谈基础化学实验教学改革观念

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1、第 25卷 第 1期 大 学 化 学 2010年 2月谈 基 础 化 学 实 验 教 学 改 革 观 念庄 京 3 彭 卿 王 训(清 华 大 学 化 学 系 北 京 100084)摘 要 教 育 改 革 成 功 的 关 键 是 改 革 者 教 育 观 念 的 改 革 ,基 础 化 学 实 验 教 学 的 改 革 应 首 先 从 教师 的 教 育 观 念 和 教 学 方 式 的 改 变 入 手 。 明 确 基 础 化 学 实 验 教 育 的 目 的 是 为 创 新 打 好 坚 实 的 实 验素 质 基 础 ,在 实 验 过 程 中 于 细 节 处 渗 透 知 识 点 、 培 养 问 题 意 识

2、 ,同 时 应 提 高 教 师 自 身 的 科 研 素 质 。化 学 是 一 门 以 实 验 为 基 础 的 科 学 ,化 学 中 很 多 新 领 域 的 发 展 源 于 实 验 过 程 中 新 现 象 的 发现 与 捕 捉 ,现 有 的 化 学 理 论 与 规 律 大 部 分 也 都 是 从 实 验 中 总 结 出 来 的 124 。 如 惰 性 气 体 的 发 现最 初 始 于 Cavendish与 Rayleigh实 验 过 程 中 残 存 的 微 小 气 泡 与 不 同 氮 源 氮 气 毫 克 级 的 质 量 差别 ;碳 富 勒 烯 则 是 Kroto等 人 研 究 星 际 空 间 冷

3、 暗 云 中 富 含 碳 的 星 辰 实 验 过 程 中 的 一 个 意 外 发现 。 正 是 由 于 化 学 家 们 艰 苦 不 懈 的 努 力 ,在 实 验 过 程 中 善 于 对 各 种 新 的 实 验 现 象 进 行 总 结 、 提炼 、 抽 象 而 后 规 律 化 ,才 有 了 化 学 科 学 的 诞 生 与 发 展 。培 养 具 有 创 新 意 识 和 创 新 能 力 的 高 素 质 人 才 是 高 等 教 育 改 革 的 主 题 ,而 教 育 改 革 成 功 的关 键 是 教 育 观 念 的 改 革 。 从 事 基 础 化 学 实 验 教 学 的 教 师 如 何 使 自 己 的

4、教 育 观 念 适 应 当 今 高 等教 育 形 势 的 发 展 和 要 求 ,是 值 得 我 们 深 思 和 探 讨 的 一 个 问 题 。目 前 的 实 验 教 学 并 未 充 分 发 挥 出 其 应 有 的 作 用 ,以 无 机 及 分 析 化 学 实 验 课 为 例 ,实 验 课 程中 存 在 的 主 要 问 题 是 : 目 前 普 遍 使 用 的 实 验 教 材 的 教 学 内 容 以 验 证 性 实 验 为 主 ,主 要 围 绕学 生 课 堂 所 学 知 识 展 开 ,缺 乏 对 实 验 背 景 知 识 及 相 关 领 域 进 展 的 介 绍 ; 在 无 机 化 学 实 验 中 ,

5、学 生 把 全 部 精 力 都 放 在 对 已 有 理 论 结 果 的 验 证 以 及 方 程 式 的 书 写 上 ,而 忽 略 了 实 验 过 程 中 现象 的 观 察 ; 在 定 量 化 学 分 析 实 验 中 ,学 生 的 基 本 操 作 不 规 范 ,尚 缺 良 好 的 科 学 素 养 。 这 些 对学 生 创 新 能 力 的 培 养 是 不 利 的 ,想 要 解 决 这 些 问 题 ,首 先 应 该 从 改 革 教 师 的 教 育 观 念 和 明 确 基础 实 验 教 学 的 作 用 入 手 。1 明 确 目 标 为 创 新 打 好 坚 实 的 实 验 素 质 平 台对 基 础 实

6、验 教 学 进 行 改 革 的 前 提 是 要 明 确 基 础 实 验 教 学 在 创 新 教 育 中 所 起 的 作 用 和 承 担的 角 色 ,并 在 教 学 中 融 会 贯 通 ,让 学 生 明 确 实 验 教 学 的 作 用 ,让 大 学 低 年 级 的 学 生 体 会 到 “ 创新 ” 并 不 是 一 个 空 泛 和 遥 不 可 及 的 词 语 。基 础 化 学 实 验 教 学 的 目 的 是 使 学 生 在 教 师 的 指 导 下 训 练 基 本 操 作 技 能 、 掌 握 经 典 化 学 知识 ;同 时 ,使 学 生 不 仅 可 以 对 化 学 产 生 基 本 的 感 性 认 识

7、 ,更 重 要 的 是 通 过 对 各 种 实 验 现 象 的 观察 ,培 养 学 生 对 问 题 的 敏 感 性 ,激 发 其 求 知 欲 以 及 锻 炼 其 总 结 归 纳 的 能 力 ,培 养 创 新 意 识 和 良好 的 思 维 习 惯 ,为 创 新 能 力 的 获 得 打 好 基 础 ,使 其 具 备 基 本 的 科 学 素 养 。 实 验 能 够 大 大 提 高 学31生 的 动 手 能 力 ,实 验 中 的 操 作 、 数 据 记 录 、 误 差 分 析 等 环 节 能 很 好 地 起 到 培 养 学 生 严 谨 的 科 学态 度 和 实 事 求 是 、 一 丝 不 苟 的 科

8、学 作 风 以 及 独 立 分 析 、 解 决 问 题 的 能 力 的 作 用 。 因 此 ,我 们 认为 系 统 、 扎 实 的 训 练 及 实 验 技 能 和 科 研 素 质 的 培 养 应 该 是 基 础 实 验 教 学 的 重 中 之 重 。如 果 面 向 大 学 低 年 级 学 生 开 设 的 基 础 化 学 实 验 只 停 留 在 通 过 开 设 新 的 、 有 趣 的 实 验 来 引起 学 生 兴 趣 是 片 面 的 ,应 该 把 精 力 更 多 地 投 注 在 教 师 教 学 观 念 以 及 教 学 方 式 的 改 革 上 。2 细 节 中 渗 透 知 识 点 培 养 问 题

9、意 识近 代 英 国 科 学 哲 学 家 波 普 尔 说 :“ 科 学 只 能 从 问 题 开 始 ” ,“ 科 学 知 识 的 增 长 永 远 始 于 问题 ,终 于 问 题 越 来 越 深 化 的 问 题 、 越 来 越 能 触 发 新 问 题 的 问 题 ” 。 作 为 任 课 教 师 ,如 何 利用 实 验 课 堂 来 培 养 学 生 的 问 题 意 识 ,并 以 此 激 发 学 生 的 求 知 欲 望 ,最 终 使 他 们 获 得 解 决 问 题 的能 力 ,这 是 一 个 值 得 研 究 的 课 题 。以 无 机 元 素 化 学 实 验 为 例 ,学 生 都 做 过 KMnO4在

10、不 同 pH条 件 下 参 与 反 应 生 成 产 物 各 不相 同 的 实 验 酸 性 时 生 成 Mn2 + ,中 性 时 生 成 MnO2 ,碱 性 时 生 成 MnO2 -4 。 如 果 学 生 在 实 验 操作 中 不 注 意 药 品 加 入 的 次 序 ,将 反 应 物 混 合 后 才 调 节 体 系 的 pH,则 只 能 得 到 MnO2一 种 产 物 。这 不 仅 仅 是 一 个 药 品 加 入 次 序 的 问 题 ,更 涉 及 到 热 力 学 稳 定 与 动 力 学 可 能 性 。 因 此 ,在 实 验 过程 中 可 以 给 学 生 提 出 一 个 具 有 启 发 性 的 问

11、 题 :如 果 将 反 应 物 KMnO4与 Na2 SO3先 混 合 再 调 节pH,充 分 放 置 陈 化 ,最 终 的 反 应 产 物 会 是 什 么 ? 像 这 类 例 子 在 无 机 实 验 中 还 有 很 多 ,都 是 培 养学 生 细 致 观 察 和 发 现 问 题 的 好 机 会 。再 比 如 ,为 了 书 写 方 便 , 我 们 将 Sn4 +与 OH - 的 反 应 物 写 成 Sn (OH ) 4 ,但 实 际 上 4价 锡 的氢 氧 化 物 结 构 非 常 复 杂 ,一 般 认 为 新 制 备 的 为 2锡 酸 H2 SnO3 ,长 时 间 放 置 则 转 化 为 2锡

12、 酸 ,二者 存 在 结 晶 性 的 差 异 ,性 质 也 有 很 明 显 的 区 别 。 如 2锡 酸 具 有 两 性 ,在 Sn ( )氢 氧 化 物 酸 碱性 质 实 验 过 程 中 ,若 Sn ( )溶 液 为 新 配 制 ,则 得 到 的 Sn ( )氢 氧 化 物 沉 淀 显 示 两 性 ,因 此 学生 很 容 易 得 出 结 论 : Sn ( )的 氢 氧 化 物 具 有 两 性 。 但 实 验 过 程 中 往 往 并 非 如 此 ,如 果 Sn ( )溶 液 经 过 长 时 间 放 置 ,即 使 是 新 鲜 制 备 的 Sn ( )氢 氧 化 物 也 不 会 呈 现 两 性 ,

13、溶 于 酸 但 不 溶 于碱 ,大 部 分 学 生 会 对 此 感 到 疑 惑 :明 明 是 新 鲜 制 备 的 2锡 酸 ,为 什 么 仍 然 不 溶 ? 这 要 从 微 观 角度 去 分 析 ,同 样 是 澄 清 的 Sn ( )溶 液 ,从 宏 观 上 看 不 出 区 别 ,但 由 于 Sn ( )容 易 水 解 ,会 生 成很 多 非 常 细 小 的 晶 核 ,对 于 长 时 间 放 置 的 Sn ( )溶 液 ,这 些 晶 核 实 际 上 已 经 转 换 为 2锡 酸 ,并在 实 验 过 程 中 起 诱 导 晶 体 生 长 的 作 用 ,因 而 大 量 生 成 2锡 酸 ,而 不 是

14、 2锡 酸 。 经 过 上 述 引 导 ,学 生 对 晶 体 生 长 的 微 观 机 制 、 纳 米 化 学 等 问 题 产 生 了 浓 厚 的 兴 趣 。 更 应 该 指 出 的 是 ,人 们 对 物质 的 认 识 是 永 无 止 境 的 ,如 至 今 仍 未 制 得 纯 的 2锡 酸 ,其 精 确 结 构 的 描 述 仍 有 待 科 学 技 术 手段 的 进 步 。与 Sn ( )的 氢 氧 化 物 类 似 , Fe的 氢 氧 化 物 常 被 写 作 Fe (OH ) 3 ,但 实 际 上 Fe的 氢 氧 化 物和 A l(OH) 3等 3价 金 属 氢 氧 化 物 不 同 , Fe (O

15、H) 3并 不 存 在 ,迄 今 也 不 为 人 所 知 ,更 精 确 的 描 述应 为 FeOOH,而 且 FeOOH又 可 分 为 2FeOOH、 2FeOOH及 2FeOOH。 Fe3 +在 不 同 pH范 围 内的 水 解 反 应 非 常 复 杂 ,也 可 以 生 成 2Fe2 O3 ,并 非 一 成 不 变 的 FeOOH。 J P Jolivet等 人 研 究 发现 5 ,在 接 近 中 性 时 , Fe3 +一 般 水 解 得 到 2Fe2 O3 ,在 酸 性 、 碱 性 条 件 下 易 得 到 2FeOOH。 不 同种 类 氢 氧 化 物 的 生 成 与 体 系 中 的 离 子

16、 强 度 也 有 密 切 关 系 :如 在 较 高 温 度 Fe ( )水 解 生 成 2Fe2 O3的 过 程 中 ,在 较 低 氯 离 子 条 件 下 , Fe ( )经 由 62line ferrihydrite水 解 生 成 2Fe2 O3 ;而 在高 氯 离 子 条 件 下 ,则 经 过 介 稳 态 的 2FeOOH,然 后 生 成 2Fe2 O3。 这 些 看 似 普 通 的 问 题 背 后 蕴41藏 着 丰 富 的 知 识 ,一 定 程 度 上 的 引 导 可 以 让 学 生 认 识 到 即 使 是 经 典 的 元 素 化 学 部 分 也 还 有 广阔 的 未 知 领 域 等 待 大 家 去 探 索 ,可 以 此 激 发 学 生 的 求 知 欲 望 。 此 外 ,我 们 还 将 一 些 科 研 工 作 中常 用 、 但 基 础 教 学 基 本 不 涉 及 的 知