定量分析類實驗的創新教學模式探索

徐建強,　陳　雯

(南京信息工程大學 環境科學與工程學院， 南京 210044)

0　引　言

本科教學不只是傳授知識，更要傳授獲取知識的方法和思想，培養學生的創新意識和科學品質，使學生具備潛在的發展能力和基礎[1]，這一理念可應用于理論與實驗課程的教學。

分析化學通常被稱為生產和科研的“眼睛”，而定量分析類實驗是分析化學實驗的重要組成部分，在社會經濟各部門具有廣泛的應用領域。定量分析實驗教學的任務是：使學生對分析化學基本理論加深理解，熟練準確地掌握定量分析的基本操作，培養學生嚴謹的科學態度，一絲不茍的工作作風，分析解決問題的能力，為他們參加生產和科學研究打好一定的基礎[2]。它不只限于實驗技能的培養，也不只限于運用分析化學的知識解決分析化學問題的能力，實驗課教學不僅是一個理論聯系實際的過程，更重要的是一個培養和挖掘學生手、眼、腦并用能力的綜合過程，培養學生進一步發展的能力[3-4]。

我院在實驗教學內容和實驗考核方法等方面進行了有益探索[5]，我校環境科學、應用化學、環境工程、給排水科學與工程、生態學等專業開設了大學化學、分析化學、儀器分析、水分析化學、環境監測等定量分析類實驗。實驗教學的開展無疑對學生理解有關學科的原理、掌握相關實驗技能具有非常重要的作用。然而在實驗教學中如何調動學生參與實驗教學的積極性，使學生在實驗教學中具有成就感和獲得感，從而激發學生實驗教學的興趣卻是擺在每一位實驗教學工作者面前迫切需要解決的一大問題。

為此，我校環境科學與工程學院化學系有關實驗教學小組針對定量分析類實驗的特點，經過長期實踐，在綜合考慮實驗教學的時間、經濟以及社會效益的基礎上，摸索出了一套行之有效的創新教學實踐模式。

1　精選實驗教學內容

1.1　實驗項目的選擇

當下定量分析類實驗教材琳瑯滿目，而縱觀這些教材，實驗項目大都多是面面俱到，篇幅越來越厚。與此相反，實驗教學學時往往非常有限。根據定量分析類實驗課程的自身特點和規律，選擇合適的實驗項目能起到事半功倍的作用。

僅以儀器分析實驗為例，儀器分析是一門應用廣泛的實踐性學科，課程的內容廣泛，知識點分散，并且較為抽象，晦澀難懂，很多學生反映該門課程較難理解，導致學生學習積極性不高[6-7]。目前一般儀器分析實驗方法主要包括光譜分析、色譜分析和電化學分析三大類，傳統的儀器分析實驗內容體系陳舊，落后于科學技術的發展，而用于實驗教學的儀器設備不利于學生在有限的學時內掌握儀器的使用方法[8-9]。

為此，根據我校實驗室的現有儀器設備條件，針對48學時的儀器分析實驗課程，選擇了如表1所示的實驗項目。

表1　儀器分析實驗課程實驗項目

表中紅外光譜儀通常用于有機化合物定性分析，但也可用于定量分析；元素分析儀不屬于色譜類分析儀器，但其分析原理與氣相色譜儀相類似。

在儀器分析實驗教學中，學生應從儀器的用途、結構以及定量分析的依據和方法三方面去學習。通過實驗指導老師的點撥，不僅使學生理解了三類儀器分析方法的基本原理，同時理解了儀器分析實驗的真諦。

表中各實驗項目所選用的實驗材料，除試劑外，大多實驗試樣均取自與生產或生活密切相關的物品，如工業廢水、天然降水、自來水、牛奶、飲料等，實驗項目與生產生活實際緊密結合可以極大地提高學生參與實驗教學的積極性。

1.2　實驗指導材料的編寫

由于實驗室所用的儀器設備常會因儀器類型、儀器型號、生產廠家等與實驗中所用的儀器設備不相同，并且更新速度快，目前多數實驗教材在實驗方法內容、所列設備和儀器等方面差別很大，且不同院校采用相同教材，導致教材的針對性欠佳[10-11]。

為了培養學生在實驗教學中的主體意識，使學生積極參與實驗教學活動過程。對于定量分析類實驗課程，從實驗預備知識到實驗項目編寫了獨具特色的實驗指導材料。預備知識部分重點介紹了課程設置的目的、學習方法、實驗項目概況以及相關的實驗技術。實驗項目部分重點介紹了實驗原理、方案，要求學生在理解實驗原理的基礎上看懂實驗方案，做到“會選擇儀器、會配制試劑、會進行計算”[12]。該實驗方案與傳統實驗教材不同，實驗內容都是以流程圖或表格的形式來呈現，可最大限度地避免學生“照方抓藥”式的完成實驗。

2　精心組織實驗教學

2.1　避免實驗誤區，提高實驗效率

初次見到與眾不同的實驗指導材料，許多學生覺得無所適從。這就要求實驗指導教師在實驗教學中精心組織教學，把實驗看成是一門技術傳授給學生。實驗指導教師要講清實驗原理，從時間效益、經濟效益和社會效益的角度去剖析實驗方案。例如，定量分析類實驗經常會涉及到試劑和試樣溶液的配制問題，如果理解了試劑和試樣的概念，正確掌握了溶液濃度的表示方法，正確理解了實驗原理和實驗目標要求，就能花最少的時間、花最少的經費，又好又快地完成相關的實驗準備工作。表2給出了定量分析類實驗的儀器組合情況。

表2　定量分析類實驗常用儀器的組合

表中分析天平是比較貴重的精密稱量儀器，而臺秤則是便宜的粗糙的稱量儀器；移液管/吸量管和容量瓶是精密的體積測量或體積控制儀器，而量筒、燒杯則是粗糙的體積測量或控制儀器。如果理解了實驗原理和實驗目標，就可以避免落入定量分析實驗“稱得越準越好”“量得越準越好”的實驗誤區，從而提高實驗效率。

2.2　減少環境污染，追求社會效益

在提高實驗效率的同時，實驗教學還需考慮社會效益問題。這里的社會效益指的是環境保護問題。定量分析類實驗不可避免地會接觸到各種各樣的化學試劑，在化學分析實驗設計和實施過程中存在著試劑、藥品、溶液使用量大，實驗后的廢液隨意傾倒和丟棄的現象[13]。實驗過程產生的廢棄物或多或少都會帶來環境問題。這就要求在選擇實驗項目時盡可能選擇耗用化學試劑少的、涉及有毒有害試劑少的、實驗廢棄物易處理的實驗項目組織實驗教學。實驗教學的組織過程也可以最大限度地減少環境問題。

化學需氧量是衡量廢水有機污染程度的一個重要指標，化學需氧量的測定是環境監測實驗中的一個經典實驗，目前國家標準采用的是重鉻酸鉀法(一種氧化還原滴定方法)，該方法涉及到毒性較大的重鉻酸鉀化學試劑，并且該實驗要在強酸性條件下進行實驗，產生的實驗廢液中有重金屬鉻和廢硫酸。如果按一個教學班40人計算，兩人一組進行實驗，初步估算要產生5 600 mL的廢液。為減少廢液的產生及減少實驗室廢液處理的壓力，對這一實驗的組織形式進行了改革，變原來兩人一組實驗為全班一組進行實驗。使實驗廢液由5 600 mL減少到280 mL。為了活躍實驗室的氣氛，增加學生對實驗過程的參與度，結合實驗方案另設計了一些實驗教學環節：① 回流實驗裝置的組裝比賽，從中選出兩套符合安裝規范的裝置進行實驗(其中一套進行水樣實驗，另一套進行空白試驗)。② 空白試驗與對照試驗的討論，明確這兩種試驗的方法與用途。③ COD計算公式的推導，明確COD的本義與實驗定義。④ 實驗過程所用試劑配制方法討論，使學生正確的確立定量分析實驗中“量”的概念。

3　精密合理布置，科學客觀考查實驗技能

實現課程目標，除了要靠教學內容來體現，靠教學方法和組織管理來落實外，積極有效考核評價體系的建立也是至關重要的[14]，實驗報告和實驗考核模式相對比較簡單，主觀性強，很難體現學生的真實水平[15]。實驗作為一門課程，如何考查學生的水平直接關系到學生參與實驗的積極性和實驗教學的效果。針對實驗課程的特殊性，主要從以下3個方面對學生的實驗技能作出全面評價。

(1) 從實驗原始數據看學生實驗基本功。定量分析實驗正確的分析結果是建立在規范的操作基礎之上的。滴定分析中移液管、滴定管、容量瓶的使用以及儀器分析中吸量管、容量瓶、大型儀器的使用直接影響到原始數據的準確度進而影響分析結果的準確度。在介紹了這些體積測量儀器、大型儀器的使用規范后，如何考察學生的掌握情況是實驗指導教師必須考慮的一大問題，這直接關系到學生走上未來工作崗位后的實驗基本功底。為此，針對不同的實驗設計了一些表格，用來收集學生實驗后的原始數據，并運用電腦對學生的原始數據進行處理，并將處理結果及時與學生進行分析討論。通過討論不僅使學生加深了對實驗原理的理解，同時找到了自身的不足，也對精密度、準確度、重現性、選擇性、靈敏度等定量分析實驗用語有了更加清晰的認識，從中獲得了實驗的成就感。通過不同學生實驗結果的比較也激發了學生參與實驗教學的積極性。

(2) 從實驗報告看學生實驗科學素養。實驗報告與學術論文有所不同，更不是實驗教材的翻版，學生只要在理解了實驗原理的基礎上就應該以簡明扼要的形式完成一份實驗報告，實驗報告應包括實驗目的、實驗原理、實驗內容(數據記錄與處理)、思考題等項目。其中數據記錄與處理、思考題是考察學生科學素養的重要依據。首先，作為科學實驗，數據記錄應以儀器的準確度為依據，數據處理包括有效數字的運算和作圖等內容，只有經過反復訓練才能改變學生記錄數據和處理數據隨心所欲的不良習慣；其次，好的思考題是實驗內容的延伸，能夠反映學生對實驗原理的理解和實驗技能的掌握情況。

(3) 從實驗書面考試看教師實驗教學效果。教學是教師與學生的互動過程，也是教師與學生一起成長的過程。實驗原始數據和實驗報告只能反映學生完成某個實驗項目的情況，不能反映學生全面的實驗技能掌握情況，更不能完整反映實際的教學效果。為此，針對定量分析類實驗，安排了實驗書面考試這一教學環節。所謂實驗書面考試，就是以筆試的形式完成一次實驗，要求學生在理解了實驗原理的基礎上，完成從準備實驗到實驗結果呈現這一整套過程，全程考察學生的實驗技能，其中設計了一系列的問題，包括試劑選擇、試劑準備、儀器選擇、數據處理與計算等實驗技能相關的問題。學生普遍認為，定量分析類實驗的考試過程是檢驗自己實驗技能的過程，是一個比較輕松的過程，是不必進行專門復習的一類考試，從中也看到了實驗教學的效果。

4　結　語

實驗教學具有兩方面的功能：① 通過實驗教學可以幫助學生理解有關學科的理論；② 通過實驗教學可以培養學生的實驗技能。其中實驗技能的培養至關重要，實驗技能的培養可以為學生將來從事相關行業的工作、從事相關領域的研究打下堅實的基礎。實驗是一門技術，實驗教學既是一門技術也是一門藝術，這是每位實驗教學指導教師都要潛心研究的課題。當看到學生視實驗課是一種享受的時候，當看到學生為滿意的實驗結果充滿成就感的時候，當看到學生不因實驗考試而愁眉苦臉的時候，實驗教學才是成功的。

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