大学化学, 2021, 36(4): 2011014-0 doi: 10.3866/PKU.DXHX202011014

教学研究与改革

厦门大学线下一流课程“基础化学实验(一)”教学设计样例——“硫酸亚铁铵的制备、组成和杂质分析及其应用”实验教学整体设计

王翊如, 邓顺柳, 吕银云, 任艳平,

An Example of Teaching Design for the First-Class Off-Line Course "Basic Chemistry Laboratory (Ⅰ)" at Xiamen University: Preparation, Composition and Impurity Analysis, Application of Ammonium Ferrous Sulfate

Wang Yiru, Deng Shunliu, Lü Yinyun, Ren Yanping,

通讯作者: 任艳平, Email: ypren@xmu.edu.cn

收稿日期: 2020-11-1   接受日期: 2021-01-7  

基金资助: 教育部2020年产学合作协同育人项目.  202002060029
2020年福建省本科高校教育教学改革研究项目.  FBJG20200281
2020年度厦门大学教学改革研究项目.  JG20200121

Received: 2020-11-1   Accepted: 2021-01-7  

Abstract

The top-ranking content of teaching is the core of first-class curriculum construction. This paper mainly introduces an example of teaching design for the first-class off-line course "Basic Chemistry Laboratory (Ⅰ)" at Xiamen University, which consists of the overall design and implementation about the laboratory teaching of "preparation, composition and impurity analysis, application of ammonium ferrous sulfate". The aim is to provide reference experience for the construction and the teaching reform of first-class course of basic chemistry laboratory.

Keywords: First-class course ; Basic Chemistry Laboratory (Ⅰ) ; Example of teaching design

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本文引用格式

王翊如, 邓顺柳, 吕银云, 任艳平. 厦门大学线下一流课程“基础化学实验(一)”教学设计样例——“硫酸亚铁铵的制备、组成和杂质分析及其应用”实验教学整体设计. 大学化学[J], 2021, 36(4): 2011014-0 doi:10.3866/PKU.DXHX202011014

Wang Yiru. An Example of Teaching Design for the First-Class Off-Line Course "Basic Chemistry Laboratory (Ⅰ)" at Xiamen University: Preparation, Composition and Impurity Analysis, Application of Ammonium Ferrous Sulfate. University Chemistry[J], 2021, 36(4): 2011014-0 doi:10.3866/PKU.DXHX202011014

早在2000年,厦门大学进行实验课程整合改革时,基于学生综合能力、创新意识培养以及实验教学资源共享等,将原面向化学类学生开设的两门专业核心课程“无机化学实验”和“分析化学实验”有机融合为面向化学类学生开设的一门专业核心课“基础化学实验(一)”(共192学时,6个学分,在大一的第1学年开设)。“基础化学实验(一)”课程经过20年的教学改革和实践,形成了具有厦大特色的与时俱进的基础化学实验教学体系、教学内容和教学方式等。

面对大一学生,本课程的教学目的就是以实验项目为载体,根据学生的实验基础和认知规律,由浅至深、由低到高、多层次、全方位地培养学生会“想”、会“做”、会“表达”的能力[1-5];同时培养学生水、火、电、毒、伤的安全意识和环保理念以及严谨的科学态度、认真细致的工作作风、条理整洁的良好习惯和互助协作的团队精神等。在具体实验教学内容设计时,首先加强基础性内容,即不同程度地融合了无机及分析化学基础理论知识的综合应用,承载着无机合成、化学定量分析实验的规范操作意识(为了人身安全和财产安全,为了得到科学的数据和结果)和基本操作技能培养;同时融入体现“高阶性”、富有“创新性”和一定的“挑战度”的内容,培养学生解决复杂问题的综合能力和高级思维能力,承载着对学生的知识、能力、素质和兴趣的综合培养。下面就以“硫酸亚铁铵的制备、组成和杂质分析及其应用”实验为例,具体介绍该实验的整体设计及其内容,以及“硫酸亚铁铵的制备”实验教学实施过程整体设计。

1 “硫酸亚铁铵的制备、组成和杂质分析及其应用”实验教学整体设计及其内容简介

“硫酸亚铁铵的制备、组成和杂质分析及其应用”实验,即围绕着硫酸亚铁铵的制备,有机融入了组成测定,杂质含量的半定量、定量测定,以及产物应用等,形成了厦大特色的“硫酸亚铁铵的制备、组成和杂质分析及其应用”实验教学模块。从以废铁屑为原料的合成,到产物的分析,再到剩余产物的完全科学利用的整体科学设计,构成了完整的“合成—组成及杂质含量测定—用途”一条龙实验项目(图 1)。让学生逐步了解合成与分析是紧密联系在一起的,合成的是什么(定性)、有多少(定量);杂质是什么(定性)、有多少(定量)、从哪儿来的(溯源)等问题,对如何提高合成的“质”和“量”有重要的指导意义,也是培养学生的创新意识和批判性思维的典型案例。这也是在有关该实验模块的第一个实验时间段(图 2)要向学生介绍的内容,提醒学生利用课程网站上的“动态”教材、操作视频等资源(图 3)进行课前学习,让学生习惯于带着问题进实验室。这类实验项目由于实验过程环环相扣,学生总怕“一步走错”,引起“满盘皆输”,所以,格外引起学生的“好奇”与“关注”,学生的实验兴趣也油然而生。当然,对一年级学生来说,要完美地完成这些实验过程,还是具有一定的挑战度。

图1

图1   厦大特色“硫酸亚铁铵的制备、组成和杂质分析及其应用”实验教学整体设计


图2

图2   向学生介绍厦大特色“硫酸亚铁铵的制备、组成和杂质分析及其应用”实验教学整体设计情况


图3

图3   课程网站资源概览


通过对图 1所展示的内容及其目的简单介绍,让学生在对厦大特色的“硫酸亚铁铵的制备、组成和杂质分析及其应用”实验整体设计认识的基础上,通过定量分析实验的实施,进一步认识设计承载基本科学思想和方法的定量分析实验内容,目的是从实验原理入手,扎实地引导学生分析如何在抽象的待测量与实验可测量之间建立定量关系,有效地透过实验现象或数据来挖掘隐藏在其背后的科学思想和方法并展现给学生,以培养学生解决复杂问题的综合能力和高级思维能力。

1.1 KMnO4法——产品中Fe2+含量测定

用滴定分析法测定合成出的硫酸亚铁铵(FeSO4·(NH4)2SO4·6H2O)产品中的Fe2+含量,包含了KMnO4法测定Fe2+的基本原理及测定条件控制等,教学生学习和实际操作具有代表性的固体样的采样方法,承载了有关化学滴定分析的称量、溶解转移、定容、移液、滴定等基本实验操作技能,强调定量分析的目标即提高精密度以提高实验结果的可信度,并扩展介绍K2Cr2O7法的应用和不常用K2Cr2O7法的原因以及两种方法的比较等。

1.2 离子交换法除Fe2+和Fe3+—BaSO4重量法——产品中SO42−含量测定

采用经典的重量分析法测定FeSO4·(NH4)2SO4·6H2O产品中的SO42−含量,学习重量分析法的基本原理以及如何通过热、稀、慢、搅、陈(五字“方针”)实验条件的控制,以得到纯净、粗大的BaSO4晶型沉淀;学习沉淀倾析法过滤、洗涤以及定量转移等基本实验操作技能,领会恒重的意义。由于样品中含有Fe2+ (在重量法分析过程中也会被空气中O2氧化为Fe3+)及少量杂质Fe3+能与BaSO4共沉淀,对分析结果造成影响。所以,在定量沉淀前,引入样品前处理技术——离子交换法去除Fe2+和Fe3+,以消除Fe2+和Fe3+对重量法测定SO42−含量的干扰。涵盖了对离子交换树脂的种类、造型、交换原理的认识及其装柱和交换操作技能的学习;并扩展介绍间接配合滴定法测定SO42−含量的基本原理等。

根据上述Fe2+和SO42−含量分析结果,引导学生计算n(Fe2+) : n(SO42−)比值,以判断和确认产物的组成。

1.3 分光光度法——产品中杂质Fe3+定量分析

用分光光度法对硫酸亚铁铵中微量杂质Fe3+进行定量分析,承载了分光光度法的基本原理、显色剂及最大吸收波长的选择、标准溶液的配制以及标准曲线的制作和分光光度计的规范使用等。让学生对微量分析法——分光光度法有一个全面的理解和认识。

另外,还采用目视比色法对FeSO4·(NH4)2SO4·6H2O产品中微量Fe3+进行半定量分析,让学生了解目视比色法的应用。

1.4 研究设计性实验——产品中NH4+、H2O含量测定

在上述分析的基础上,引导学生3–5人自成一组,自主查阅资料、自主设计实验方案分析测定FeSO4·(NH4)2SO4·6H2O产品中的NH4+、H2O含量,通过展示各自方案和相互讨论,并在课后预约时间具体实施分析测定[6, 7],以培养学生解决实际问题、复杂问题的综合能力。在这个环节,学生可能还找不到切实可行的分析方法或得不到满意的实验结果,我们宽容接受学生实验失败,但不宽容赞美。通过实验教学过程有意识的分工与合作等,教育学生将来无论是在科研工作还是日常生活中,要学会合作与倾听,要有吃苦和团队协作精神。

1.5 FeSO4·(NH4)2SO4·6H2O产品的科学应用

本实验的合成产品FeSO4·(NH4)2SO4·6H2O作为后续实验“三草酸合铁(Ⅲ)酸钾的制备”实验的原料,让学生了解FeSO4·(NH4)2SO4·6H2O作为FeSO4·7H2O替代品的应用。而本实验体系的科学综合设计可以消耗65%以上的FeSO4·(NH4)2SO4·6H2O产品,剩余产品回收作为N2制备实验中N2净化的吸收剂。厦大特色“硫酸亚铁铵的制备、组成和杂质分析及其应用”实验整体科学设计也很好地体现了绿色环保理念。

除了“1.4研究设计性实验——产品中NH4+、H2O含量测定”外,“硫酸亚铁铵的制备、组成和杂质分析及其应用”实验融合了常量分析的滴定法、重量法以及微量分析的离子交换和分光光度法等,需要5个实验时间段,共(5 × 6) 30小时完成。当然,对一年级学生来说,要顺利地完成这些实验,还是具有一定的挑战性。

一流的教学内容是一流课程建设的核心,一流的教学过程才能使一流教学内容的实施落到实处。下面就以“硫酸亚铁铵的制备”实验为例,详细展示围绕着培养学生会“想”、会“做”、会“表达”的能力而展开的教师讲解、学生实施实验过程等整体设计内容。

2 “硫酸亚铁铵的制备”实验教学实施过程整体设计

2.1 教学目标

以“硫酸亚铁铵的制备”实验为载体,通过下列所设计的各个教学环节,手把手地启发、引导学生学习会“想”、会“做”、会“表达”的能力,包括创新意识和批判性思维的培养。

2.1.1 培养学生会“想”的意识和能力

通过学生对该制备实验的原理、分离方法等预习以及教师的多方位讲解、学生亲身体验制备过程、灵活实践“先做后教、以做定教”实验教学“翻转课堂”模式等,手把手地启发、引导学生学习会“想”的能力。

2.1.2 培养学生会“做”的能力

通过学生对有关制备加热用的电子仪器的使用了解,教师示范、演示有关常压热过滤、减压过滤的滤纸折叠、修剪等操作,学生具体合成过程实验条件的控制以及教师的进一步示范、指导,培养学生会“做”的能力;“想”和“做”要相互融合;“做”的过程也体现了“想”和“设计”;“做”以前,总要“想”为什么要这样“做”。

2.1.3 全方位培养学生的“表达”能力

通过教师讲解、指导、示范过程中的言传身教、提问回答、讨论发言、合成过程视频拍摄、合成产品照片展示以及实验报告撰写等,全方位培养学生“活”的口头表达、“静”的书面表达以及“动”的视频(视频剪辑)表达能力,要求学生真实、科学(不虚美、不隐恶)、艺术(角度、方位,而不是PS)地再现和描述实验过程和实验结果。

2.2 教学实施过程整体设计

在明确本实验教学目标的前提下,教学实施过程整体设计如图 4所示。

图4

图4   实验教学实施过程整体设计


这样环环相扣的实验教学实施过程整体设计,给学生充分营造了充满独立探索和互助协作的紧张有序、有趣的实验教学氛围。下面分别介绍具体实施内容。

2.2.1 学生预习

学生利用教材、“动态”教材和课程网站(图 3)提供的资源进行课前预习,了解硫酸亚铁铵的制备原理、分离方法、实验步骤以及有关水浴锅、电热板、循环水泵等仪器的规范使用等。让学生带着问题进实验室,并逐步明白实验教学过程就是一个发现问题、提出问题、分析问题和解决问题的过程。指导教师通过师生之间、学生之间的提问、回答、讨论情况以及查看学生的预习报告、小测等形式来检查学生的预习情况。

2.2.2 教师讲解

大一学生的实验基础较差,需要指导教师利用多媒体辅助实验教学进行系统的制备原理、分离方法、示范和演示电热板、循环水泵等仪器的规范使用及其注意事项以及常压热过滤、减压过滤滤纸的折叠、修剪等探讨式讲解,以及实验渐进过程中逐步的引导和启发的分解式讲解,如图 5所示,如引导学生对物质性质(溶解性、稳定性等)的认识,启发学生理解其制备方法、合成条件及其合成条件的控制、分离方法、干燥及保存方法等,如产物在乙醇中不溶,给抽滤后为什么用乙醇洗涤硫酸亚铁铵晶体的原因提供了理论指导。

图5

图5   教师讲解内容概要


2.2.3 学生实验

学生在预习和教师讲解的基础上,按照图 6所示流程完成实验。

图6

图6   FeSO4·(NH4)2SO4·6H2O制备流程


在实验渐进过程中,教师仍然通过示范、演示来逐步引导和启发学生完成实验,得到产物,并要求学生对产物进行拍照后当场上传至课程网站,同时要求学生完成整个制备过程的视频拍摄,课后剪辑上传至课程网站,培养学生要科学艺术地表达实验过程和实验结果。

尽管实验课前学生有充分的预习、教师详细的讲解和示范演示,还有详细的合成步骤,但对一年级学生来说,在制备过程中,对实验条件等常理解不到位,如为什么在热过滤前要加20 mL纯H2O、加热H2O还是冷H2O等操作和选择的目的不清楚,所以合成“细节”掌握不好,导致大部分学生的实验结果不理想。如何才能得到又“好”、又“多”的硫酸亚铁铵产品呢?这是需要我们引领学生进行反思和讨论的问题[1]

2.2.4 灵活实践“先做后教、以做定教”实验教学“翻转课堂”模式

本课程采用的是小班(16–22名学生一个班,由一名资深教师和一名助教共同指导)教学方式,便于有效实践“先做后教、以做定教”实验教学“翻转课堂”模式[1-5],即趁学生对“硫酸亚铁铵的制备”实验已经具有亲身经历和切身体会后,围绕着产品的“质”和“量”,也就是以“如何才能得到又‘好’、又‘多’的硫酸亚铁铵产品”问题为导向,以图 7展示的详细直观的制备流程为基础,再与学生们一起一步步(图 8)地对合成过程、条件等进行仔细研究和深刻反思、判断,如尽可能使Fe2+溶液在空气中放置的时间短些,哪些操作先准备,哪些操作后进行等。实验过程中哪些条件是提高“质”,哪些条件是提高“量”等,并伴随着具体的实验操作演示,启发和引导学生去“想”,从而培养学生的批判性思维。

图7

图7   “先做后教、以做定教”实验教学“翻转课堂”模式实施过程设计


图8

图8   FeSO4·(NH4)2SO4·6H2O制备过程所承载的细节问题


即使学生能够把上述问题理解并做到位,也不一定就能得到质量高(颜色和晶态都好)的产物,还需要教师把教学实践中总结的经验传授给学生,如图 7中所示:蒸发过程中不能惊扰(不仅仅是不能搅拌,也不要改变水浴锅的温度、不能使杂质落入等)、蒸发不要过度、在蒸发至薄膜呈现冷却前,轻轻将膜“划”开、在自然冷却过程中适时轻轻将大块晶体“戳”小、转移至表面皿的晶体要轻轻“摊”开等,“轻轻”体现了“刚中带柔”的操作,“划”、“戳”、“摊”操作都是用玻璃棒来完成的,但始终没有说“搅”,引导学生在描述实验过程和实验结果时要科学、准确,措辞严谨、语言锐利。

2.2.5 教学效果

只有扎实地引领和引导学生将上述一系列问题和细节都理解并都做到位,只有深刻理解适时适度地控制好实验条件的含义,参与实验的99%的学生才能够再合成出又“好”、又“多”的产物,如图 9所示。通过展示学生得到的漂亮产物,让学生切身体会到什么是真正的“好”,并形成对“好”的合成产物的判断标准。做得不好的学生,知道向“好”的方向努力就好。

图9

图9   学生合成产物展示


3 结语

一流的教学内容是一流课程建设的核心,一流的教学过程才能使一流教学内容的实施落到实处。“硫酸亚铁铵的制备、组成和杂质分析及其应用”实验教学实施整体设计很好地体现了一流课程建设的内涵。一流课程建设不仅要求教师做到精准设计每一次课,更要求教师认真引领、指导学生去实践好每一次课。如何做好基础化学实验一流课程建设还需要我们不断地进行探索和实践,以期为基础化学实验一流课程建设和基础化学实验教学改革提供适应面广、操作性强的可借鉴经验。

参考文献

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