分析化学设计性实验教学改革与实践

摘要：基于化学师范专业分析化学实验课程的培养目标，选择30%双氧水中过氧化氢含量的测定实验开展设计性实验教学改革与实践。学生通过自主完成查阅文献、设计实验方案、讨论方案的可行性、分组实验、提交实验报告、展示实验成果等过程，学会设计实验的思路，应用知识的灵活性，考虑问题的全面性，完成实验的严谨性，从而激发学生探索研究的精神，提高学生的语言表达能力和实践动手能力，培养学生发现问题、分析解决问题的能力以及创新能力，为分析化学设计性实验教学改革提供新思路。

关键词：设计性实验；教学改革与实践；能力培养

中图分类号：G642文献标识码：A

《分析化学实验》是化学师范专业的一门重要必修基础课程，内容包括分析化学实验的基本知识，基本仪器、基本操作技术和基础实验等。但国内教材在培养学生独立思考、自主探究和解决问题的综合能力和创新能力等方面往往有所欠缺。近年以来，各高校针对上述问题，积极自主开发设计型、综合型实验[1-3]，提高学生的探索创新能力，展开了很多有益的探索，取得了优异的效果。本文结合学生学情和课程培养目标，以教材中的实验“30%双氧水中过氧化氢含量的测定”为例，将教材中应用型实验开发为设计型实验，尝试开展教学改革，为设计型实验的开发和教学实践提供参考。

1学情分析

授课对象是大学本科二年级化学师范生，已经修完《分析化学》和《无机化学实验》课程，具有系统的分析化学实验基础知识和实验室安全知识，掌握了分析化学实验的基本操作技能，能根据实验项目选择实验仪器和试剂，养成了及时记录实验数据的习惯，学会了处理实验数据、表达实验结果，具有了一定的自主学习能力和信息获取能力。但由于教学内容局限于教材，缺乏挑战性，导致学生预习时过度依赖教材和教师课件，实验过程机械地按照教材的实验步骤完成实验，主动思考、发现问题的意识较差，分析问题不到位，运理论知识解决问题的能力薄弱，缺乏质疑和创新精神。

基于上述学情，也遵循由易到难的原则，我们选择一个教材中的应用型实验项目“30%双氧水中过氧化氢含量的测定”，该实验存在多种基于不同原理的文献方法[4-6]，适合于开展设计性实验教学。本文基于这一实验开展教学改革，将其升级成为了一个设计性实验。

2实验方案的设计与实施

2.1学习目标

学习目标的确定是实验方案设计与实施的重要依据。因此，根据“学生中心，产出导向，持续改进”基本理念，贯彻课程思政目标，结合设计性实验的特点，确立了本实验的“能根据过氧化氢的性质，结合参考文献，运用所学理论知识设计2种方法测定过氧化氢含量；”等6个学习目标。同时制订了“具有良好的实验习惯以及实验安全意识；”等6个素质能力要求。

2.2任务要求

实验以30%过氧化氢为试样，要求学生设计两种方案测定过氧化氢含量，并对方案的可行性进行分析，撰写的预习报告内容包括：①根据过氧化氢的性质，参考《国家标准GB5009.226—2016食品中过氧化氢残留量的测定》和期刊文献，运用所学知识选择两种实验方法测定过氧化氢含量，实验方法的选择原则：安全、环保、简便和节约；②写出每种方法测定的原理，包括滴定反应式、滴定剂浓度、被滴试液浓度和取样量、滴定反应条件的探究、指示剂浓度和用量、分析结果的计算公式；③写出标准溶液标定原理，包括标定反应式、标3vNM+Cxbi9fxkIBGUlm6Iw==定反应条件、标准溶液浓度的计算公式、基准试剂用量计算、提高称量准确度的措施；④写出所需仪器和试剂的种类和规格；⑤写出所需配制的样品溶液、标准溶液、指示剂、各种不同浓度的试剂溶液；⑥写出标准溶液的标定、过氧化氢含量测定的两种实验方法的详细操作步骤及其相应实验条件探究方法；⑦根据实验步骤，设计出相应的实验数据记录表格和注意事项。

2.3教学模式

以往的实验课程教学主要采用讲授法，这种以教师为中心、以课堂为中心、以课本为中心的传统教学模式，束缚了学生的主观能动性和思考问题的能力，不利于学生创新意识和实践能力的培养。根据师范专业人才培养的基本理念“学生中心，产出导向，持续改进”，近年实验课程团队改革了教学模式，转变了讲授的内容和方法，充分利用现代教育信息技术辅助教学，采用翻转课堂的模式，课前在学校教务系统的雨课堂平台发布任务、要求、资源搜索、探究方法等；课堂上由学生自主设计板书，分工协作讲解实验项目的各个流程，教师点评提问，引导学生讨论方案的可行性，发现问题，修改确定设计方案。学生课前根据雨课堂发布的实验任务、要求，进行线下自主或小组协作学习，撰写预习报告，并将预习中不懂的内容通过雨课堂平台提出问题、讨论解惑；课上分工协作完成溶液的配制、标准溶液的标定、实验项目探究、样品溶液测定；课后小组协作完成实验数据处理，自主完成实验报告撰写，线上分享成果并进行交流讨论。这种教学模式营造了良好的学习氛围，激发了学生的积极性，让学生成为了课堂的主体，锻炼了学生的讲课能力，活跃了学生的思维，课堂互动效果好，促进了学生知识、能力和素质的发展。

2.4设计方案的可行性分析

实际工作中遇到的问题各种各样。如何设计方案、如何分析讨论所设计的方案是否可行是设计实验的重点和难点。方案的设计对定量分析化学而言：第一步是测定方法的选择。通过提问“如何选择测定方法？”，引导学生根据测定对象的性质、含量、准确度要求，绘制思维导图，如图1。根据思维导图讨论哪个方法选择性好、准确度高，且遵循“安全、环保、简便和节约”的原则，从而教会学生选择测定方法的思路；第二步是弄清楚测定方法的原理，然后设计实验方案、分析讨论方案的可行性，教学重点是让学生明白“能准确测出过氧化氢含量的方案，才是可行的”。引导学生思考“设计的测定方案中影响测定准确度的因素是什么？一般采用什么方法探究和控制影响因素？”。例如高锰酸钾法测定过氧化氢含量的原理：2MnO4－＋5H2O2＋6H＋=2Mn2＋+10O2↑＋8H2O。从测定原理讨论，学生很快得出结论：反应的酸度、温度、滴定速度影响测定的准确度，特别是反应的酸度严重影响测定的准确度，需要采用单因素变量法进行探究和控制。进一步地使学生明白方案的可行性还涉及“如何确定标准溶液的浓度、被滴定的试液浓度和取样量”？引导学生提出假设“如果高锰酸钾标准溶液的浓度0.02mol.L-1，被滴定的试液取样量20.00mL”，那么通过反应的计量关系得出被滴定的过氧化氢试液的浓度为0.05mol.L-1；最后让学生思考并解决“用市售30%H2O2溶液（1.1g.mL-1）如何配制250mL0.05mol.L-1H2O2试液？”。通过问题导向，培养了学生的科学思维方法，提高了学生灵活运用理论知识分析解决问题的能力。

2.5设计方案的实施

经过课堂的讲解、问题讨论，学生按学号以5人一组，协作修改与完善设计方案，再经教师审核，确定最终实验方案。学生通过组内交流，组长分配任务，分工合作完成溶液的配制、标准溶液的标定、设计方案预实验和探究实验、样品溶液测定。实验过程中，教师强调实验注意事项，规范学生的实验操作，引导学生通过实验现象发现问题，分析解决问题。例如间接碘量法测定过氧化氢含量的原理：

2I-＋H2O2＋2H＋=I2+H2O（1）

I2＋2S2O32-=2I-+S4O62-（2）

反应（1）是个慢反应，需要探究反应酸度、KI浓度和用量、反应时间的影响，滴定反应（2）需要将酸度控制在中性弱酸性。有些小组的设计方案参考文献[7]，在反应（1）完成后探究加不同量NaHCO3、NaOH固体调节反应（2）溶液的pH值1～5。实验探究发现，加碳酸钠或氢氧化钠后，溶液立即由棕红色变为浅黄色或无色，滴定过程消耗的硫代硫酸钠标准溶液很少，与理论预测结果相差很大，学生感到非常困惑。此时教师可将学生集中在一起，问学生棕红色的溶液是什么？讨论得出该溶液是反应（1）的产物I3-；然后启发学生“加碳酸钠或氢氧化钠固体后溶液立即由棕红色变为浅黄色或无色，是否说明碘减少了，溶液中的碘发生了反应？”这样学生很快会想到碘的性质之一“碘在碱性溶液中会发生歧化反应”。分析了产生问题的原因。

学生尝试探究采用NaHCO3、NaOH稀溶液调节反应（2）溶液的pH值，探究发现测定结果还是严重偏低，说明不能用NaHCO3、NaOH稀溶液调节反应（2）溶液的pH值。怎么办？有学生很快想到硫代硫酸钠溶液的标定方法和《国家标准GB5009.226—2016食品中过氧化氢残留量的测定》方法中都是通过加100mL水降低反应（2）的酸度，于是将设计方案修改为：探究加入不同体积的纯净水调节反应（2）的酸度对测定结果的影响。可见，设计方案的实施过程，使学生更深体会到团队协作的重要性，激发了学生的学习热情与求知欲望，培养了学生探索与质疑的精神以及完成实验的严谨性，提高了实践创新能力。

2.6成果展示与讨论

设计实验成果以实验报告和PPT的形式表示。实验报告是对每个实验的真实记录、概括和总结。实验结束后，学生通过小组协作完成实验数据处理、独立完成实验报告撰写，增强了处理数据、归纳总结和反思的能力，提高了观察、分析和解决问题的能力；通过小组协作制作“实验成果PPT”发布线上，进行组间交流，提问评价和讨论，充分利用了线上学习平台，激发了学生参与线上评价讨论的热情，促进了相互交流、相互学习借鉴，锻炼了学生的语言表达能力，提高了创新思维能力，培养了学生设计制作PPT的能力，培养了敬业、诚信、竞争、友善的优良品德。

3教学效果分析

3.1充分体现“学生中心”理念，确保学生处于主体地位

由于本实验只给出了总体目标，具体实验方案需要学生查阅文献自行设计；实验过程中需要学生自行计算试剂用量，配制相关试剂，完成相关实验；实验完成后还要自行分析整理数据，形成报告，并互相讨论验证数据的合理性，合作完成PPT成果展示，进行线上提问评价。学生在实验中的自主性和参与度远远高于常规的验证性实验，充分体现了“学生中心”的理念，学生摆脱了照书操作亦步亦趋的学习方式，学习的主动性有了显著提高。

3.2全面锻炼学生能力，提高了学生综合素质

学生查阅文献的过程中使用了文献检索课程所学的各种文献检索方法，阅读了一定数量的论文、国标等文献，锻炼了文献调研能力；设计实验方案的时候充分运用理论课所学的知识和文献调研的结果，综合考虑方案的合理性、可行性、经济性等要素，锻炼了学生的实验设计能力；在完成实验，探究并解决实验中遇到的种种问题时，锻炼了学生认真观察、严谨细致、坚韧不拔、积极创新的能力和意志品质；在分析整理数据、形成报告的过程中，锻炼了学生的学术写作能力和数据分析能力；在成果展示和提问回答环节，锻炼了学生的表达能力和质疑精神；在小组合作以及向老师请教的过程中，锻炼了学生的团队合作和沟通交流能力。较之传统的验证性实验，本实验锻炼学生能力的广度和深度都有明显提升。

3.3积极推进学生进行总结反思，提高了学生对课程的满意度

本课结束后对学生进行了课程满意度调查，学生对本课程的评价均为“非常满意”和“满意”级别，其中“非常满意”高达85%以上，较之未改革前明显提高。调查中学生反映：通过本课程学习，能使学生加深对分析化学基本知识和基本理论的理解，能培养学生正确熟练掌握分析化学实验的基本操作技能，养成良好的实验习惯，实事求是的科学态度、严谨细致的工作作风；学生的团队合作精神、语言表达能力和创新能力都获得了明显提高，希望能有更多的实验项目采用设计性实验方式。

4总结

本文选择30%双氧水中过氧化氢含量的测定实验开展设计性实验教学改革与实践。在实验查阅文献、设计实验方案、讨论方案的可行性、分组实验、提交实验报告、展示实验成果等的全流程中充分发挥学生的主动性，提高了学生的参与度，全面锻炼了学生的文献调研能力、实验设计能力、创新能力、意志品质、学术写作能力、数据分析能力、表达能力、团队合作和沟通交流能力等，锻炼学生能力的广度和深度都有明显提升，获得了学生的广泛好评。也为分析化学设计性实验教学改革提供新思路。

参考文献：

[1]李暐，刘毓琪，孙明礼，等.分析化学"设计性实验"教学的研究与实践[J].化学教育，2012，33（6）：68-69.

[2]马志刚，李菲，凌剑，等.分析化学设计实验教学的实践与探讨[J].实验科学与技术，2015，13（4）：83-85+102.

[3]彭友元，黄妙龄.设计性分析化学实验教学模式探索[J].教育现代化，2019，6（59）：195-196.

[4]安红钢，宗盈晓，吴冬青.间接重铬酸钾法测定过氧化氢的含量[J].河西学院学报，2008（5）：30-33.

[5]乐薇，封孝华.滴定法测定H2O2含量的不确定度研究[J].广东化工，2011，38（10）：137-138.

[6]彭艳，刘明雪，赵小红.过氧化氢含量测定方法研究进展[J].化学推进剂与高分子材料，2022，20（05）：24-29.

[7]古映莹，李丹.碘量法和铈量法测定过氧化氢的研究[J].湖南理工学院学报（自然科学版），2005（03）：55-58.

基金项目：广东省分析化学一流课程项目（粤教高函[2022]10号）；肇庆学院实践教学改革研究项目（sjjx202014）

作者简介：韦寿莲（1965—），女，汉族，广西贵港人，硕士，教授，研究方向为分析化学与分析化学实验教学。

通讯作者：姚夙。