碱式碳酸铜的制备实验多维互动教学模式的探索

曹小华, 占昌朝, 徐常龙, 严 平, 雷艳虹, 肖国光

(九江学院 化学与环境工程学院, 江西 九江 332005)

碱式碳酸铜制备是一个综合设计性实验,具有试剂安全易得、仪器设备简单、产物易于制备、内容适合探究等优点,备受广泛关注[1-7]。但在传统“灌输式”教学模式下,实际教学效果往往不够理想。“多维互动教学”通过师师、师生、生生、小组与小组以及师生与环境等之间的多维互动,优化各种教学因素,结合设疑、激趣、引思、探究、升华等过程,实施民主式教学,突出学生主体地位,全面培养学生自主学习能力、沟通能力、团队精神、合作意识、科研素养、竞争意识和创新能力,提升学习兴趣、综合素质和能力,塑造学生健全人格,促使学生全面发展[8-12]。为真正发挥综合性设计性实验的教学育人效果,在江西省教改重点课题“无机化学课程多维互动教学模式的研究与实践”等课题的立项资助下,进行了多维互动教学模式探究,取得了比较显著的教学效果。

1 教学现状与问题

虽然碱式碳酸铜的制备实验在绝大多数教材和高校多被定位为设计性实验,但受实验课时、教师水平、学生素质及实验条件等现实因素的影响,许多高校将其开设为半设计性实验(学生仅设计部分实验步骤),甚至异化为验证性实验(相对一般的验证性实验,只是考察的实验因素多些而已),将其开设成真正的设计性实验的不多[2]。

碱式碳酸铜的制备实验教学现状总结见表1。其中验证性实验和半设计性实验大多以相同浓度(多为0.25～1.0 mol/L)的硫酸铜溶液和碳酸钠溶液为原料,通过控制条件的复分解反应来制备碱式碳酸铜[4]。运用单因素实验法,分别考察反应物配比、反应温度、加料方式及pH值等因素对制备反应的影响(实际操作中,不少高校往往仅考察反应温度和反应物配比的影响),多以肉眼观察到的沉淀颜色、沉淀快慢及多少来判断优化的实验条件[2]。

实际上,由于副反应多,不同条件下产物颜色区别不明显，产物多悬浮在试管中,不易准确比较沉淀量多少，同时产物多在瞬间生产,较难比较反应速度的快慢。因此,通过肉眼评判来优化实验方案,实验效果往往差强人意[4]。

表1 碱式碳酸铜的制备实验现状

2 多维互动教学模式实施的必要性

多维互动教学模式从实验组织形式看,改变了传统“灌输式”单向知识传授教学模式,注重构建平等民主的师生关系、创设和谐的教学氛围、实施民主式教学,关注学生全面发展；注重师生、生生、小组小组等之间的多维互动,改变了传统教学模式下单一知识传递过程,实现了信息知识、情感、语言、行为的多向传递,关注培育大学生健全人格[8]；突出学生主体地位,倡导团队协作,充分发挥教师的引导作用,突出问题导向,设疑激趣、探究发现、总结提升,全面提升学生的学习兴趣和自主学习能力,促使学生从厌学到乐学,从乐学到志学。从教学内容来看,注意外扩和内延,既关注制备过程本身,同时关注产品应用和质量检测,模拟实际工业生产,对产物生产全流程进行系统研究；既重视实验现象的区别,更注重实验理论解析,注意以理论指导实践；实验效果评判标准,从肉眼对颜色、沉淀快慢及多少定性或半定量判据转变成产率和纯度等定量判据,判断更加准确和科学；关注“三基”培养,更注重知识的迁移和升华,做到学以致用。从考核形式上,以“设计方案+小论文+论文答辩”形式替代传统的“预习报告+实验报告”,更加注重多元化评价[9]。

多维互动教学模式留给了学生更多自由思索、自主选择和全面发展的空间,能让学生充分感受到实验的兴趣性、实用性、学术性、科学性、理论性、规范性、创造性和探索性,让学生在愉悦的学习氛围中增长知识、提高能力、增强素质、健全人格,实现全面发展。

3 多维互动教学模式实施过程

多维互动教学模式通过“明确互动目标—提出互动问题—开启互动空间—体验互动活动—分享互动成果—开展互动评价”6个环节来提高教学质量。

3.1 明确互动目标

教师首先要熟悉学生,精通教材,充分研讨课程,明确多维教学目标。具体包括:

(1) 知识与技能目标。熟悉碱式碳酸铜的性质；领悟碱式碳酸铜的制备原理,了解影响实验的主要因素；进一步巩固水浴加热、减压过滤、离心分离等基本操作；学会单因素实验探索法,培养学生独立设计实验的能力和基本的科研能力。

(2) 科学素养目标。培养严谨的科学素养、沟通能力、合作意识和团队精神,在和谐的教学互动中培育健全人格。

3.2 提出互动问题

体现“学以致用”“边学边用”:创设模拟真实的生产情境(假定每位学生都是企业家,创业项目“碱式碳酸铜的制备”,小组合作集体创业),提出真实的问题,激发探究兴趣。让情境、问题形成链条,相互锁扣,有序展开。具体互动问题如:

(1) 为什么要制备(生产)碱式碳酸铜？用途广:用多媒体展示孔雀石、铜绿及市售碱式碳酸铜图片,以及碱式碳酸铜在医药(如波尔多液)、饲料、颜料、烟花等领域应用的图片或资料,让学生感知产物；利润大:产品、原料等价格比较,环保评价,如何保证环境效益和经济效益？

(2) 如何制备(生产)碱式碳酸铜？理论依据:依据实验原理,理论层面分析影响制备(生产)的主要因素；现实选择:原料选择、原料配比、反应温度、溶液pH值、加料顺序、静置时间等因素如何优选和控制？

(3) 制备(生产)效益如何？产品质量如何检测(颜色、纯度等,产品质量测定方法)；产率如何？(产品干燥、称重)？

3.3 开启互动空间

引导学生感知素材,自主学习,开启多维互动空间。

(1) 通过启发式讲析,让学生学透实验原理,引导学生真正理解实验的“来龙去脉”。如Cu2(OH)2CO3溶液显弱碱性、易溶于酸和氨水,难溶于水,水溶液中受热易分解,固体产品分解温度为220 ℃。据此,可推测影响制备反应的主要因素有:原料的种类、原料配比、反应温度、pH值、加料方式等；同时可通过热分解法、EDTA返滴定法来测定产物质量；残留在试管中的碱式碳酸铜可通过稀硫酸、稀盐酸等洗涤干净。

(2) 教会学生信息检索技巧、列举或提供部分参考文献(或资料)清单供学生学习参考。

(3) 提供往届学生优秀产品的照片、实验小论文、发表的论文等感知材料,丰富信息量、增加亲近感、优化感知效果,进一步激发学生学习兴趣和探究欲望,树立信心,引导自学。

3.4 体验互动活动

以练促学,自主探究,充分体验多维互动活动。

(1) 学生进行分组,每4位学生一组,将全班学生分成6～8个小组；

(2) 不同小组之间选择不同的原料合成碱式碳酸铜,探索相应的优化工艺；

(3) 各小组均系统考察碱式碳酸铜制备实验的全过程，包括考察至少4个因素对制备反应的影响、产物纯度的检测方法、并对实验现象进行理论解释、经济及环境效益评价等；

(4) 各小组具体任务包括文献信息调研、实验方案设计、实验准备、方案实施、结果记录与处理、撰写小论文,涉及多次多维互动,由小组长依据小组成员特长进行分工协作；

(5) 实验结束后每小组需要提交完整的实验设计方案、实验小论文、过程记录表,并制作PPT进行汇报,作为实验成绩评价的重要依据。

3.5 分享互动成果

汇报交流,讨论解疑,分享互动成果。

(1) 各小组依次汇报本组实验方案实施情况(具体包括分工情况、产物用途、优化工艺条件、产品质量检测方法、实验结论及反思等),要求PPT汇报。

(2) 每个小组指定一名学生讲解,成员可以补充,师生可自由提问,讲解和答辩总时间控制在15 min左右。

(3) 学生回答问题时,教师可适当启发,多进行激励性评价,充分调动学生的积极性。

(4) 对学生汇报存在的不足,教师不急于点评和指出,适时启发学生反思,让学生从不同组实验情况对比中找到差距,发现不足。对学生难以解决的困惑,及时进行解疑释惑。

针对以上提出的互动问题,部分小组探究成果分享列举如下。

3.5.1 关于碱式碳酸铜的性质和用途

产品性质及用途:因Cu2+作为重金属离子使得蛋白质变性失活,因而可用作木材防腐剂、杀虫剂(如波尔多液)、种子杀菌剂、黑穗病的防止剂等；因适量的Cu2+是动植物必需的微量元素,可用作饲料添加剂；因Cu2+具有美丽的蓝色,可用于烟火、信号弹、颜料生产等方面；此外,还可以用于电镀、有机催化及固体荧光粉激活剂等领域。

3.5.2 关于碱式碳酸铜的制备过程

比较不同制备工艺(见表2),并进行优化选择和理论解释。

表2 碱式碳酸铜4条不同合成工艺比较

3.5.3 产品质量检测

不同来源的碱式碳酸铜,较为准确、科学的表达式应该是mCu(OH)2·nCuCO3[14],其m、n值需要具体测定。可通过热分解法、EDTA返滴定法、ICP-OES法等方法测定铜离子含量,对照产品质量标准,评价实验产品质量[13-17]。可借助XRD、IR及SEM了解产物的晶型结构、形貌等(教师给出标准谱图、上届学生实验产品谱图、本次实验产品谱图,三者进行对比、评价)[8],即使不能让学生实际操作,介绍一下也能拓展学生视野,增长知识。

3.5.4 实验注意事项

(1) 控制反应温度(不超过100℃),且不断搅拌,否则会出现部分颜色变黑的现象。

(2) 反应pH值对产物质量影响较大,本反应要求在弱碱性条件下进行,因此加料顺序一般都是可溶性铜盐溶液(如CuSO4)加入可溶性碳酸盐(如Na2CO3)溶液中。

(3) 洗涤沉淀要干净。产品抽滤时,如滤液pH<7时要不断洗涤,直到pH≈8左右,否则会出现大量硫酸铜和未反应的溶液包裹着沉淀,影响产品质量。

(4) 反应后若观察不到暗绿色或淡蓝绿色沉淀,可将反应物静置一定时间。

(5) 产物最好控制80 ℃左右,烘干3 h,这样既能避免产物高温分解变黑,又能实现充分干燥。否则会出现产率超过100%现象。

3.5.5 知识迁移、提升

为实现实验产物综合利用,后续可开设“室温下以乙酰丙酮和自制的碱式碳酸铜为原料合成乙酰丙酮铜”实验[17],以及类同产物(如碱式碳酸锌、硫酸亚铁铵)的制备,以有利于培养学生系统思维的习惯和绿色化学意识。

3.6 开展互动评价

结合各小组PPT汇报交流情况开展互动评价。互动评价主题包括教师评价、小组评价和个人评价,评价内容包括产品性质用途、制备工艺选择、产品质量检测、PPT汇报、论文及实验报告和其他方面等,评价方式为形成性和激励性评价。注重围绕产品用途、制备及质量检测3个方面,透过现象看本质,从理论层面给出合理的解释,对实验情况进行点拨引导、归纳总结,以实现巩固开拓、升华提高,知识灵活迁移运用。

4 多维互动教学模式实施效果

为考察多维互动教学模式实施效果,按照五同原则,即授课教师相同、实验教材相同、实验场地相同、实验考试内容和方式相同、实验班与对比班情况基本相同(化学基础、兴趣及学习能力无显著性差异),对比班采取“灌输式”教学,实验班采用“多维互动教学模式”教学,实验班(临床医学专业 A1511班,39人)和对比班(临床医学专业A1512班,40人),教学实施效果比较见表3。

可见,传统教学模式注重“依葫芦画瓢”,有助于规范学生基本操作；多维互动教学模式则有助于提升学生学习兴趣和成就感,拓宽学生视野、厚实理论知识,广受学生欢迎。

表3 多维互动教学模式与传统授课效果对比

4 结语

多维互动教学模式充分体现和贯彻了“以人为本”“因材施教”“自主学习”“团队合作”等素质教育理念,对培养学生的自主探究能力、合作精神、创新意识和科研素养具有重要意义,有助于在教学过程中构建和谐的师生关系,培育大学生健全人格。虽然初步取得了预期效果,但在实施中尚存在诸多问题,如多维互动教学模式所需课时较多(往往为传统教学模式课时的3倍)、部分内容较难开展互动、部分学生因自学能力和素质欠缺较难适应多维互动模式、多元化评价体系有待健全等,亟待同行一起探索,不断探索和完善,努力培养更多高素质应用创新型人才。