大学化学, 2018, 33(10): 45-51 doi: 10.3866/PKU.DXHX201807003

教育专题

失之东隅收之桑榆——从“实验失败”中引导本科生的实验探究和创新能力

周华伟,1, 崔嘉文1, 乔燕玲1, 张宪玺1, 薛泽春1, 尹杰,2

We Lose in Hake, but Gain in Herring: From Failed Experiments to Exploration and Innovation for Undergraduates

ZHOU Huawei,1, CUI Jiawen1, QIAO Yanling1, ZHANG Xianxi1, XUE Zechun1, YIN Jie,2

通讯作者: 周华伟, Email: zhouhuawei@lcu.edu.cn尹杰, Email: yinjie@lcu.edu.cn

收稿日期: 2018-07-2  

基金资助: 聊城大学实验教学改革项目.  26322170106
聊城大学实验教学改革项目.  26322170212
聊城大学本科教学改革项目.  G201714

Received: 2018-07-2  

Fund supported: 聊城大学实验教学改革项目.  26322170106
聊城大学实验教学改革项目.  26322170212
聊城大学本科教学改革项目.  G201714

摘要

"实验失败"是学生实验的常客。实验指导教师如何正确处理实验失败并进行积极有效的引导,在本科生的探究、创新能力培养中有着不可忽视的作用。失之东隅收之桑榆,我们以两个本科生大学化学实验教学过程中的"实验失败"为例,展示了指导教师如何从失败的实验本身出发,引导、启发本科生从失败的实验中获得灵感,让实验在失败中得以拓展。让学生带着一颗满怀好奇的心,在"实验-失败-改进-再实验"的过程中,运用已知或查阅相关的知识、规律去发现问题、分析问题,以此来解决问题。整个实验课的教学效果得到显著提升,本科生不但能对实验结果的讨论和分析方面更加深入透彻,而且在科学研究素养和品质方面也得到有效训练。

关键词: 失败 ; 引导 ; 探究 ; 创新

Abstract

Failed experiments occur frequently in laboratory. How the laboratory teacher actively and effectively deal with the failed experiments and guide students plays an important role in the cultivation of undergraduates' creativity. If he loses on the swings, he may win on the roundabouts. We show how teacher guide and enlighten the undergraduate students to get the inspiration and learn from the failed experiments by two examples of Chemistry Laboratory of undergraduates. Let the students find problems with curiosity, analyze problems, and solve the problem in the "experiment-failure-improvement-experiment" process based on relevant knowledge and rules. The teaching and learning efficiency of laboratory class is significantly improved. Undergraduates not only have a profound discussion and analysis of experimental results, but also receive effective training in scientific research literacy and quality.

Keywords: Failed ; Guide ; Explore ; Innovate

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本文引用格式

周华伟, 崔嘉文, 乔燕玲, 张宪玺, 薛泽春, 尹杰. 失之东隅收之桑榆——从“实验失败”中引导本科生的实验探究和创新能力. 大学化学[J], 2018, 33(10): 45-51 doi:10.3866/PKU.DXHX201807003

ZHOU Huawei, CUI Jiawen, QIAO Yanling, ZHANG Xianxi, XUE Zechun, YIN Jie. We Lose in Hake, but Gain in Herring: From Failed Experiments to Exploration and Innovation for Undergraduates. University Chemistry[J], 2018, 33(10): 45-51 doi:10.3866/PKU.DXHX201807003

化学是一门以实验为基础的自然学科。在大学化学实验教学过程中,培养本科生的动手能力、思维能力、创新能力显得尤为重要[1]。在本科阶段所做的实验大多是根据实验教材进行的重复实验,教师先对实验原理、内容进行讲解,学生听过后,便根据实验教材所提供的实验步骤进行实验操作。而在实验课堂实施过程中,往往会出现学生所做实验结果与教材描述的实验结果或者现象不一致的情况,此时我们会称之为“实验失败”。“实验失败”是学生实验的常客。实验指导教师如何正确处理实验失败并进行积极有效的引导,在本科生的探究、创新能力的培养中有着不可忽视的作用。大多数教师经常性的做法是向学生说明情况,然后要求学生重做,直到实验成功为止。这样认真负责的态度固然值得提倡,但对学生来说却相当于囫囵吞枣,学生自身并不能真正掌握实验的本质和核心。其实失败的实验并非一无是处,不少著名的发现最初都是来自失败的实验,例如青霉素的发现,如果当年亚历山大∙弗莱明对于自己实验中的过失,简单地认为失败了,把长出了一团青绿色霉菌的培养皿草率处理掉,就不会有后面青霉素的发现了。在研究生阶段的科研实验中经常需要去重复一些文献中的实验,也会出现实验结果重复不出来,或者实验失败的情况。在日常的本科实验教学过程中,高校实验教师时常发现,即便是同一个实验,在不同学生手中总会出现各种各样的实验结果。有的学生与实验教材结果一致,有的学生与实验结果有差别,就简单地认为“实验失败”。此时若是直接要求实验失败的学生简单“重做实验”,学生们只懂得按部就班,不知探索,这在一定程度上抑制了学生的发散性思维。倘若实验指导教师有意从失败的实验出发,鼓励学生多思考、多提问,引导学生在失败实验的基础上加以改进或者发散思维,往往会收获一些独特的发现。如果我们能从失败的实验本身出发,将科学探究引入实验教学中,引导学生之间积极交流、思考讨论,拓宽学生的创造性思维,让学生带着一颗好奇的心,在“实验–失败–改进–再实验”的过程中运用已知的知识,或查阅相关的文献、书籍发现问题、分析问题,以此来解决问题,更好地掌握所学知识。失之东隅收之桑榆,实验指导教师如何从失败的实验中适时引导,启发本科生从失败的实验中获得灵感,让实验在失败中得以拓展,就显得尤为重要。

三草酸根合铁(Ⅲ)酸钾的性质实验是根据三草酸根合铁(Ⅲ)酸钾鲜亮的颜色、特殊的感光性质而设计的,是大学化学实验中非常有趣的一个实验[2-5]。非金属表面处理技术与我们生活的各个方面都息息相关。日常生活中所见到的一些纽扣、纪念章、汽车挡泥板、仪器仪表中的开关等都是采用非金属电镀技术,因此非金属表面处理技术在大学化学实验中也一直受到学生们的青睐[6]。本文以上述两个本科生在大学化学实验教学过程中的失败实验为例,展示了指导教师如何引导学生的失败实验,并培养学生的思维。整个课堂的实施成效显著,有效培养了学生在面对失败实验时的积极态度以提升探究和创新能力。

1 “实验–失败–引导–改进–再实验”的实验课堂实施

1.1 三草酸根合铁(Ⅲ)酸钾的感光性质

三草酸根合铁(Ⅲ)酸钾为亮绿色单斜晶体,学生通过缓慢结晶的方法获得了三草酸根合铁(Ⅲ)酸钾的大晶体(如图1所示),颜色确实是非常漂亮的亮绿色,通过实验加深了对理论知识的理解。三草酸根合铁(Ⅲ)酸钾易溶于水而难溶于乙醇、丙酮等有机溶剂。受热时,在110 ℃失去结晶水,到230 ℃即分解。该配合物为光敏物质,光照下易分解为草酸亚铁,而草酸亚铁又可以和六氰合铁(Ⅲ)酸钾反应生成普鲁士蓝,其反应方程式如式(1)、式(2)所示。

图1

图1   通过缓慢降温的方法生长的三草酸根合铁(Ⅲ)酸钾晶体

电子版为彩图


${\rm{2}}{{\rm{K}}_{\rm{3}}}{\rm{[Fe(}}{{\rm{C}}_{\rm{2}}}{{\rm{O}}_{\rm{4}}}{{\rm{)}}_{\rm{3}}}{\rm{]}}\mathop \to \limits^{hv} {\rm{2Fe}}{{\rm{C}}_{\rm{2}}}{{\rm{O}}_{\rm{4}}}{\rm{ + 2C}}{{\rm{O}}_{\rm{2}}}{\rm{ + 3}}{{\rm{K}}_{\rm{2}}}{{\rm{C}}_{\rm{2}}}{{\rm{O}}_{\rm{4}}}$

${\rm{3Fe}}{{\rm{C}}_{\rm{2}}}{{\rm{O}}_{\rm{4}}}{\rm{ + 2}}{{\rm{K}}_{\rm{3}}}{\rm{[Fe}}{\left( {{\rm{CN}}} \right)_{\rm{6}}}{\rm{] = F}}{{\rm{e}}_{\rm{3}}}{{\rm{[Fe}}{\left( {{\rm{CN}}} \right)_{\rm{6}}}{\rm{]}}_{\rm{2}}} \downarrow + {\rm{3}}{{\rm{K}}_{\rm{2}}}{{\rm{C}}_{\rm{2}}}{{\rm{O}}_{\rm{4}}}$

然而在三草酸根合铁(Ⅲ)酸钾的性质实验中,感光性质和感光纸实验却以失败告终。首先是三草酸根合铁(Ⅲ)酸钾的感光性质实验,按照教材中的操作步骤,取少量三草酸根合铁(Ⅲ)酸钾的固体(如图2a所示),在太阳光或者太阳光模拟器下照射,其并没有发生像教材上所描述的变成黄色的FeC2O4 (如图2b所示)。另外在制备感光纸这一环节中(如图3a所示),避光取下图纸(如图3b所示),立即用清水冲洗后,滤纸上覆盖的蓝色大部分被冲洗掉,只留下很少部分的浅蓝色,教材中所描述的“蓝底白图”现象并不明显,着色效果不好(如图3c所示)。此时教师并没有直接向学生说明情况,而是引导该名学生思考探究,是何种原因造成的实验结果又该如何改进呢?要求学生利用手机互联网自行查询、搜集资料,对实验进行改进设计。

图2

图2   感光性质的改进实验

(a)三草酸根合铁(Ⅲ)酸钾固体颗粒光照前;(b)固体颗粒光照后;(c)三草酸根合铁(Ⅲ)酸钾溶液光照前;(d)溶液光照后电子版为彩图


图3

图3   改进的感光纸实验

(a)防毛细作用剪去四角的滤纸;(b)一定形状的涂黑的遮盖图纸;(c)用去离子水浸润涂有三草酸根合铁酸钾与六氰合铁酸钾混合液的滤纸在日光下照射2 min的效果;(d)用硫酸铝浸润涂有三草酸根合铁酸钾与六氰合铁酸钾混合液的滤纸在日光下照射2 min的效果


学生通过查阅互联网资料并和实验教师相互讨论认为,三草酸根合铁(Ⅲ)酸钾的固体感光实验中颜色变化不明显的原因可能是固体颗粒体积较大,内部的分子无法接受到光的照射,因此变化不明显。另外学生查阅资料后得知,普鲁士蓝是一种古老的蓝色染料,染料和媒染剂的结合,会使染色后的物质不易掉色。而主要的媒染剂有重铬酸盐、铝盐、硫酸铝钾、钴盐、铜盐等物质,学生还考虑到重铬酸盐、钴盐、铜盐的颜色可能会对实验造成影响,所以选择铝盐、硫酸铝钾作为实验试剂,最终确定实验试剂为硫酸铝,通过比较最后滤纸的着色程度来讨论实验的可行性。这时候实验教师充分鼓励学生的主动探索精神和实验的大胆改进,尽信书,不如无书。学生的改进实验步骤如下。

1.1.1 学生改进的三草酸根合铁(Ⅲ)酸钾的感光性质实验

取0.1 g样品放入点滴板中,一份直接加固体(对照组,如图2a所示),另一份加2 mL水溶解使大体积的固体颗粒变成小分子(改进组,如图2c所示)。分别将其放在日光下观察颜色变化,实验结果如图2b2d所示。

1.1.2 改进的感光纸实验

首先准备几片滤纸(如图3a)和遮盖图纸(如图3b),为避免毛细作用的影响,将滤纸的四角剪去。准确称取0.3 g三草酸根合铁(Ⅲ)酸钾、0.4 g六氰合铁(Ⅲ)酸钾和0.5 g硫酸铝。将三草酸根合铁(Ⅲ)酸钾、六氰合铁(Ⅲ)酸钾混合后加入5 mL去离子水溶解。同样量取5 mL去离子水溶解硫酸铝。由于三草酸根合铁(Ⅲ)酸钾为光敏物质,光照下易分解为草酸亚铁,为避免过早分解,注意将混合后的溶液避光放置。

然后,取两张滤纸作为第一组实验。为保证唯一变量,一张滤纸先用去离子水润湿,再用玻璃棒蘸取混合液涂满滤纸;另一张滤纸先用硫酸铝溶液润湿,再用玻璃棒蘸取混合液涂满滤纸。在避光处将黑色图纸覆盖在滤纸上,在日光下照射2 min,然后避光取下图纸,颜色出现明显差异(如图3c3d)。从上述图中,可以明显看出,添加了硫酸铝溶液的滤纸着色效果比未添加硫酸铝溶液的滤纸着色效果要好得多。我们在原有的实验操作基础上仅仅添加了一个实验条件并且规定了日照时间,结果竟出现如此差异,这引起了学生的极大兴趣,促使学生去思考、去探索。接下来教师引导学生自己逐步分析总结原因:为什么加了硫酸铝之后着色效果会变好?在其中硫酸铝起着什么样的作用呢?……一系列问题的提出,为学生指明研究的方向。

1.2 非金属表面的处理

再来看下面的一个类似的教学案例:非金属表面的处理。

该实验的主要原理如下:(1)塑料电镀是一种非金属电镀,即采用特征工艺在塑料表面获得金属层,使塑料兼具塑料及金属双重优点的一种电镀法。(2)塑料电镀前要进行化学镀处理,化学镀前塑料要依次经过脱脂、粗化、敏化、活化、还原五个步骤。(3)塑料电镀过程:(a)塑料化学镀处理:塑料镀件,先脱脂,除表面油污(除干净,切记);粗化,增大表面积;敏化,吸附还原性Sn2+,使Ag+充分还原成Ag,化学镀铜,20–30 min表面镀上一层铜,冲洗晾干备用。(b)电镀处理(镀锌):化学镀处理镀件做阴极,锌片做阳极,连接直流电源,电流密度15–20 mA∙cm-2,形成镀层。经一系列的实验步骤处理后,塑料应呈浅灰色,表面较平整,无明显凹凸处(如图4)。

图4

图4   非金属表面处理的照片(常规)

(a)经过还原步骤之后的塑料;(b)化学镀铜之后;(c)电镀锌之后


而几名学生的实验结果却是在塑料局部表面没有电镀上金属。在实验教师的引导下学生仔细挖掘失败的原因,学生经过反复观察发现,没有电镀上的区域内有一些清晰的指纹,这一有意思的现象不仅引起了教师的注意,也引起了学生的好奇。询问过后得知,学生在取放塑料的过程中,直接用手接触到了塑料表面。由于手的皮肤表面有油脂,进而沾染到塑料表面,导致后续有部分区域没有电镀上金属。尽管学生的实验操作有误,但我们是否可以利用“意外失败”将其转化为显示手指印的一种方法?教师这一思路的引导继而使学生提出了自己心中的疑问:是在哪一过程中将指印覆在了塑料表面呢?这时,教师鼓励学生设计实验,亲自动手做一番,学生在好奇心的驱使下,设计了如下实验:

将塑料做上记号(如图5),标记均匀的六份,记为1–6。在每一步骤待塑料晾干后用同一个手指在1–6塑料处按一次,共按六次。在脱脂处理后用手指在1标记处按一下,粗化处理后在2标记处按一下,敏化处理后在3标记处按一下,活化处理后在4标记处按一下,还原处理后在5标记处按一下。浸入化学镀铜液后用手指再在6标记处按一下。此时实验结果如图5所示。从图5中的实验结果可以看出,部分学生实验“失败”的原因的确是学生直接用手接触到了塑料表面,而导致后续有部分区域没有电镀上金属。

图5

图5   “非金属表面处理失败”转化为“提取指纹”效果图

(a)脱脂步骤之后;(b)化学镀铜步骤之后;(c)电镀锌步骤之后


2 “本科生探究、创新能力及思维深度”的提升效果评价

对“实验–失败–引导–改进–再实验”实验课堂实施效果的有效评价方式之一就是本科生的探究、创新能力及思维深度得到有效提升。

“实验–失败–引导–改进–再实验”实验课堂实施之后,本科生的能力在以下两个方面得到了提升:第一,学生对实验结果的讨论和分析方面更加深入透彻,而不是只限于表面和课本。在三草酸根合铁酸钾的性质测定实验中,硫酸铝浸润过的滤纸与去离子水浸润的滤纸涂抹三草酸根合铁酸钾与六氰合铁酸钾混合液之后,在太阳光下照射2 min,漂洗之后出现了明显的差异,添加硫酸铝溶液的感光纸着色效果更胜一筹。最后学生通过查阅资料并结合自己的想法得出结论:在日常生活中,生产彩色纸用到的染料通常有酸性染料、碱性染料、直接染料和活性染料等。但是这几种染料的使用都存在一定的问题,例如酸性染料和直接染料其结构中含有亲水性的磺酸基,所以湿处理牢度不高且容易褪色;碱性染料的耐光色牢度和耐洗色牢度较差;活性染料虽然能与纤维靠共价键结合,但当有染料水解或对未结合的染料进行皂洗时,湿处理牢度也会下降。因此,染色时选用合适的固色剂对于提高色纸的色牢度是非常有必要的。在改进的实验中,选择硫酸铝作为固色剂加入溶液中,一方面可以调节溶液的pH,另一方面起到了媒染剂的作用,减少染料脱落,固色效果明显。另外硫酸铝所带的铝离子会与染料中的阴离子直接发生离子键合和范德华力结合,产生沉淀,沉淀在纤维表面起到固色的作用。

在非金属表面的处理实验中,每一步骤后按下指纹对最后的结果都有一定的影响。脱脂、粗化和活化步骤之后摁指纹,会导致无法进行化学镀铜进而也无法电镀上锌。这主要是因为活化之后摁指纹,指纹上面的油脂覆盖在催化剂Ag上,使得其催化铜盐变为铜单质的过程受到抑制。化学镀铜步骤之后摁指纹然后再电镀锌,就可以很清晰地显示指纹。由此学生又联想到若是再进一步地对实验进行探究,在生活、科技方面,是否我们可以通过此项技术检测到非金属表面或者金属表面上检查人的指纹来查出某些疾病呢?尽管这些问题只是一些灵感,但通过创新性的改进实验和指导教师的合理引导与建议,助推了学生对问题的进一步独立思考,发散了学生的思维。

第二,科学研究的素养和品质得到有效训练、拓展和提升。

上述两个案例的实验结果都很是令人欣喜,学生切实从上述几个案例中明白,积极地面对失败实验,在挫折面前不骄不躁,从失败的实验中获得启发,认真思考探索、发散思维,提出自己的想法并切实付诸实验,通过实验对猜想进行验证,提高了处理困难、难题的能力。改进实验来源于教材却又不拘泥于教材,以教材为本,以创新、发散思维为阶梯,让实验在失败中得以有效拓展。

3 结语

实验的成功固然重要,但实验失败也不要气馁。习近平总书记在两院院士大会中提到:创新从来都是九死一生,但我们必须要有“亦余心之所善兮,虽九死其犹未悔”的豪情。失败后潜下心来认真思考,与同学进行交流,与老师进行讨论,通过查找文献、阅读主流杂志等方式,耐心总结问题,设计实验,不断改进,寻找答案。教师可督促学生在日常生活中有意识地培养广泛的兴趣,提升创新的能力。我们要矢志不渝地进行自主创新,坚定创新信念,着力增强自主创新能力。只有创新型思维,才能让实验探究在通往未来的道路上行稳致远。在以后的教学中,教师应着重培养学生的创新型思维,变失为得,在失败中学习。不仅仅是上述两个实验,任何其他实验都存在失败的可能性,关键是如何能让学生从失败中突破自我,从被动接受转变为主动学习,形成创新型的思维、个性化的学习方式。

参考文献

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