大学化学, 2020, 35(9): 53-57 doi: 10.3866/PKU.DXHX202003091

教学研究与改革

基于逻辑思维主线的分析化学教学设计与实践

陈怀侠,, 党雪平, 葛伊莉, 黄建林

Teaching Designation and Practice of Analytical Chemistry Based on Logical Thinking Line

Chen Huaixia,, Dang Xueping, Ge Yili, Huang Jianlin

通讯作者: 陈怀侠,Email: hxch@hubu.edu.cn

收稿日期: 2020-03-25   接受日期: 2020-04-24  

基金资助: 湖北大学分析化学系列课程教学团队建设项目

Received: 2020-03-25   Accepted: 2020-04-24  

摘要

阐述了逻辑思维在分析化学课程教学中的重要性,展示了分析化学知识内容内在的逻辑关系,并据此进行了分析化学课程主要内容的教学设计。在教学实践中,深入思考和有效运用章节内部和章节之间层层递进的逻辑关系,注重梳理知识点主线,起到事半功倍的效果,有效降低教学难度,提高学生的学习兴趣和教学效果。同时,也可以培养学生严谨的逻辑思维能力和科研创新意识。

关键词: 逻辑思维 ; 分析化学 ; 教学设计 ; 教学实践

Abstract

This paper expounds the importance of logical thinking in the teaching of analytical chemistry and shows the internal logical relationship of the knowledge of analytical chemistry. Based on the logical relationship, the teaching design of the main content of analytical chemistry is carried out. In teaching practice, twice as much can be accomplished with half the effort with deep thinking and effective use of the progressive logical relationship inside and between chapters, and focusing on combing the main line of knowledge points. Then, the teaching difficulty can be effectively reduced and the students' learning interest and the teaching effect can be improved. At the same time, the rigorous logical thinking ability and scientific research innovation consciousness of the students can be trained.

Keywords: Logical thinking ; Analytical chemistry ; Teaching designation ; Teaching practice

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陈怀侠, 党雪平, 葛伊莉, 黄建林. 基于逻辑思维主线的分析化学教学设计与实践. 大学化学[J], 2020, 35(9): 53-57 doi:10.3866/PKU.DXHX202003091

Chen Huaixia. Teaching Designation and Practice of Analytical Chemistry Based on Logical Thinking Line. University Chemistry[J], 2020, 35(9): 53-57 doi:10.3866/PKU.DXHX202003091

作为化学及其相关专业的一门基础课程[1],分析化学的知识体系具有严谨的逻辑关系,熟悉和深刻理解这种层层递进的逻辑关系,并据此进行教学设计[2],以PPT课件和语言表达形式融入到课堂教学中,有助于降低分析化学课程的教学难度,提高教学效果,也有助于培养学生的逻辑思维能力,提高从事分析化学科研的动脑能力和创新意识[3]

分析化学本身是基于不同分析原理的方法学和信息学,方法五花八门,信息量繁多,所以,从表面上看,该课程内容十分繁杂。特别是越来越多的高校逐步开展了MOOC (massive open online course)、SPOC (small private online course)以及线上线下混合式教学模式[4-7],教师的面授时间和师生的直接交流机会减少,面对教材和视频,初学者通常会觉得知识杂乱、内容松散,难以深化知识和获得分析化学解决问题的策略思想和方法。因此,初学者往往会有“分析化学就是一种分析测试工具”“分析化学只是一种定量检测的技术”等粗浅认识。所以,立足微观知识内容,展示宏观逻辑主线,传授思考问题和解决问题的学科思想,对提高分析化学教学效果十分重要。

按照分析方法原理的不同,分析化学分为化学分析和仪器分析。化学分析属于分析化学学科的基础知识,通常在大一下学期开设。该课程是学生认识分析化学学科、培养学生的分析化学学习兴趣和构建分析化学学科思想的关键课程。在总结二十多年的教学经验基础上,本文介绍本教学团队基于逻辑思维为主线的化学分析课程的教学设计与实践,旨在为同行及青年教师的教学提供参考。

1 逻辑思维在分析化学教学中的重要性

化学分析的内容主要有酸碱滴定法、配位滴定法、氧化还原滴定法和沉淀滴定法组成的滴定分析法,以及重量分析法。除此之外,中文版的化学分析教材一般都会包括“吸光光度法”或称为“分光光度法”的内容,再加上基础知识部分的“分析化学中的误差与数据处理”和拓展内容“分析化学中常用的分离和富集方法”。该课程中的分析化学学科的基本概念、分析问题和解决问题的思路和方法都是后续仪器分析课程学习的基础,所以,该课程教师的教学水平直接影响着学生后续仪器分析课程的学习兴趣和学习能力,也会影响对应的实验课程的学习效果。深入思考和掌握该课程内容的逻辑关系,并应用于课堂教学中,帮助学生梳理知识点的递进关系,对于提高该课程的教学效果十分重要。

作为专业基础课程,分析化学学科本身就具有十分严谨的逻辑关系,包括方法的产生、基本原理和方法的应用等[8]。在第一堂课上,对照教材目录,需要向学生介绍教材中分析化学的内容主线,即课程内容的总体逻辑关系。在概述中,介绍分析化学在化学乃至自然科学中的地位和作用,引导学生了解分析化学,走入分析化学,提高学习分析化学的兴趣。强调分析化学中的误差和数据处理的基本概念和基本知识,为实验课程和后续相关课程的学习奠定基础。该课程的中心内容也是重点内容,即四大滴定法,占据化学分析课程内容和授课课时的60%左右。吸光光度法属于仪器分析方法,该章内容一方面是配位平衡理论的延伸,更重要的是通过该方法的学习,可以及时进行化学分析和仪器分析两类方法的对比,从而直观理解化学分析和仪器分析的异同点,引导学生对仪器分析课程的学习兴趣和学习愿望。

2 基于逻辑思维教学的分析化学教学设计

化学分析课程通常开设于大一的下学期,大部分的学生刚刚熟悉大学生活,自主学习的能力不是很强,授课教师语言的逻辑性讲解非常重要。因此,引导学生微观学习知识点,宏观串联章节内部和章节之间知识点的逻辑递进关系,突出关键的知识点,教学效果就会事半功倍。

下面就化学分析中的分析化学中的误差与数据处理、酸碱滴定法、配位滴定法、氧化还原滴定法和吸光光度法这五章的内容进行逻辑关系的梳理和教学设计。

“分析化学中的误差与数据处理”知识点的逻辑关系见图1。本章以随机误差的客观存在下如何正确表示分析结果这一核心问题展开,从准确度和精密度、误差和偏差、分析化学中的有效数字等概念开始,寻找以平均值的置信区间表达分析结果的方法。之后,再进行显著性检验以判断系统误差是否存在,以及进行实验数据的可疑值取舍。所以,本章教学只需要围绕着这个核心问题,把误差、偏差、有效数字、平均值置信区间、显著性检验和可疑值取舍等知识点进行串联讲解,时刻围绕着本章的核心知识点进行知识的梳理,让学生心中有数,思路清晰,有效提高学习效率。

图1

图1   分析化学中的误差与数据处理知识点的逻辑关系


酸碱滴定法是分析化学课程中的第一种方法,在这一章的教学中,正确引导学生建立分析化学学科思想和处理问题的策略方法非常重要。如图2所示,酸碱滴定法内容分为酸碱平衡、滴定原理和应用三个层层递进的模块内容,学习酸碱平衡中的pH计算方法这一核心知识点,就是为了研究酸碱滴定过程中的酸度变化规律,即计算突跃范围,寻找指示剂。最后,还是为了学会设计未知酸碱溶液的酸碱滴定法测定的实验方案,实现该方法的分析应用。这种层层递进的逻辑关系是从回顾酸碱质子理论开始,复习酸碱物质酸碱性强弱及其表示方法,目的是引导出酸式或碱式离解常数的表达式。而引入分布系数的概念,目的是以分布系数表达酸碱离解平衡中某一型体的平衡浓度。分布系数的图示就是分布曲线,目的是让学生形象理解指示剂的变色原理、变色范围和缓冲溶液的缓冲范围的概念。复习物料平衡等衡式MBE和电荷平衡等衡式CBE,以理解和学习质子平衡等衡式PBE。以PBE为等式基础,结合分布系数推导各类酸碱溶液的pH计算公式,这是本章最基础、最重要的知识点,也是本章的难点。学会了酸碱溶液中pH的计算方法,就会计算和处理滴定过程中酸度的变化过程,获得滴定突跃范围,据此选择指示剂,这是处理滴定过程酸度变化规律的最终目的。直接滴定法、返滴定法、置换滴定法和间接滴定法等不同的滴定方式是设计不同酸碱滴定体系的依据,从而,实现酸碱滴定法的应用。酸碱滴定法是化学分析最基础的内容,在这一章中,讲授滴定法处理问题的思路和方法,引入了突跃范围的概念,告知学生深刻理解这个概念的意义和用途。同样的思路延伸到后面其他滴定分析法中,教和学的效果明显提升。

图2

图2   酸碱滴定法知识点的逻辑关系


配位滴定法同样分为配位平衡、滴定原理和应用三个部分,层层递进,见图3。因为配位滴定法通常指EDTA滴定法,所以,比起酸碱平衡部分,配位平衡部分显得简单一些。以副反应和副反应系数校正实际溶液中的EDTA和金属离子反应平衡,即配合物的稳定性,产生了条件稳定常数的概念,条件稳定常数的计算方法,是本章最重要的知识点。同样,以条件稳定常数为基础,对配位滴定过程进行计算,寻找滴定过程规律,获得突跃范围,最终目的是根据突跃范围选择合适的指示剂,当然,配位滴定法中,指示剂的种类有限,选择指示剂的方法更加简单。同样,配位滴定法也有不同的滴定方式,以扩充配位滴定法的应用范围。把配位滴定法和酸碱滴定法的内容一一进行对比,加强记忆,可以有效降低学习难度。

图3

图3   配位滴定法知识点的逻辑关系


同样,氧化还原滴定法分为氧化还原平衡、滴定原理和应用三个部分,如图4所示。从无机化学的氧化还原平衡知识开始,回顾电极电位的概念及Nernst方程计算方程式。同样,以副反应和副反应系数对实际溶液中的氧化还原反应平衡进行校正处理,获得条件电极电位的概念和实际电极电位的计算方法,这是氧化还原平衡部分最核心的知识点,也是本章最最重要的内容。氧化还原平衡部分的内容为滴定原理部分的计算奠定基础。据此,可以处理氧化还原滴定过程的电位变化规律,获得突跃范围,选择指示剂。同样,氧化还原滴定法种类较少,指示剂的选择同样比较简单。最后,几种常见的氧化还原滴定法是应用部分的主要内容。

图4

图4   氧化还原滴定法知识点的逻辑关系


比较上面所述的几种滴定分析法可见,尽管酸碱滴定法、配位滴定法和氧化还原滴定法的处理对象分别是酸碱反应、配位反应和氧化还原反应,但是,其共同的内容是都有平衡、滴定和应用三个部分的内容,都是通过反应平衡的处理获得溶液某一个参数,如pH、pM’或φ的计算方法,用以处理滴定过程,获得滴定规律,即突跃范围,据此,可以根据不同的分析任务设计可行的实验方案,解决定量分析问题。而且,酸碱平衡和酸碱滴定是整个滴定分析法学习的基础,在这一部分重点学习滴定分析法的基本概念和处理反应平衡、滴定过程的思维方式,如公式的推导及应用方法、近似思想、突跃范围及意义、指示剂的选择方法等。同时,在配位平衡体系中可能同时存在酸碱平衡,在氧化还原平衡体系中也可能会同时有配位平衡、酸碱平衡或者沉淀平衡等多平衡共存,逐个处理各种平衡,层层递进,就可以解决复杂问题。

图5所示,吸光光度法的知识主线就是光度法的基本原理、仪器的四大部件构成和光度法分析应用三个模块,同样是层层递进的逻辑关系。吸光光度法是一种既可以定性分析也可以定量分析的方法,所以,原理部分有基于物质对光选择性吸收的定性分析理论和朗伯-比尔定律的定量分析理论。依托这些原理进行分析应用,可以引出光度计的光源、单色器、样品池和检测系统四大基本部件。和滴定分析法的绝对定量分析方法相比,光度法是一种相对定量法,需要配制标准溶液和样品溶液,所以,需要优化选择合适的显色条件和仪器的测试条件,从而,用校准曲线法进行相对定量法的分析。

图5

图5   吸光光度法知识点的逻辑关系


显然,化学分析和仪器分析是两类方法,既有相同之处,又各有特点。两类方法都能够收集物质的某个或某些信息而进行定性和定量分析。但是,化学分析的思路是选择一种能够定量进行的化学反应和判断反应终点的方法而实现常量分析或部分微量分析,其概念和处理问题的思想是学习仪器分析的基础。仪器分析是选择一种检测物质的物理或物理化学性质的方法,依托仪器来收集信号而实现微量或痕量分析,包括定性、定量分析以及物理形貌、化学结构分析等,是分析化学学科的前沿。

在多年的教学实践中,遵循着课程内容的逻辑关系进行教学设计和课堂应用,本课程的教学效果突出,深受学生喜爱。学生普遍反映,在课堂讲解中,知识主线清晰,重难点突出,学习难度降低,能够快速掌握分析化学的思维方式和解决问题的策略方法,用以解决作业问题和研究性实验的方案设计问题,逻辑思维能力明显提高,学习兴趣浓厚,学习效率提升,做作业和回答问题有思路,有效提高了学生对分析化学课程的学习兴趣和学习效果。因此,多年以来,学生的分析化学课程的成绩普遍较好,许多学生以分析化学为考研和就业方向,也在分析化学的科研和应用领域取得了突出的成效。

参考文献

陈怀侠; 党雪平; 黄建林. 大学化学, 2018, 33 (1), 16.

URL     [本文引用: 1]

邵健. 山东教育学院学报, 2010, 138 (2), 46.

[本文引用: 1]

徐光宪. 大学化学, 2008, 23 (2), 1.

[本文引用: 1]

王薇; 周宝晗; 徐保明; 任家强. 大学化学, 2020, 35 (3), 13.

URL     [本文引用: 1]

徐蕾; 李莉; 马凤延; 赵桦萍; 王平; 崔凤娟. 高师理科学刊, 2019, 39 (3), 96.

URL    

耿萍; 张帆. 大学化学, 2020, 35 (1), 12.

URL    

谢洪珍; 魏丹毅. 宁波大学学报(教育科学版), 2017, 39 (3), 91.

URL     [本文引用: 1]

罗金菊. 广州化工, 2016, 44 (11), 236.

[本文引用: 1]

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