無機化學實驗是大一新生課程,對培養本科生的化學技能和良好的實驗習慣起著重要的作用。對于一個今后從事化學專業的人員來說,具有規范的實驗操作能力是至關重要的。隨著高校的擴招、科技發展、現代化生活水平的提高,學科間交叉滲透等因素,實驗教學內容體系也需要有所變化。在借鑒了其他前輩工作者的經驗[1-5]并結合本校的實際,我們就高師類無機化學實驗教學內容和課程體系中存在的問題進行了分析,結合我們的教學實踐,制定了一些相應對策,在實施過程中取得了較好的效果。
1 優化改革實驗課程內容以滿足教學需要
( 1) 從基礎操作到綜合能力運用,次第性設計實驗順序。
我校采用的無機化學實驗教材為華東理工大學出版社的《新編無機化學實驗》,內容包括: 安全教育、基本操作原理和實驗技能訓練、基本化學原理實驗、元素及其化合物的性質實驗、綜合設計實驗,共5 章。開課時間為兩學期,共 87 學時。在有限的 87 學時中,要把這么多內容全部學完是很難的。而且,考慮到剛入大學的大一新生來自不同地域的中學,各地中學的實驗條件不一樣,培養出來的學生實驗水平也參差不齊。于是,在上學期的 39 學時里,只選擇安全教育和基本操作以及一些簡單的合成制備實驗以訓練、規范學生的基本實驗操作能力。以“安全教育”和“儀器的認領、洗滌”,強化學生的安全實驗的意識; 以“臺秤與電子分析天平的使用”、“試劑的取用和試管操作”、“溶液的配制”、“滴定操作”等培養和規范學生的基本操作; 以“粗鹽的提純”和“硝酸鉀的制備與提純”作為學期末的兩個小型綜合實驗,旨在讓學生綜合運用所學的基礎操作技能解決問題。( 2) 刪改增補實驗內容,有效節約利用資源。
大一下學期的無機化學實驗課程為 48 學時,內容主要是元素及其化合物的性質實驗部分,這是與無機化學課程同步進行的實驗,旨在通過實驗,使學生加深對課程內容的理解。但是一學期的性質實驗,占用時間多,內容多是單一且重復的試管操作,很難激起學生的學習興趣。于是,我們保留了一些元素和化合物的典型性質實驗,刪掉了一些重復性的實驗,并根據無機化學課程的內容,把每一族性質相似的實驗內容歸并在一起,選有代表性的,集中用一次實驗做完。對于一些有毒的、不方便操作的實驗則借助相關視頻資料,讓學生直觀了解即可。如,鹵素這族在課程設計上有兩個實驗---“氯及其化合物的性質及氯酸鉀的制備”和“碘及其化合物的性質及碘的提取”.在這兩個實驗中,氯氣、氯酸鉀和次氯酸鈉的制備與中學學習過的二氧化碳的制備等類似,且氯氣、次氯酸鈉和氯酸鉀或有刺激性或有氧化爆炸的危險,故將相關的實驗內容以視頻幻燈的方式給學生進行講解分析,然后把氯和碘及其化合物的性質鑒定及海帶灰中提取單質碘合并成一個實驗,這樣不僅可避免單調重復而且還可以比較二者性質的關系。再如實驗砷、銻、鉍中,刪除了砷、銻的氧化物和氫氧化物的酸堿性等實驗,保留了關于硫化物和硫代酸鹽性質的實驗內容,然后與堿金屬、堿土金屬以及鋁、錫、鉛等主族金屬元素性質并為一個實驗。余者如氧族、氮族等實驗均可以此理念進行設計。對于節省出來的實驗時間,可以安排學生做綜合實驗,先由教師勾勒出實驗的理念,讓學生自行查文獻、找方法,直至完成實驗,以此訓練學生綜合操作能力和獨立解決問題的能力。這個實驗改革,節約了資源,有效地提高了學生的實驗能力,得到了好評。
2 隨科技發展改革實驗
( 1) 改革實驗,使其適應新儀器和新的教學方式。
隨著科技的發展,化學實驗教材中的很多實驗儀器和內容都顯得陳舊,淘汰更新勢在必行。例如臺秤和分析天平是實驗室稱量的兩個重要儀器。粗略稱量用臺秤,精細稱量用分析天平。分析天平稱量能精確到 0. 1mg,但是一臺分析天平的成本很高,維護操作都非常麻煩。而現在一臺電子天平,不但操作大大簡化,精度更高,而且精確到 0. 001mg 的電子天平的成本價格還沒有分析天平高。所以,“臺秤和分析天平的使用”這個實驗就可以刪改成“臺秤和電子天平的使用”.
無機化學實驗第二學期的內容主要是元素及化合物的性質實驗,這些實驗很多是有毒、有刺激性或者強氧化性的,但實驗操作簡單,耗費試劑較多。針對這種情況,我們設計了視頻實驗教學的方案,主要用于那些有毒有危險性且在操作上也多是重復性的實驗。如“次氯酸鹽的制備”、“磷的同素異形體及性質”、“五氯化磷的水解”、“鈉鉀與水的反應”、“鋁熱法制取金屬鐵”等實驗都可通過相關視頻資料學習。
( 2) 微型化實驗。
由于微型化實驗過程簡單、化學試劑使用量少、實驗儀器價格便宜等特點,正越來越受到化學教育工作者的歡迎。微型無機化學實驗可以使化學試劑使用量僅為以前的 5% ~10%,同時也降低了實驗的危險性[6].鑒于無機化學元素部分的實驗多是驗證性質方面的實驗,且需要的試劑多,若用試管和燒杯操作,每種試劑的用量都在毫升級以上,對于這類性質驗證實驗的微型化處理,我們是改用穴滴板作為反應容器,這樣只需幾滴試劑即可觀察到實驗現象。
對于一些制備性實驗,如“硫酸亞鐵氨的制備”、“三草酸合鐵酸鉀的制備”等,我們也相應制備了一些微型反應儀器[7-9],教給學生半微量合成方法。這些合成實驗的設計主要是集中在儀器設備的微量化,如,我們讓學生收集廢舊的玻璃小藥瓶,將其改裝后成為小的合成反應容器,不僅耐熱封閉性好,而且洗刷方便,可以重復循環使用。又如,用大的布氏漏斗抽濾微量合成后的產品損耗量大而且抽不干凈,我們就通過查閱文獻,重新設計了微型的抽濾裝置( 圖 1) .
對常規制備實驗的微型化改造有助于激發學生的興趣,既可節約藥品也減少了污染。在此過程中學生體驗了各種儀器裝置的重新設計、改造和組合,有效地鍛煉了他們動手動腦的能力。據統計,我校每年需要做無機化學實驗的學生大約有 700 人,采用微型實驗后,不僅大大減少了試劑用量,節約了成本; 而且還對減少污染物的排放起了重要作用。
3 以綠色、環保、節儉和可持續發展的理念設計關聯實驗
化學實驗對環境的污染一直是被人們關注的問題。作為實驗教師,在設計實驗的過程中,我們會充分考慮前后實驗的關聯性以及實驗的整體布局,盡可能讓藥品能重復利用; 并在實驗結束后對廢液廢物進行無害處理或循環利用等,以使污染降到最低水平。如,在稱量實驗中,學生用臺秤稱的粗鹽可作為“粗鹽的提純”的實驗原料使用; 用電子天平練習稱量精確量的硫酸銅,可以在“溶液的配制”中用來配制0. 2 ~ 0. 5mol / L 的硫酸銅標準溶液,在實驗“銅、銀化合物的性質和醋酸銅的制備”中作為滴定試劑或反應試劑使用; 在“酸堿滴定操作”中標定的酸堿溶液,可以作為后期元素化合物性質實驗的試劑。
在“氫氣的制備和銅相對原子質量的測定”實驗中,我們先讓學生自己利用中學所學的知識設計裝置圖,然后根據裝置圖所需的儀器藥品,我們設計了一個“燈的使用,玻璃管加工和塞子鉆孔”的實驗,讓學生自己制造出所用的玻璃彎管、導管、滴管和塞子等儀器,然后用這些儀器測定銅的相對原子質量。
考慮到學生有提前進入科研室做實驗的需要或者為科研做一些前期的準備性實驗,一些制備實驗的設計也和科研室的實驗關聯起來,如“硫酸亞鐵銨的制備”收集的產品,可作為科研室后期反應的試劑。在驗證“三氧化二鋁的吸附性”實驗中,學生填充的層析柱可作為科研室分離裝置使用。
我們在設計實驗的時候,盡可能考慮將產生的廢物充分再利用回收。如一般酸堿廢液可用于改良土壤; 合成實驗中產生的廢硝酸鉀、硫酸亞鐵銨液可以經過處理后變成肥料; 對于“鋅、鎘、汞及其化合物的性質”實驗中產生的廢液,將其回收后分組設計了兩次綜合實驗---“含鎘廢水的處理”和“含汞廢水的處理”.對于這些實驗,我們只提出要求、目的,提供可選擇試劑,由學生查閱文獻,尋找方法,摸索最適合的實驗條件,自行完成實驗。通過這些實驗,學生既鍛煉了運用所學知識綜合設計實驗并解決實際問題的能力,同時也減少了對環境的污染。
4 總結
課程建設是一項長期又艱巨的任務,而無機化學課程又是一門重要的化學專業基礎課,所以,無機化學課程也應根據時代發展,與時俱進,及時調整教學模式深化課程改革。實踐證明,我們這次對實驗改革的嘗試,激發了學生實驗的積極性,培養了他們的綜合創新思維,鍛煉了他們的動手能力,增強了他們的環保意識,是實用而有效的。
參 考 文 獻
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