生经过严格训练,能较规范地掌握基本操作,提高实验技能,正确使用各类相关仪器,具有准确取得实验数据和做出结果判断的能力。

(2)通过实验培养学生正确书写实验记录、数据处理及结果表达的方法,确立严格的“量”的概念,并逐步提高对实验现象及实验结果进行分析判断、逻辑推理和做出正确实验结论的能力。

(3)培养学生严谨务实的科学态度。在培养学生学习能力的同时,更要注重培养学生的科学精神和科学品德,使学生从大一开始就逐步形成严谨务实的科学态度、勤奋好学的思想品质、认真细致的工作作风、条理整洁的良好习惯和互助协作的团队精神。

(4)培养学生勤动手、勤观测、勤思考的能力。①勤动手:要求学生独立动手做实验,对于诸如移液管、滴定管的使用等基本操作,要反复练习,做到操作准确、熟练自如;对实验中出现的异常或有疑问的现象应重做或进行空白对照、标准对照。②勤观测:实验课上要求学生集中精力,仔细观测实验现象及数据。善于捕捉某些细微的、瞬间的现象,寻找实验的“闪光点”,触发头脑的“灵感区”。同时要求做好观测记录,每个学生都要准备一本专用的实验预习记录报告本,对于原始数据的记录、修改、有效数字取舍等,需严格按规则进行。③勤思考:要求学生在实验过程中积极开动脑筋,手脑并用,要善于思考实验中所观察到的现象,特别是对那些与预期不相同的现象,更应深入地分析,查找产生的原因,提出解决办法。对于综合设计和研究性实验应该既有敢想敢做的思想,又有科学分析的态度,开拓思路,勇于创新,敢于试验。

(5)培养学生使用计算机能力。在基础化学实验(一)的教学内容中,对于诸如化学反应速率测定、磺基水杨酸合铜配合物的组成及稳定常数测定、吸光光度法测定铁的条件实验等,我们要求学生用计算机处理原始数据。如采用工具软件 Excel来处理数据、绘制图表、计算实验结果(反应级数、活化能、稳定常数、工作曲线等),由此加深学生对理论知识及实验过程基本概念的理解,并培养学生使用计算机的能力。

(6)培养学生查阅文献资料能力。我们在基础化学实验(一)课程中编入了延伸实验 (即有助于拓展知识及创新思维的新实验)、综合设计和研究性实验、外文文献实验。这些实验难度大,知识面广,学生要做好这些实验,必须查阅大量相关文献资料。这样不仅有助于拓展学生的知识面,而且能培养他们查阅文献资料的能力。

(7)加强综合设计实验力度,提高学生的综合素质。基础化学实验 (一)要求每位学生至少独立完成一个综合设计实验,要求学生提前一周拟出综合设计实验方案(含所需试剂、仪器设备、实验课时等),并交教师批阅,教师审阅并修改后,交学生最后定稿。整个综合设计实验由学生在一定课时内独立完成。在完成综合设计实验后,要求学生进行实验总结和讨论,对实验结果进行全面分析,寻找实验成败的原因,并进行剖析。要求学生按论文格式撰写综合设计实验报告。教师批阅实验报告时,侧重点不仅放在实验数据及结果上,而且更注重综合设计实验的总结、讨论的深度及广度,即不仅培养学生拓宽知识面、收集数据和处理数据的能力,而且更注重培养学生的总结归纳能力及创造性思维。

2 教学内容

随着现代科学技术的不断发展,为了适应综合性大学教学改革的需要,原来分设 4门基础实验课和 1门二级学科专业实验课的模式已经被打破。我们将化学实验课独立设置,逐步建立新的基础化学实验(一)教学体系。基于这样的新形势要求及基础实验课教师长期的教学积累,并根据无机化学和分析化学理论课程的内容和实验课的学时数,我们选择具有代表性的教学内容进行教学,以便在有限的学时内,较好地完成基础化学实验 (一)的教学任务。其教学内容包括:

(1)基本实验技能和基础操作。

实验基本常识;实验基本操作;天平和光、电等仪器的使用。

(2)元素化学实验。

氮族元素;铜分族与锌分族元素;铁、钴、镍元素;铬和锰;氮气和氮化镁;常见的阳离子、阴离子混合物分析;未知阳离子、阴离子混合物分析(考查性实验)。

(3)化学原理实验。

(NH4)2S2O8氧化 I-的反应级数、速率及活化能的测定;氧化还原与电化学;配合物的生成与性质;置换法测定镁的摩尔质量;阿伏伽德罗常数测定;醋酸电离常数和电离度测定; Cu( IO3)2溶度积测定;磺基水杨酸合铜配合物的组成及稳定常数测定;吸光光度法测定 d轨道分裂能。

(4)制备与分析实验。

碳酸钠的制备与分析;硫酸亚铁铵的制备及组成分析;三草酸合铁 (Ⅲ)酸钾的制备及组成的测定;三氯化六氨合钴(Ⅲ)的合成及组成的测定;硫酸铵中含氮量测定(甲醛强化法);铅铋混合液中 Pb2+、Bi3+浓度的连续测定;铝合金中铝含量的测定;海水中卤素离子总量的测定(莫尔法);K2Cr2O7法测定矿石中 Fe的含量;铜合金中 Cu含量的测定 (考查性实验);片剂中维生素 C含量的测定(改进后的碘量法);邻二氮菲吸光光度法测定 Fe的条件试验及碳酸盐矿中微量 Fe的测定;可溶性钡盐中钡含量测定 (硫酸钡重量法)[2]。水质分析 (天然水总硬度测定;天然水中盐类总量的测定;水中化学需氧量的测定)。

(5)综合设计及研究性实验。

HCl-H3BO3混合液分析 (酸碱滴定法);H2SO4-H2C2O4混合液的分析;Ca2+-EDTA混合液的分析(配合滴定法);蛋壳中 Ca、Mg含量测定;L-胱氨酸试剂纯度的测定(溴酸钾法);苯酚含量测定(溴酸钾法);安乃近药片中安乃近含量测定(碘量法)。

实验内容除“L-胱氨酸试剂纯度的测定及安乃近药片中安乃近含量测定”系选修课外,其余实验均为必修课。每位学生除了必须独立选做两个综合设计及研究性实验 (18学时)外,还需完成 154个学时的实验。这些实验广泛覆盖了无机化学实验和分析化学实验,二者的有机融合,使其基本操作、合成制备、性质鉴定及分析、实验内容及方法相互交融,相得益彰,形成一个内在联系密切的实验教学新体系。在教学内容上,除了对常规的实验内容进行精选外,同时增加了一些有助于拓展知识及创新思维的新实验。既注意到实验的基础性与系统性,又注意到其实用性与先进性。在教学观念上,更注重能力的培养和综合素质的提高。在实验独立设课及实验课超前于理论课的情况下,引导学生自主地进行预习更为重要。在实验内容里增加了一些“延伸实验”,引导学生拓展思维空间及知识面。

3 建设多功能型创新型基础化学实验(一)实验室

3.1 创新型实验

要把综合性大学建设成研究型、创新型人才基地,创新人才的培养尤其重要。为此,我们在基础化学实验(一)中开设创新型实验,即数据处理的计算机方法。

我们共安排 18学时(必修课)的创新型实验,具体包括:线性滴定计算机处理作图法测定硼酸的含量、吸光光度法测定酸碱指示剂离解常数及酸度分布曲线的计算机数据处理、大宗分析测量数据的统计处理 3个实验,要求学生掌握 Excel软件的一般知识以及线性回归系数的确定,利用有关条件实验及配合物组成的曲线求配合比。根据有关实验数据,求硼酸线性回归方程的斜率、截距,相关系数及离解常数等。有利于拓展学生计算机应用的视野,提高了学生使用计算机的能力。

3.2 验证型实验

我们在教学中选择安排 24学时具有代表性的验证型实验 (必修课)。例如,置换法测定镁的摩尔质量的实验,其原理是:利用金属镁与稀硫酸反应,置换出 H2,即 Mg+H2SO4=MgSO4+H2↑。由实验可测定已知温度和压力下所生成 H2的体积,再由理想气体状态方程式计算 H2的物质的量 (n(H2)),继而推算出金属镁的摩尔质量 (M(Mg)),即:M(Mg)= m(Mg)∕ n(Mg)=m(Mg)∕ n(H2)。学生将实验所得出金属镁的摩尔质量与理论值进行比较验证,找出实际值与理论值之间微小差异的原因,并进行分析。又如 HAc电离常数 Ka和电离度 a的测定、阿伏伽德罗常数的测定等实验,使学生分别将根据实验得出的实际电离常数Ka和电离度 a与理论值进行比较验证。这样学生可以从不同角度来验证所学的无机化学和分析化学基本理论,解决了学生对验证型实验中的物理化学常数的感性认识这一实际问题。由此可见,考虑到综合性大学高层次人才的培养,验证型实验是必不可少的。

4 教学方法

(1)开放实验室,培养学生的兴趣。

在实验室开放期间,安排专门的指导教师值班,不安排指定的实验内容,由学生自己选择感兴趣的实验,查阅文献资料,设计实验方案,经现场指导教师审核后进行实验。

(2)开展实验课堂讨论,训练学生讲演能力。

在实验前或实验后,指导教师可组织学生进行课堂讨论,学生对自己在预习中的心得体会,以及对实验中异常现象或疑难问题的观察、思考进行讨论,提出见解;对实验结果进行分析、判断,评价其可靠性和合理性;对定量分析及常数测定中的误差、偏差进行分析,寻找产生的原因;对实验方法、内容发表看法、意见,提出创新建议;对整体实验的评说、创意等进行交流。从而提高了学生课堂表达、讲演能力。

(3)实验方法比较研究。

鼓励学生对同一实验采用不同方法。例如蛋壳中 Ca、Mg含量测定,可用的方法有:配位滴定法、酸碱滴定法、高锰酸钾法[3]。学生在完成实验后,可对不同的实验方法进行比较、分析和讨论,总结归纳不同实验方法的优点与缺点。这样不仅能提高学生选择实验方法的能力,而且更重要的是能拓宽学生的知识面。

5 教学效果

近年来,我校基础化学实验 (一)的教学改革得到学生认同。学生通过系统训练,掌握了阐明化学原理的实验方法;掌握了无机物的一般制备、分离、提纯及常见化合物和离子性质鉴定的实验方法;掌握了化学分析的常用方法,并能在试样分析中加以应用;提高了学生的实验技能和综合素质,包括查找资料、独立操作、观察现象、获取数据、分析问题、解决问题,实验报告的撰写,数据的处理和表达,最后得出结论等各个环节;提高了学生独立工作的能力,增强了学生的创新意识,为高年级毕业论文的设计及今后的科研工作打下了基础。

实践证明:教学改革有力地支持了综合性大学化学专业基础理论课程体系,增强了基础化学实验(一)在教学中的比重和地位,不仅能使学生学到更多的实验知识和理论知识,而且更有助于学生拓展思维空间,丰富知识面,基本上达到了预期的教学效果。

[1] 蔡维平.基础化学实验(一).北京:科学出版社,2004

[2] 崔学桂,张晓丽.基础化学实验(Ⅰ)——无机及分析化学实验.北京:化学工业出版社,2003

[3] 倪哲明.新编基础化学实验(Ⅰ)——无机及分析化学实验.北京:化学工业出版社,2006

国家基础科学人才培养基金项目(J0630429)