化学是一门实验性很强的学科.实验课程在化学学科的建设与发展中起着举足轻重的作用[1-2].戴安邦院士在总结其长期教学经验的基础上,提出全面化学教育的观念,强调上好化学实验课是实施全面化学教育的一种最有效的教学形式.用人单位在选聘化学专业的毕业生时,更看重学生的动手能力;研究生导师在面试新进研究生时,也非常关注学生在本科学习期间的实验训练.由此可见,实验教学是化学教学过程的重要环节.
化学分析实验重在使学生通过亲历化学分析理论课教学中的基本方法,直接观察化学反应的过程,加深对化学分析基本知识和基本理论的理解,建立起严格的"量"的概念,掌握分析化学中的误差来源及实验数据的处理与评价,掌握规范的基本操作技能,初步具备进行科学研究的能力[3].我校的化学分析实验课依托国家理科基础科学研究和教学人才培养基地、国家级实验教学示范中心和陕西省人才培养模式创新实验区的建设,成立了专门的课程组.课程组多年来一直坚持预做实验制度,在实验课教学中取得了良好的效果.教师预做在化学实验教学中的重要性体现在 6 个方面,下面分别加以介绍.
1 明确实验现象
化学实验现象是实验者对化学实验获得的最直观、最容易记忆的感受.对化学分析实验过程的现象的观察和解释,能使学生深入理解滴定分析法的基本原理; 对与预期不同的实验现象的分析,有助于学生分析实验结果产生误差的原因,收到良好的教学效果.化学分析实验的实验现象,主要包括样品预处理过程和滴定前后的溶液颜色等,往往会直接在实验步骤中描述出来,学生只需要在实验过程中对比观察就可以了; 但有些实验现象需要通过预做过程明确核实.例如配位滴定,在加入指示剂后,会有对金属离子与指示剂形成配合物的颜色的描述( 如紫红色、酒红色、红紫色等) ,教师需要通过预做实验过程,清楚实际的实验现象( 甚至是如果酸度控制不合适、未加掩蔽剂等出现的其他颜色或现象) ,才能做到心中有数.再如,莫尔法测定氯离子含量时,需要在含有氯化银白色沉淀和指示剂铬酸钾的黄色背景下观察砖红色铬酸银沉淀的出现,并以此作为滴定终点.如果教师不通过自己的预做经验给予指导,学生往往会按照溶液中的终点确定方式,滴定到锥形瓶中砖红色掩盖了白色之后才停止滴定.而根据实验原理,只要有砖红色出现就可认为氯离子已经滴定完全.所以,教师预做过程对明确实验现象至关重要[4].另外,有些实验方案本身没有问题,但做样品的分析测定时,由于样品中其他组分的影响,实验现象会不太一样.样品变了,现象也会随之变化.这在实验中很常见,也需经过预备实验确定会出现什么现象,原因何在.
2 改进实验方案
化学分析又称经典分析.一般学校开设的化学分析实验都是经过非常多次实验验证的确实可行的分析方案.然而,由于实验教材编写的小错误、实际分析样品的特殊性等原因,我们仍能通过教师预做环节发现一些问题,并及时在学生实验时进行修改,保证学生实验的顺利进行.例如在自来水总硬度测定实验中,教师通过预做发现: 滴定剂 EDTA 的浓度应随着实验时当地水硬度的高低而有所调整,以硬度在 60 mg/L 左右( 以 CaO 质量浓度表示结果) 的水为例,EDTA 的浓度应在 0. 005 mol/L 为宜.如统一采用实验课教材中提供的浓度( 0. 01 mol/L) ,则会出现软水滴定时消耗的体积过少导致测定误差较大的问题.在用 Ca2 +标准溶液标定 EDTA 溶液时,一般考虑到指示剂对 Mg2 +灵敏,往往需要在溶液中加入一定量的 Mg-EDTA 配合物.我们通过多次预做,将实验方案调整为在配制好的 EDTA 溶液中加一定量的 Mg2 +,在取得相同的实验现象和数据的同时,减少了实验员的工作量,也促使学生更深入地理解滴定原理和金属指示剂的作用原理.
3 检验公用试剂
教师预做环节可以很好地检验公用试剂配制得是否合适,以确保学生实验顺利进行[4].在化学分析实验中,总有一些试剂的溶液是由实验员预先准备或配制好,然后提供给学生直接使用.这些溶液包括指示剂、缓冲溶液、掩蔽剂等.例如同样是在自来水总硬度测定实验的预做中,我们发现过由于 K-B指示剂配制的比例问题导致的终点颜色偏绿,与实验教材和理论颜色不符的问题; 还有由于 NH3-NH4Cl缓冲液酸度不合适而导致在加入 Ca2 +标准溶液后不能将溶液酸度控制在 pH 10 左右的问题.由于公用试剂有问题而无法继续进行实验的情况也出现过.例如在置换滴定法测定铝合金中铝含量时,因考虑到学生在前面已有两次配制 EDTA 溶液的经验,实验中所用 EDTA 由实验员统一准备.预做实验发现,在用 Zn2 +标准溶液滴定过量 EDTA 时,无法滴出终点.经预做教师反复讨论,并对 EDTA 溶液进行标定发现,所用铝合金中铝含量高,而所准备的 EDTA 溶液浓度太小,根本没有过量.据此,我们及时加大了 EDTA 溶液浓度,使预作实验和后续一周的学生实验没有出现问题.
4 提供评分标准
除了基本操作训练实验外,化学分析实验都会涉及样品中某种组分或某几种组分的含量测定.准确度高是化学分析法的一大特点.因此,除了重视实验过程外,化学分析实验对于实验结果的准确度有很高的要求.实验中的样品种类多、易变化,且一般都不是标准样品.因此,教师预做的一个重要作用就是为评判学生的实验结果提供一套标准数据.课程组会将预做的结果进行合理的可疑值取舍后取平均值作为标准含量或浓度,然后按照与标准值的相对误差大小,给出不同的分值区间,再结合学生数据的精密度,给出一个合理的分数,使学生能清楚自己的实验课成绩,领会实验结果准确度与规范操作的密切关系,并且逐步渗透分析方法需要保证高准确度和精密度的科学理念.
5 培养新进教师
要保证良好的教学效果,首先需要教师有精湛的业务能力,这是教师一项主要的基本功.在化学学科,新进教师尤其是没有任何教学经验的青年教师往往在留校工作时被安排带实验课.实验预做环节对新进教师的培养作用是很大的.在教师集体预做实验时,往往先由经验丰富的教师讲解实验原理和方案,然后再开始实验.通过这个环节,可以充分发挥老教师的传帮带作用.示范规范操作、总结实验中存在的问题、研究解决方案、对青年教师进行全方位的培训等,能有效提高青年教师的讲课水平,帮助青年教师快速进入教师身份,做到实验课教学时胸有成竹[5].例如对于实验过程中出现的意外现象,教师就能引导学生分析其内在的原因.
6 开展教学研究
高校教师往往将精力和时间更多地用在科学研究上.对于教学,许多教师基本只是满足于完成课堂教学任务,很少主动开展教学研究.每周一次的集体预做实验为教师合作进行教学研究提供了场所与机会,教师可以借此发现教学中存在的问题,讨论实验课课程建设及教学方法改革等问题.
综上所述,教师预做过程是化学实验教学过程必不可少的环节.做好实验预做,可以大大提升实验课的教学效果.
参 考 文 献
[1] 张树永,张剑荣,陈六平. 大学化学,2009,24( 4) : 24
[2] 田曙坚,廖一平,焦书明. 大学化学,2005,20( 1) : 25
[3] 武汉大学. 分析化学实验. 第 5 版. 北京: 高等教育出版社,2011
[4] 黄翠姬,刘昭明. 广西工学院学报,2006,17( 2) : 75
[5] 李胜清,薛爱芳,康勤书,等. 实验室科学,2010,13( 2) : 28
