基礎化學綜合實驗中學生“自主設計”的教學實踐

周祖新　王愛民　黃莎華　程利平　肖秀珍

（上海應用技術學院化學與環境工程學院，上海　200233）

基礎化學綜合實驗中學生“自主設計”的教學實踐

周祖新*王愛民黃莎華程利平肖秀珍

（上海應用技術學院化學與環境工程學院，上海200233）

在基礎化學綜合實驗中，教師只提出主要原料和欲制備的產品大類，學生通過查找資料自主設計，用不同的方法、途徑制備出所要求產品，并分析幾種方法在操作過程、經濟及環保等方面各自的優缺點，從而達到培養學生自主創新能力的目的。

綜合實驗；自主設計；創新

化學實驗已不僅僅是為學生學習化學知識和訓練實驗技能而提供的直觀手段，實驗教學還應激發學生學習化學的興趣、培養學生解決問題的能力［1］。學生要從實驗的被動參與者轉變為實驗過程的設計者。目前所實施的基礎化學實驗，其實驗內容和操作步驟都有詳細規定，每個實驗一般只有3-4個課時；在課時數很有限、很多化學基礎原理還未學習的情況下，要想通過實驗課培養學生的創新能力確實有較大難度，這與培養學生的創新能力［2］、“研究型”學習有距離。在大一課程已完成、第二學期最后2周安排的綜合化學實驗課，給我們提供了讓學生“自主設計”實驗的機會，通過幾年的不斷探索，取得了一些經驗，為后續的綜合實驗和畢業設計奠定了較好的基礎。

1　實驗內容的選擇

由于大一兩個學期已學習了無機化學、分析化學和部分有機化學的課程，基礎化學綜合實驗的內容不再局限于某一單科的知識，綜合實驗的內容可力求融無機、有機和分析為一體，構建一個較高層次的平臺，努力形成一個應用特點鮮明、有頗多創新余地的綜合化學實驗課程。多年來，我校在該指導思想下在這一學習時間段開設了綜合化學實驗A1這門為時兩周的課程。

1.1內容的綜合性［3］

實驗內容的綜合性是設計實驗首先要考慮的。實驗過程一定要運用到學生前面所學習過的無機化學、分析化學和部分有機化學知識和實驗技能，并貫穿于物質制備、分離純化、表征這一主線中。實驗操作上應使學生用到所學過的技能（如無機物、有機物的制備和純化，定性、定量分析方法），實驗儀器大多為實驗課用過的儀器（如常用的玻璃儀器，分析天平，分光光度計，pH計等），也可以根據實驗需要，使用以往實驗未使用過的儀器，通過閱讀說明書，讓學生使用（如熱分析儀）。實驗中所需要的各種試劑，只提供商品，具體不同濃度的試劑由學生自己配制。

1.2內容的自主性

既然是自主設計實驗，實驗內容要充分體現出自主設計這一主線。只提供主要原料，提出應制備產品大類，具體產品及其制備、純化、檢驗、表征和三廢處理等實驗步驟由學生自行設計。制備同一產品，不同學生可以用不同的合成路線，并進行結果比較。本實驗選擇附近工廠的爛版液（用FeCl3或CuCl2濃鹽酸溶液氧化電路板表面銅皮，其中涂蠟部分未被氧化仍為銅皮線狀，即為設計的電路板，原液經多次使用達到較高銅濃度后的液體）作為主要原料，每人制備至少3種一定純度的化學產品，每組至少制備5種不同的產品，其中一種是有機物，并分析其經濟可行性。

1.3實驗內容的挑戰性［4］

根據實驗室條件，以學生已經掌握的基本操作和基本理論知識為基礎，適當高于所學知識，有利于學生對學科理論的探究。學生制備的產品，若在一般實驗教材中沒有出現過，可取得加分。課題還應具有現實意義，把制備產品的模擬成本（試劑以工業品價格計，不計操作和三廢處理費用）與市場的價格進行對比。本實驗中，我們要求所制備的無機產品達到試劑級，銅的有機產品達到工業級，模擬工業生產后，其成本小于市場價格。

2　實驗的實施

實驗前3周，用2節課講解本次實驗的內容、要求和大致評分標準，然后讓學生查找資料，制定實驗方案。教師審查方案，并與制訂者一起修改、完善后，與實驗室教師共同準備。

2.1實驗準備階段

2.1.1教師對實驗的布置、講解

為了有充分的時間讓學生準備實驗，一般在實驗前3周布置本次綜合實驗。首先講解爛版液的產生，里面大致成分及含量；銅的常見化合物及其性質、應用；生產中對環保的要求；為了進行多種實驗操作訓練，規定其中一種化合物要經過單質銅這一步；介紹資料的查閱方法，如各種化學手冊、國家標準、化工網、維普期刊網等；規定兩周后交實驗預習報告。

2.1.2學生對實驗的準備、預習報告

一周后確定欲制備的含銅化合物，針對所用原料和產物，要求每組學生（相鄰桌4位學生為一組）先查資料，鼓勵他們設計不同的實驗方案，并要求寫出實驗預習報告。包括原料和欲制備的含銅化合物的物理、化學性質，需要配制試劑的配制方法，實驗方案設計，實驗操作步驟，產物的純度檢測和表征，所使用儀器的使用方法等。實驗原理簡明扼要，操作步驟盡量用簡單詞匯、箭頭、示意圖、圖表來表示。此階段可使學生對實驗原理和實驗內容有比較清晰的了解，在準備實驗預習過程中學習如何獲得相關知識、如何分析問題的能力。

2.1.3對準備工作的檢查、討論

實驗前一周集中半天，首先每一組選一位學生根據預習報告匯報準備情況，主要是欲制備的產品和制備、純化的實驗方案，然后指導教師及其他學生進行提問。主要是一些實驗細節上的處理方法，如煤氣燈加熱的溫度控制、如何通過陳化使沉淀完全、如何使銅粉更完全地轉化等。每一組匯報完后進行討論，對比較差的實驗方案，只要原理正確、符合實驗室安全規范并且該組學生堅持，仍然可以實施，以便在實驗結束后再比較、討論，以明確原因。因為方案有多種，實驗室教師的工作量很大，對一些以前沒實施過的方案，教師需提前做一遍，以便及時發現問題，有效地指導實驗。

2.2實驗操作階段

2.2.1對原料的分析

為了體現實驗的差異性，準備了兩種不同成分的爛版液，分別標為A液和B液，讓學生自己分析。很多學生憑以前的實驗經驗從顏色判斷出A液是氯化銅的鹽酸溶液，B液是氯化鐵與氯化銅的混合溶液。分別取少量，加入一定量的堿來確定酸度，再加入鐵粉完全置換出銅，干燥后稱量以確定銅的含量。B液中的含鐵量可通過氧化還原滴定法分析，但要減去前面加入鐵的量。

2.2.2產品的制備

由于布置的題目是含銅化合物，學生選擇的種類不少，制備方法各不相同（圖1），但第一步中和強酸性爛版液和置換出單質銅是一致的。中和酸液，大多數學生首先想到的是用NaOH溶液，分別用片堿溶液和工業液堿；有些學生從成本出發，用價格較低的碳酸鈉；還有幾組學生，用價格更低的工業生石灰氧化鈣；有一組學生把撿來的石頭粉碎，與酸液反應。指導教師肯定了學生的多種不同方法，也指出了不同方法對后續產品純度的影響。對于如何改進提純、是否由于提純難度增加反而會提高產品成本這些問題，等做完實驗再計算總成本。含銅化合物的無機產品有硫酸銅、硝酸銅、磷酸銅、碘化亞銅等十余種，有機產品有乙酸銅、甘氨酸銅和葡萄糖酸銅等多種，有些學生認為其中的鐵也不能浪費，分別制備了氯化鐵和三草酸根合鐵（III）酸鉀等含鐵產品，有些用工業熟石灰或石頭粉中和酸液的學生，還制得了氯化鈣作為產品。

得到可溶性銅鹽后，再制備其他銅鹽和銅的有機產品。從圖1可看出，若經過鐵置換銅這一步，中和時可用低成本原料，雜質不帶入后續產品；若中和后直接加沉淀劑得到銅鹽沉淀，則氯離子很難洗盡，產品的檔次下降很多。

2.2.3產品的純化和檢驗

圖1　產品制備流程圖

由于產品有多種，純化、檢驗方法也不同，這里以大部分學生做的硫酸銅為例。硫酸銅的提純在第一學期的無機化學實驗中已做過，這次對產品的純度要求更高（產品達到深藍色），提純的收率要超過以往。學生在做實驗時，根據資料，蒸發到稍有晶膜即停止加熱，常溫放置一晚上，制備出深藍色、呈針狀的高純度硫酸銅，然后每組把剩下的4份母液合并，再蒸發濃縮、冷卻，制備出等級稍差的產品。產品和最后殘留液中的銅離子均采用碘量法和分光光度法分析兩次，讓學生體會到銅離子含量不同則分別用不同方法檢測的道理。然后分別測定其他雜質離子，與國家標準對照，確定產品等級。

2.2.4三廢的處理

對學生環保理念的教育要貫穿到每一次實驗中。綜合實驗時間長、實驗多、各種廢液不僅量大種類也多。我們要求學生在實驗設計時就要考慮到三廢的利用和處理。如硫酸銅蒸發后的廢液合并后再蒸發制備等級稍次的硫酸銅；鐵粉置換硫酸銅后的殘液制備氯化鐵等產品；對碘量法分析后的殘液，每組學生把殘液集中后再統一處理。

2.3實驗總結討論

實驗操作結束后的第二天，實驗正式報告還沒寫，召集學生集中討論、總結本次實驗的經驗和教訓。實驗結果不太理想的學生先談其結果不理想的原因，其他學生根據該實驗結果幫助他們尋找原因并討論，當學生歸結的原因不恰當或幾種可能的原因無法確定時，教師當場做演示實驗以驗證；實驗結果理想的學生也談一些實驗操作時的注意事項、實驗操作的訣竅等與大家分享。以此形式共同提高學生的實驗能力。

3　考核體系的建立

綜合實驗時間長，操作步驟多，所制備產品多且各組不盡相同，還要考慮經濟因素和環保因素，因此考核要考慮的因素很多。

準備工作是否認真、充分是本次訓練的重要考核指標，故預習報告占25%，實驗前一周討論時檢查預習報告，根據預習報告及后面的討論給出初步分數，在實驗前再檢查預習報告，有重大改進的再加上分數，有創造性想法的有附加分。實驗操作占20%，指導教師在實驗過程中不斷巡視，有操作不規范的每次扣1分，有大的操作失誤扣5分，對操作中符合規范又有創造性的加5分，以資鼓勵。產品質量、晶形及純度、綜合原料成本占35%，產品純度等級以國標為標準，低一個等級扣2分，綜合成本不超過零售價的為成本合格。廢液處理占10%，要求最后的廢水要達到國家排放標準，廢水量超過平均值的要按超過的百分比扣分，對于使用新方法使產生的廢液減少的有附加分。最后的實驗報告占10%，要求像寫論文一樣寫實驗報告，前面有中英文摘要、關鍵詞，實驗操作后重點是結果和討論，對自己小組使用的不同實驗裝置、不同操作方法（包括分析方法）及其他可變因素進行討論，最后得出最佳實驗設計和方法。最后參考文獻也像正式論文一樣列出。上述因素最后再綜合，得出綜合實驗成績（表1）。

4　實驗效果

該綜合實驗已進行了十多屆，每一屆的要求都根據前面的經驗不斷改進，特別是對“自主設計”的要求在不斷提高，到近三年趨向于完善。通過“自主設計”的訓練，學生對化學的興趣、化學素養及動手解決問題的能力都有顯著提高。

4.1有利于學生興趣的提高及創新能力的培養

綜合性實驗需要學生自己查閱文獻資料，設計實驗方案，實驗的整個過程中學生遇到的問題由自己來思考、解決，從而提高了學生分析問題、解決問題的能力，激發了學生學習的主動性和積極性。這不僅對后續的化學課程和實驗有明顯的幫助作用，對學生自己探究問題的能力、創新能力的培養也不無益處。僅筆者所帶學生，20多人參加了上海市大學生發明競賽和陳嘉庚青少年發明獎大賽，15人分別獲得二等獎和三等獎。

表1　綜合化學實驗A1分數分配

4.2訓練了學生的科研能力

綜合實驗在方法上模仿了正式的科研過程，其步驟很多與正式科研相似，經過這樣的訓練，學生科研能力普遍有所提高，這在他們四年級的畢業論文環節中體現明顯。論文的指導教師都說，與以往相比，經過綜合實驗訓練后，學生的論文前期準備工作更及時充分，開題報告更加符合標準，實驗工作有條不紊，畢業論文的書寫也很規范。

4.3鍛煉了學生分工協作的能力

本綜合實驗中，我們雖然把學生的“自主設計”能力作為培養重點，但團隊分工協作、善于與組員溝通也是“自主”能力的重要部分。實驗中我們把4個學生分為一組，不同實驗產生的不同廢水按處理方法不同分類，組員間協作處理不同廢水；實驗中每組所使用的不同單元操作種類數也是每組考核指標之一；所制備含銅化合物的種類除按每人考核外，也按組來考核，實驗成績為個人成績與小組成績加權后確定。通過這樣的訓練，學生間分工協作的能力普遍增強。

綜合化學實驗A1是一年級快結束時的第一次綜合化學實驗，隨著學習內容的增加，二年級、三年級均有包含更多內容的綜合化學實驗，由于注重“自主設計”能力的培養，學生綜合實驗的能力不斷增強。

［1］李力.化學工程與裝備，2011，No.4，35.

［2］張霞，劉曉霞，于永麗.實驗室研究與探索，2008，27（5），72.

［3］朱振中，劉俊康.中國科教創新導刊，2008，No.19，42.

［4］倪哲明，王力耕.實驗室研究與探索，2003，22（2），53.

Laboratory Practice of a Designed-by-Student Comprehensive Chemical Experiment

ZHOU Zu-Xin*WANGAi-MinHUANG Sha-HuaCHENG Li-PingXIAO Xiu-Zhen
（School of Chemical and Environmental Engineering，Shanghai Institute of Technology，Shanghai 200233，P.R.China）

s:The comprehensive chemical experiments are introduced.After summarizing the advantages and drawbacks in the operation，cost，and impact on the environment based on the literature reading，students can make chemical products with a variety of methods and experimental designs starting with the raw materials provided by teachers.In such a way，the ability to bring forth new ideas is enhanced.

Comprehensive chemical experiment；Designed by student；Bring forth new idea

O6；G64

10.3866/PKU.DXHX201601016

，Email:zhouzuxin@sit.edu.cn