浅谈分析化学教学之抽象概念形象化*

顾雪凡 郑莉 张群正 郑行望

(1 西安石油大学化学化工学院 陕西西安 710065;2 陕西师范大学化学化工学院 陕西西安 710062)

大学中有许多专业,每一专业都有自己的一套教学计划,这就是通常意义的专业教育。在专业知识构建的过程中,最基本的单元往往是某个概念的建立。对习惯于“灌输知识”为主的中学教育的大一新生而言,短时间接受大量的陌生专业知识,实现自主构建专业知识显得有些困难。

笔者认为,在分析化学教学中,使抽象概念形象化不仅有助于学生接受知识、纵深知识、交叉知识、界定知识,而且能帮助学生了解自己,以便更好地学习和思考,实现持续化的终生教育。

1 快速接受新知识

传统教学方法往往是以学科为中心或者以教师为中心,由教师用自己的理解方式将某个陌生领域的概念介绍给学生。笔者认为学生如此获取“正确”理解概念的能力不能够反映其对所学知识的实际理解,这种能力意义不大。笔者认为应以学生为中心,使陌生知识熟悉化。讲课应从学生已理解的概念开始,然后让学生自己比较、思考,建立学生自主学习陌生概念的信心,在此基础上再向高深复杂的专业领域层面展开。在讲授新知识的过程中,让学生感受到不仅已学过的知识是自己的,陌生知识其实也是自己的,而非旁人强加,从而实现心灵上的归属感。同时,成就感亦会伴随归属感而生。这样容易使学生产生继续深入、全面了解新知识的愿望。下面以分析化学教学中滴定度与分布分数概念的教学为例。

1.1 滴定度(T)

滴定度指每毫升滴定剂溶液相当于被测量物质的质量或质量分数[1]。例如,若每毫升K2Cr2O7溶液恰好能与0.005000g Fe2+反应,则可表示为T(Fe/K2Cr2O7)=0.005000g·mL-1。如果在滴定中消耗该K2Cr2O7标准溶液21.50mL,则被滴定溶液中铁的质量为m(Fe)=0.00500g·mL-1×21.50mL=0.1075g。

应该说,书上关于滴定度的概念已经很明确了,但在实际教学中却发现,很多学生对于滴定度这一概念心存恐惧感,在做习题时一筹莫展。通过与学生交流得知,他们觉得这一概念很突然,好似别人强加,需要时间消化。

于是笔者尝试打消学生的抵触情绪,引导他们回忆小学数学中有关“每份数”(例如：单位时间内的完成量)的概念,这样就使学生发现原来此处的滴定度与每份数很相似,陌生感顿时全无,在习题中甚至渴望以“滴定度”的形式给出已知量。

1.2 分布分数(δ)

溶液中某酸碱组分的平衡浓度占其总浓度的分数,称为分布分数,以δ表示[1]。知道了分布分数,便可求得溶液中酸碱组分的平衡浓度,这在分析化学中是十分重要的。

与滴定度概念的接受过程相似,在笔者引导学生回忆小学数学中有关百分数的概念后,原本令不少学生感到陌生的分布分数就变得易于接受了。

2 逐步纵深知识

从某种意义上说,分析化学是研究分析方法的科学。各种分析方法的建立无不体现出分析化学家的睿智。譬如,标准曲线法[2]为常用的定量分析方法,适用于共存组分互不干扰的试样。以分光光度法为例,先配制一组浓度合适的标准溶液,分别测定吸光度；以浓度c为横坐标,吸光度A为纵坐标,绘制A-c标准曲线。然后在相同条件下,测定试样溶液吸光度,由A-c标准曲线求得试样溶液中待测组分浓度。

标准曲线法的重要性不言而喻,然而在实际教学中发现,学生对此概念的理解往往停留在表层,而在实际应用过程中,在遇到待解决问题时却不善于使用标准曲线法。

在学生初次见到此概念时,笔者没有对此概念进行百科全书式的覆盖,只是向学生强调3点：① 将标准曲线法视为中学数学中的五点法求解函数式(解析式)(此处曲线线性化为一次函数,求解过程类似二次函数求解,对学有余力的学生亦可引入“化曲为直”概念),实现陌生概念熟悉化；② 结合误差概念和实际分析方法的特点,启发学生自己列出标准曲线法使用过程中的注意事项,达到熟悉概念深度化；③ 要求学生运用中学时求解二次函数相关应用题的经验,找寻可以运用标准曲线法解决的问题,以使理论概念实用化。

在表层知识深入化的过程中,向学生强调要学会掌握重要概念和思想,结合已有知识和经验看待这些概念和思想,进而建立连贯的概念框架,达到陌生概念熟悉化,熟悉概念深度化,理论概念实用化,以使所学知识能够解决实际问题。

3 渗透交叉知识

电动势(E)是电化学的一个重要概念,在无机化学、分析化学及其实验中均会用到。在电化学中,阴极发生还原反应,得到电子；阳极发生氧化反应,失去电子,通过释放/吸收电子在整个电路中形成电子的定向流动。这就决定了在原电池中,阴极电极电势(φ阴)大于阳极电极电势(φ阳),则有阴极作正极,阳极作负极。因此,原电池电动势E=φ阴-φ阳,即E=φ(+)-φ(-)[3]。

一般来说,学生大多能套用公式完成相关的习题。然而有不少学生虽已修完无机化学及其实验,却在学习分析化学课程及进行实验时,不善于应用此概念。例如：在无机化学实验“氧化还原与电化学”部分,学生已经做过离子活度对Cu-Zn 原电池电动势影响的实验；然而,在进行分析化学实验“电分析化学”时,学生对于两电极体系的电池电动势测定仍然感到茫然。这在一定程度上说明学生的大化学思维尚未形成。其实无论在无机化学还是分析化学中,均可将“E=φ(+)-φ(-)”视为“差=被减数-减数”,只是在Cu-Zn原电池电动势测定中,φ(Cu)为φ(+),φ(Zn)为φ(-)；而在两电极体系的电池电动势测定中,φ(+)与φ(-)被φ(指示)或φ(参比)取代而已。

由此可见,出现于不同学科的相同概念,一般必有其密切联系之处。学生应学会合乎逻辑地使用已有信息、观点以及概念,在新的领域对相同概念赋予新的有意义的内涵。抽象概念形象化的过程有助于学生运用已学学科所赋予的思考方式理解其他学科所涉及的同一概念。

4 重新界定知识

从本质上讲,分析化学研究的特殊矛盾就是对象与方法的矛盾。生产实践与科学实验的发展不断向分析化学提出新的课题,分析化学吸取当代科学技术最新成就,促进其不断发展[4]。从这个意义上说,某个时期分析化学研究内容与手段的发展水平都有其鲜明的时代烙印。“20世纪50年代仪器化、60年代电子化、70年代计算机化、80年代智能化、90年代信息化、21世纪将是仿生化和进一步信息智能化”是20世纪中叶以来各时期分析仪器的鲜明特征。

例如：荧光分析方法的发展与仪器应用的发展是分不开的[5]。20世纪以前,荧光的观察主要是靠肉眼进行的,直到1952年才出现商品化的校正光谱仪器。其中1939年光电倍增管的发明对于增加灵敏度和容许使用分辨率更高的单色器等方面极为重要。近20年来,在其他学科迅速发展的影响下,激光、微处理机、电子学、光导纤维以及纳米材料等方面新技术的引入,大大推动了荧光分析法在理论和应用方面的进展：使荧光分析法不断朝着高效、痕量、微观、实时、原位以及自动化的方向发展；同时,应用范围亦大大扩展,遍及能源、生命、环境、健康、材料、公共安全等诸多领域。

由此看出,传统意义上作为化学二级学科的分析化学正吸收大量物理学、生物学、电子学和信息科学的方法,发展到分析科学阶段,应用范围也大大拓宽了[6]。

多年的分析化学教学实践使我们感到分析化学这门课程与时代发展是同步的,必须不断优化课程内容,优化育人方法,培养有创造性的人才,让学生不拘泥于某个理想的模型,充满自信地自主学习知识,构建专业知识体系,逐渐成长为符合时代要求的专门人才。

参 考 文 献

[1] 武汉大学.分析化学.第4版.北京:高等教育出版社,2000

[2] 华东理工大学,四川大学化工学院.分析化学.第5版.北京:高等教育出版社,2003

[3] 天津大学无机化学教研室.无机化学.第3版.北京:高等教育出版社,2002

[4] 高鸿.大学化学,1999,14(4):4

[5] 许金钩,王尊本.荧光分析法.第3版.北京:科学出版社,2006

[6] 徐光宪.科学通报,2001,46(24):2086