大學無機化學實驗課程內容的優化*

蘇碧云 李磊 劉祥 孟祖超

(西安石油大學化學化工學院 陜西西安 710065)

對于化學專業的本科生而言，實驗課的重要性不言而喻。大學化學專業課程的設置有一個特點，就是基本上每一門理論課都有相應的實驗課；前者提出理論，后者則運用理論解決實際問題，同時驗證理論，二者相輔相成，密不可分。筆者作為教授化學化工專業大一學生的無機化學實驗及無機化學課程的教師，在實驗課教學過程中發現，現有的化學實驗課程在內容編排上存在一些問題，如理論課與實驗課內容脫節，實驗內容過于陳舊等。實驗課程的不完善勢必會影響學生對實驗課程的興趣和創造性思維的發揮。本文針對上述問題，結合本課程組的教學實踐，提出相應的對策和建議。

1 無機化學實驗編排順序的調整與優化

在大多數開設化學專業的院校，特別是工科院校，許多化學實驗從屬于相應的化學理論課程。實驗課程內容的設計與編排分別由各教研室負責，而理論課程的設計與編排則與所選教材有很大關系。通常情況下，理論課教師與實驗課教師不是同一人，如果不定期進行溝通，這兩門課程容易出現脫節或重復。結合教學經驗，我們認為化學實驗課程與理論課程的設計編排應該相輔相成，避免脫節與重復。具體做法如下：

(1) 易于感性認識的內容應從實驗入手，先讓學生接觸這方面的感性知識，通過實驗現象形成鮮明深刻的印象。對于現象的解釋及相關理論的深入探討可在以后的理論課學習中進行。例如化學反應速率的測定實驗，(NH4)2S2O8和KI的反應以淀粉變藍作為標志，即藍色出現的快慢反映了反應速率的快慢。在這個實驗中，學生通過實驗現象可以直觀地得出反應物濃度、反應溫度以及催化劑Cu(NO3)2對反應速率的影響，即反應物濃度越大，反應速率越快；溫度越高，反應速率越快；加入正催化劑可加快反應速率。通過實驗得出結論的方式相較于我們在無機化學理論課中推導得出結論的方式，更加有趣，且印象深刻。因此，我們對以前實驗課的授課計劃做了調整，將實驗安排到相應的理論知識講授之前。實驗先行，不但可以使學生直觀地得到化學反應速率的影響因素，而且經過實驗的鋪墊也有利于后續相關理論的學習。例如，在無機化學理論課上，教師可以通過分析實驗的現象，將宏觀現象和微觀原因聯系起來，引出分子碰撞理論、過渡狀態理論、活化能的概念和阿侖尼烏斯公式。這樣一來，學生在接受這些較難理解的理論時就會更容易。對于易于觀察、能夠感性認識的課程內容，將實驗安排在理論之前，比一開始就讓學生接受相關的理論更容易接受。這不但符合大一學生由感性到理性、由特殊到一般的認知規律，也可激發學生的興趣，在興趣的引導下去探求更深入、更系統的理論知識。

(2) 較復雜抽象的實驗，可將實驗課程安排在理論課程之后進行。通過學習相關的概念和原理，并按一定的邏輯順序引出命題和結論，這樣，學生對一個命題的來龍去脈就能形成清晰的脈絡。在接下來的實驗中，學生因為已經學習過了相關的概念及原理，對實驗目的及原理的理解和把握將會更加準確。例如我們在教學實踐中發現，已經學習過可逆反應以及一元弱酸或弱堿解離反應的學生，在做HAc解離度和解離常數的測定實驗時，實驗過程有條不紊，實驗結果也更加準確。而那些沒有接觸相關理論就進行實驗的學生，表現得比較忙亂，而且會因為不注意細節，導致實驗結果誤差較大。例如，這些學生由于不理解所測溶液的pH實際上代表的是HAc解離平衡之后的氫離子濃度，所以加水稀釋之后不攪拌，未等其平衡就進行pH測定，這樣得到的數據勢必誤差較大。為了保證實驗課的教學質量和效果，從2010年起，我們將所有平行班級的HAc解離度和解離常數的測定實驗安排在相關理論課講完之后，使實驗教學效果得到了很大改觀。

如果未學習相關的理論知識就進行原理較為復雜的實驗，學生按照實驗步驟可能很快就能完成實驗，但對于實驗原理卻是一知半解。在實驗課上，即使教師對實驗原理進行簡單講解，但畢竟時間有限，講解不可能系統、全面。另外，一些專門帶實驗而不講理論課的教師，對學生提出的更深入的問題可能難以作答。在無機化學實驗[Ti(H2O)6]3+分裂能的測定中，要求學生通過分光光度計法測定[Ti(H2O)6]3+的分裂能Δo, 其原理是TiCl3的水溶液(深紫色)在可見光的照射下，d電子會吸收一定波長的光能產生d-d躍遷，從t2g軌道躍遷到eg軌道。在TiCl3水溶液的吸收光譜中，吸光度最大的位置對應于這兩個軌道的能量差Δo,該實驗涉及配合物的晶體場理論和分子軌道概念，要做好這個實驗，充分理解相關理論是一個必要前提。因此該實驗應該安排在講授過相關的理論之后。也就是說，理論先行，實驗隨后。學生在做實驗時，不但可以復習、鞏固理論課程中所學到的概念及原理，而且可以驗證結論，達到實踐檢驗理論的目的。如果實驗結果與理論相符，學生對理論的理解將會更加深入，印象也會更加深刻。如果實驗結果與理論不相符，學生就要提出疑問，進行思考。教師可指導學生從改進實驗方法、減少實驗誤差等方面入手予以解決；另外可鼓勵學生的懷疑與批判精神，認識到某些理論的經驗性或近似性，對其局限性進行分析，并參考其他理論以達到對實驗現象的全面解釋。這個過程對于培養學生的科學精神和科學素養具有重要意義。

2 無機化學實驗課程內容的調整與優化

(1) 刪減陳舊內容，增添前沿領域實驗。

化學實驗教材中的許多內容都是沿用已久的實驗。實驗課程應緊跟科技發展的前沿，及時調整、修訂、刪除那些知識陳舊或結構不合理的實驗[1]，增補一些與化學學科前沿發展相關的新型實驗[2]。隨著科學技術的迅速發展，出現了許多新儀器和新技術，這就要求實驗課程的方法和手段也要做出相應的調整，以順應時代發展的要求。例如，現在的電子天平相比于10多年前的分析天平，不但操作大大簡化，而且精度更高，現已出現能夠精確到小數點后6位的電子天平。實驗教材中關于分析天平的大篇幅介紹顯然已不合時宜，但很多實驗教材仍然保留了這部分內容。另外，隨著環保意識的加強，人們逐漸認識到傳統的化學實驗會對環境造成污染，因此提出了綠色化學及微型實驗的理念。無機化學實驗教師應該把這些理念貫穿到教學中去，比如在綠色化學思想的指導下，盡量刪減那些能產生有毒有害物質的實驗，增添一些節能環保的綠色實驗；在不影響觀察實驗現象的前提下，提倡微型實驗，將常量實驗減量或微量化。例如實驗教學中，通過減量化設計，用50mL燒杯代替100mL燒杯，將原來的銅鋅原電池使用的30～50mL CuSO4、ZnSO4溶液減少為10～20mL。實驗結果表明，改進是成功的，不但降低了實驗成本，而且減少了廢液對環境的污染。此外，我們還鼓勵學生嘗試使用點滴板的孔穴，或用廢棄的小藥瓶等微型容器代替上述燒杯[3]，并設計相應的鹽橋材料, 使之與微型容器相配套。實際上，我們可以將更多的化學實驗微型化，比如元素性質實驗部分，試劑種類多，消耗量大，如何用盡可能少的試劑達到較好的實驗效果，是我們一直關心和思考的問題。在驗證KMnO4在不同介質中的氧化性時，我們將原來的1～2mL的試劑量降到1～2滴，由于KMnO4顏色很深，即使用量極少，加入還原劑后也能觀察到明顯的褪色。

(2) 補充設計研究型實驗[4]，培養學生的創新精神。

大多數化學實驗教材中的實驗信息非常詳細，通常將實驗目的、實驗原理、所需藥品和儀器、實驗步驟等學生實驗報告中的內容都包括進去。有些院校為了便于學生撰寫實驗報告，甚至組織教師編寫實驗報告冊，上述條目一應俱全，連表格都替學生制好，學生只需要填入數據即可。這樣的做法對學生而言非但無益，反而有害。在實驗過程中，他們只需要按課本上安排的步驟來做，將各種藥品加在一起就會出現應有的現象。然后機械地將所得現象和數據填入實驗報告冊，一個實驗就算完成了。通過調查學生對實驗的理解和掌握，發現他們很少有人能夠真正理解實驗的原理和每一步操作的目的。實驗教學程式化是實驗教學中一個較為普遍的問題。

要解決上述問題就需要在教材上做一些相應的調整和改變。比如在FeSO4·(NH4)2SO4·6H2O的合成實驗中，我們給出鐵粉的參考用量(2g)之后，其他試劑(如H2SO4溶液的體積、(NH4)2SO4的質量)都讓學生自己確定；另外，反應需要什么樣的容器以及容器的規格，一般情況下也應該由學生自己來確定。比如用2g鐵粉和30mL 0.3mol·L-1的H2SO4溶液反應制備FeSO4，學生就會思考用什么樣的容器有利于這個反應進行和便于操作，以及反應物料體積最多是多少，從而可以確定相應的儀器規格。在實驗細節上加以調整，就能給學生留出更多的思考空間，使他們在實驗時“手腦并用”。為了更進一步全方位地鍛煉學生的思考能力和操作水平，無機化學實驗課還應補充一到兩個綜合性化學實驗，這類實驗要求學生運用所學知識獨立分析課題，設計實驗路線，安裝實驗裝置，最終完成實驗。實驗的開設方式是只給題目和器材，不給方法和答案，學生在一個個問題的引導下通過查閱資料來解決問題。當學生完成實驗之后，可以將其成果撰寫成小論文，或以學術報告的形式展示。

(3) 采用現代化手段，實現教學信息化。

目前，理論課教學已普遍采用多媒體和網上視頻等現代化教學手段，但相對于理論課上的廣泛應用，信息技術在實驗課方面卻略顯欠缺。比如，實驗課的講解基本上都是在黑板上完成的，較少使用多媒體。實際上，教師可以將污染重、毒害大、在實驗室不宜進行的合成類實驗制成多媒體課件，向學生播放，使他們對該實驗的目的、原理、操作步驟、污染程度等方面知識有較深入的了解。這樣既能避免有毒有害物質對人和環境的危害，同時又保證了理論知識的系統性，近幾年已經有一批院校采用了這樣的做法。除了能將某些實驗以多媒體課件的形式向學生展示以外，很多實驗工作都可以借助計算機來完成。例如，用實驗數據繪制曲線的工作可以利用EXCEL軟件輕松完成；通過專門的化學繪圖軟件CHEMDRAW可以繪制出標準的方程式及化合物結構式；實驗過程中需要知道的一些物性常數能夠在網絡上很快找到；實驗中出現的問題或異常現象可以在網絡上的相關論壇找到答案。如果學生對某個實驗有更進一步探索的興趣，也可以在網絡數據庫中查閱相關的研究論文，以作為參考。教師可以向學生提供相應的指導，有針對性地讓學生收集網絡上的相關資料，繪制圖表、制作模型和影像、撰寫化學小論文等，以此培養學生應用現代化科技信息手段的能力。通過人機對話，學生可以提高學習興趣，增強學習的主動性，同時也能加深對實驗內容的理解。

雖然許多學校的實驗硬件設施齊全，但學生應用現代化科技手段處理化學問題的能力仍處于較低的水平，原因可能有以下幾個方面：其一，傳統教學模式根深蒂固，只注重鍛煉學生單一的實驗操作能力，而忽視了培養學生應用現代化信息技術手段處理化學問題的能力。其二，從現行的教學大綱出發，很難找到與信息技術相契合的切入點。其三，很多教師難以適應化學實驗的信息化過程，自身素質有待進一步提高。要解決上述問題，必須更新觀念，順應時代發展潮流，將計算機技術與化學實驗充分結合，讓現代化的科技手段更好地為化學實驗服務。

3 小結

從上述幾個方面進行調整和優化之后，我校的無機化學實驗課程正在逐步趨于完善。化學實驗課程與理論課程的設計編排聯系緊密、相輔相成，避免了實驗教學過程中的知識脫節與重復。同時，增添前沿領域實驗、設計研究型實驗以及信息化教學手段，給無機化學實驗課程注入了新鮮血液，使實驗內容更具前沿性和時代感。我們的教學實踐表明，調整和優化之后的無機化學實驗課程，更有利于提高學生的學習興趣，培養學生的創新精神，使學生做到手腦并用，達到了較好的教學效果。

參 考 文 獻

[1] 鐘秉林.中國高等教育,2000(8):1

[2] 宋天佑,鄒明珠.高校化學教學成果擷英∥中國化學會全國第6屆大學化學教學研討會論文選集.西安:西北大學出版社,2000:28

[3] 王立平,王亞茹,王詠梅,等.保定學院學報,2008(4):21

[4] 孫海翔.長春理工大學學報(高教版),2009,4(10):129