思维导图在无机化学实验教学中的应用

刘 洋，易正戟，毛芳芳，陈满生，郑志辉

(1.衡阳师范学院 化学与材料科学学院，湖南 衡阳 421008；2.衡阳师范学院 教育科学学院，湖南 衡阳 421008)

无机化学实验是高等院校化学专业以及生物科学、环境科学、医学等近化学专业的必修课程，是进入大学阶段接触的第一门基础实验课程，学好这门课程对于培养良好的科学实验素养及后续课程的学习有重要作用。一方面，随着高校转型发展的不断深化和对应用型人才培养方式的改革，对传统无机化学实验教学内容、教学方法及教学评价提出了更高的要求，如在无机化学实验项目上删减部分重金属元素的实验项目、在某些实验中试剂用量作减量处理、增加设计性实验和开放性实验的比例，这些改革措施确实适应了高校转型发展的需要。从另外一方面看，化学专业学生自大一开始即接触无机化学实验，之后每学年都会有化学的实验，但从效果上看，以笔者的任教经历为例，有相当数量的学生在做科技创新的实验、毕业论文等时所表现出的实际操作能力却很欠缺，为什么每个学期的化学实验训练效果在科技创新实验乃至最后的毕业论文阶段得不到应有的展现呢？从学生的学习方法及教师的教学手段来看：学生在预习、实验过程、及实验后的实验报告存在一种普遍现象，即预习过程大多停留在抄写教材内容；实验过程通常是“照方抓药”；实验报告缺乏对实验过程的思考和分析。教师在教学中也受到困惑，讲解细致，内容量大，一股脑灌输的话学生接受起来困难；讲解粗略，实验结果不容易实现。学生和教师在教学过程中的问题固然是由于个体而有所差别，但其中一个客观因素也在于教材内容的讲解逻辑顺序与学生和教师的思维过程存在偏差。思维导图是一种将头脑中进行的抽象的思考状态用线条、图形等形象化的手段加以呈现的思维工具和技术形式，被视为外化的“精神图谱”[1-2]。在最初的研究中，思维导图基本上被应用于中小学教学活动，近年来，思维导图开始被探索应用于大学英语、物理、化学、信息技术、临床医学等专业课程教学实践活动中[3-4]。合理设计思维导图的内在根据源自对知识的正确理解与意义建构，但目前关于无机化学实验的思维导图的设计还较缺乏，因此基于无机化学实验的思维导图设计将是对无机化学实验教学改革的有益探索。

化合物的性质实验及制备类实验是无机化学实验的主要类型，本文以氧化还原反应实验和硫酸亚铁铵的制备为例进行讨论。本研究授课对象为大学本科化学(师范)、应用化学专业，使用教材为北京师范大学等校合编《无机化学实验》(第四版)。

1 氧化还原反应思维导图设计

氧化还原反应实验是大学无机化学实验的重要内容，通过观察实验现象使学生掌握电极的本性、电对的氧化型或还原型物质的浓度、介质的酸度等因素对电极电势、氧化还原反应的方向、产物、速率的影响。由于此实验为验证性实验，实验内容繁多，学生在进行实验时往往每做一个对照教材的某一个部分，不能很好领会整个过程。

氧化还原反应是无机化学理论和实验教学中的重要组成部分，自中学开始即接触这一概念，但此时只停留在化合价的升降和有限的实例上，在大学阶段的学习主要是以氧化还原电对的电极电势为出发点来探讨氧化还原反应过程，根据化学反应方向的判据，当两个氧化还原电对在发生化学反应时，其自发进行的方向是电极电势较大的氧化态与电极电势较小的还原态之间发生反应，转化生成对应的还原态和氧化态。另外，根据能斯特方程，一个氧化还原电对的电极电势受到氧化态、还原态浓度、溶液pH值以及电极反应中其他离子浓度等因素的影响。因此，对氧化还原反应实验原理的思维路径也就是按照浓度、pH值“氧化还原电对电极电势”氧化还原反应这一顺序展开。实验过程分五个部分：j浓度对电极电势的影响；k氧化还原反应和电极电势；l酸度和浓度对电极电势的影响；m酸度对氧化还原反应速率的影响；n氧化数居中的物质的氧化还原性。实验j通过设计原电池和电解池，观察指针的偏转，观察实验现象，其结果由浓度和电极电势的关系—能斯特公式加以解释。实验k观察三个反应现象，根据氧化还原反应进行方向与电对电极电势大小之间的关系，从而推测三个氧化还原电对电极电势的相对大小。在实验l中，改变酸度，观察还原产物的不同或产物颜色的变化，从而验证酸度和浓度变化对氧化还原反应过程的影响。实验m的速率快慢现象推测在氢离子浓度越大，其含氧酸氧化性越强。实验n观察处于中间氧化数的物质的反应。

在思维导图设计(图1)中，五个实验内容用箭头表示对应的实验原理的相应位置；每一个实验内容的思维导图中仅标明进行的离子反应的反应物，学生通过思维导图进行实验，可以在思维导图设计中用鲜明字体标出，并对实验现象进行解释；对于涉及的一些操作过程，以备注的形式标出，如设计原电池、浓差电池和电解池的操作。

图1 氧化还原反应的思维导图设计Fig.1 The mind maps of oxidation-reduction reaction

2 硫酸亚铁铵的合成思维导图设计

制备类型的实验是无机化学实验的主要内容之一，通过这些实验，学生不但可以掌握本次实验中目标产物的制备方法，而且，还可以使他们掌握溶解、加热、过滤、蒸发、结晶、干燥、称量等一系列基本操作。硫酸亚铁铵的制备是典型的无机制备实验，在实际教学过程中发现，学生做实验时往往忽略教材上没有提及的关键细节，如保持小火加热、结晶阶段停止加热时机及充分静置等结晶条件的影响，同时，思维导图(图2)中也包含了实验中涉及的一些基本单元操作，并展开为学生需要掌握的要点。

图2 硫酸亚铁铵制备实验思维导图设计Fig.2 The preparation of the ferrous ammonium sulfate

3 结语

思维导图作为简单有效的思维手段，能提高记忆和学习效率。教师不但可以通过设计思维导图，理顺教学思路和组织授课语言，而且进行实验授课时应用思维导图讲解实验内容使整个教学过程脉络清晰，提高授课效果；学生也可按照思维导图进行预习和课后复习，有利于逻辑思维和发散思维养成。本文以氧化还原反应性质实验和硫酸亚铁铵制备实验为例，设计和分析了无机化学实验中的两种主要类型-性质类型实验和制备类型实验的思维导图。这样的设计思路不但对于对无机化学实验的其他项目有借鉴作用，而且可以推广到有机化学实验、分析化学实验的教学方法改革中。