大学化学, 2021, 36(8): 2103004-0 doi: 10.3866/PKU.DXHX202103004

教学研究与改革

引入文献阅读的分析化学教学实践

吴缨,, 姚李, 高大明, 胡坤宏

Teaching Practice of Analytical Chemistry in Literature Reading

Wu Ying,, Yao Li, Gao Daming, Hu Kunhong

通讯作者: 吴缨, Email: wuying@hfuu.edu.cn

收稿日期: 2021-03-1   接受日期: 2021-03-30  

基金资助: 安徽省教育厅一流本科专业.  2018ylzy025
安徽省教育厅质量工程项目.  2019rcsfjd073
安徽省自然科学研究基金后续项目.  1800031822
安徽省教育厅教学研究一般项目.  2017jyxm1253

Received: 2021-03-1   Accepted: 2021-03-30  

Abstract

In order to meet the training objectives of applied universities, the practice of literature reading is introduced in the teaching of analytical chemistry. This paper explores the selection of literature content, teaching methods and grading methods, which can help students understand the application of the principles of various analysis methods in practical production and scientific research, promote the effective integration of students' theoretical knowledge and practical ability, and improve students' comprehensive ability.

Keywords: Analytical chemistry ; Professional literature reading ; Undergraduates ; Teaching reform

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吴缨, 姚李, 高大明, 胡坤宏. 引入文献阅读的分析化学教学实践. 大学化学[J], 2021, 36(8): 2103004-0 doi:10.3866/PKU.DXHX202103004

Wu Ying. Teaching Practice of Analytical Chemistry in Literature Reading. University Chemistry[J], 2021, 36(8): 2103004-0 doi:10.3866/PKU.DXHX202103004

分析化学是研究物质的组成和结构,确定其在不同状态和演变过程中化学成分、含量和分布及其结构的量测科学,是化学科学的分支学科[1]。分析化学课程既具有基础性,又具有前沿性,实践性很强是该课程的重要特征,在与化学有关的各学科领域,分析化学都起着重要的作用,已成为高校化学工程、能源、材料、环境工程等专业的一门重要的专业基础课。

我校化学工程与工艺专业是国家级特色专业、“卓越工程师计划”专业,同时也是学校首个通过中国工程教育专业认证协会的工程教育专业认证单位。作为传统的工程专业,紧密围绕创建地方应用型高水平大学的办学宗旨,确立人才培养目标是:能在化学工程以及相关的领域从事生产、研究与开发工作、管理和经营等工作,具有扎实的化工类专业基础、较好的创新素质、较强的工程能力、一定的人文社会科学素养与国际化视野的工程技术人才。因此掌握扎实的基本理论知识,熟悉科学研究与工程设计方法,具备化学与化工实验技能等是每个毕业生应该具备的基本能力,这就要求任课教师在教学中针对培养目标,不断强化学生解决复杂工程问题的能力,切实提升教学方法改革的实效性。多年来,我们在借鉴了国内外相关教学经验[2-5]同时,结合本校具体教学情况,教学中引入了相关专业文献导读辅教,在此分享我们探索与实践的体会。

1 分析化学教学的“瓶颈”

1.1 内容与课时相矛盾

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两部分,分别在大二上、下两个学期开设,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、构建分析化学学科思想、初步建立“量”的概念的关键课程。化学分析属于分析化学学科的基础知识,除误差理论外,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;仪器分析内容主要有吸光光度法、原子吸收光谱法、电位分析法、气相色谱法和高效液相色谱法等,而理论课仅有56学时,学时短内容多,完全依靠教师的课堂讲解,基础理论知识仍占据了较多的课时,“强基础、重应用”产生了倾斜,教学效果不尽如人意。

1.2 应用示例过于简单、抽象

在以往的教学中,通常遵循这样的教学过程:在每一章开始提示本章学习的重点难点,接着先回顾(复习)涉及到的化学平衡基本理论、重点讲解滴定基础知识(滴定曲线和指示剂),从而了解影响滴定准确度的关键因素和确定终点的方法,最后介绍相关的典型应用示例。以教材[6]“第4章酸碱滴定法”为例,在“第6节酸碱滴定法应用示例”中,用4页篇幅简略介绍了该法在化工产品和化学试剂(混合碱、硼酸、铵盐、SiO2、酸酐和醇类、醛和酮)中的应用,每个示例仍侧重测定原理的介绍,测试步骤不完整不具体,尤其缺少试样采集与制备。后来我们在教学上有所改进,即在每一章结束时讲解一篇应用文献,但由于是课堂投影展示,加上学生没有提前预习,课后无相关材料复习,短时间内收到的信息有限,没有达到以知识的应用为重点的目的。

这样的教学过程使得学生对于一个分析方法的理论知识从原理到应用有一个概览,看似全面,真正用到该如何进行实际的实验设计和操作时,仍无从下手,未来实际工作时独立解决问题的能力不足,在人才竞争中处于弱势[7]

2 文献引入实施办法

2.1 提前培训

处在大二的学生,尚未开设文献检索课,会使用手机“百度”但对文献检索基本“小白”。教师利用业余时间对学生进行“速培”,教会学生如何利用各种图书馆资源和网络资源,为快速、全面查找与利用相关科学文献(包括国标、专利等)信息提供有效的帮助。

2.2 学生自查

以分析化学中化学分析部分教学为例,查阅文献涉及“酸碱滴定法应用”,教师提供必要的关键词,学生们首次查询结果可谓“五花八门”,有国标,有期刊文献,还有实验指导、综述等等,有的超出教学要求,学术难度也深浅不一(见表 1),这就需要指导学生如何筛选,怎样入手进行阅读和分析。教师提示学生要聚焦四个知识点:测定原理、滴定方式、标准溶液和指示剂、分析结果的评价方法,学生慢慢学着从文献中找寻和提取相应的信息,并对其是否基本理解做出自我评判。

表1   部分学生查阅的文献信息

序号文献标题期刊名发表时间
1酸碱滴定分析在聚酰胺-胺表征中的应用高分子材料科学与工程2007.4
2酸碱滴定法测定蛋壳中钙镁总量的改进实验技术与管理2012.6
3氟硅酸钾沉淀-酸碱滴定法测定硅质耐火材料中二氧化硅冶金分析2011.2
4壳聚糖脱乙酰度酸碱滴定测定法的初步改进北京联合大学学报(自然科学版)2003.3
5酸碱滴定法测定戊二醛含量影响因素的研究中国消毒学杂志2007.4
6质子平衡思想用于酸碱滴定终点误差的计算化学通报2015.6

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2.3 教师解读

教师遵循以教材内容为基础,以指导学生掌握基础知识为原则,从学生查找的文献中筛选出与理论要求吻合、难度适中、应用性强的文献2-3篇推荐给学生,重点解读的文献,则要求学生人手一份,穿插在授课过程或尾声进行,对实验技术环节应予以强化。对“学有余力”的学生,可延伸阅读学术水准更高的文献。

教学案例1:“车间空气中氢氧化钠的酸碱滴定测定方法”[8]。这是1995年实施的国家标准,标准规定了酸碱滴定法测定车间空气中氢氧化钠浓度的方法,适用于生产和使用氢氧化钠的车间空气中氢氧化钠浓度的测定。其测定原理为:氢氧化钠用滤膜采集后溶于水中,加入过量盐酸,以甲基红为指示剂,用四硼酸钠标准溶液返滴定过量的盐酸,计算出氢氧化钠的浓度。整篇不过两页,运用酸碱滴定法,采用直接滴定方式,过程简单明了,学生易于理解,同时也了解了国家标准(GB)的文本格式,气体样品的采集技术及前处理,对照实验如何进行,检出限和测定范围概念,及消除空气中CO2干扰问题,拓展了知识范围。

延伸阅读为“食品中总酸的测定”[9],除酸碱滴定法外,该国标还提供了pH电位法,后者又为“仪器分析”提供了很好的案例,此法适用于果蔬饮料、乳制品、蜂产品、谷物制品和调味品等食品中总酸度的测定,但不适于有颜色或浑浊不透明的试液,相较于分析化学实验“食醋中总酸度的测定”,内容丰富许多。

教学案例2:“Mo(Ⅵ)-5-溴水杨基荧光酮-CTMAB显色反应的研究及应用”[10],属于吸光光度法应用案例。在介绍“显色反应及显色条件的选择”时,通常是教师“索然无味”一条一条讲解,学生们的理解“似是而非”,抽象且空洞。结合此篇文献“结果与讨论”部分,边教边议,就很容易理解如酸度的影响、显示剂及用量影响、三元络合物及特点、显色时间、共存离子干扰等显色条件选择的实验方法及意义。此外,吸光光度法的其他重要知识点如参比溶液的正确选择、对比度Δλ、线性回归方程中斜率与截距的意义、表观摩尔吸光系数等,特别是把“误差理论”如何应用在样品测定结果的准确度精密度的评价,真可谓“一举多得”,一篇文献串联了几乎所需掌握的知识点,尤其对教材上“综上所述,建立一个新的光度分析方法,必须研究优化上述各种条件,应用某一显色反应进行测定时,必须对这些条件进行控制,并使试样的显色条件与绘制标准曲线时的条件一致,这样才能得到重现性好而准确度高的分析结果[5]。”这段话字面看似容易,但很难真正理解,有了文献实例说明,学生理解就容易多了。

延伸阅读为“新显色剂2, 6-二羟基苯基重氮氨基偶氮苯与镉的显色反应的研究和应用”[11],文献内容不仅有上述的知识点,还增加了新显色剂合成、纯化过程,性质及红外光谱法、元素分析等表征方法,横向拓展、纵向延伸了知识点。

2.4 评价方法

在课堂教学中引入文献阅读,规范、完整的案例是对理论联系实际的有益补充,为考查学习效果,可在考试内容上增加“文献阅读与理解”项目作为综合题,分值约占15%左右,并引入课程质量评价系统中[12]。文献可以是教师选定并附在试卷上,或是学生提前查阅文献带入考场,通过回答相应的问题并在文献上标注出,如表 2为某次仪器分析考试试题中涉及文献理解的部分问题,当然这种形式必然增加了教师批改试卷的工作量,因为教师要一一阅读学生的文献再进行评判。

表2   阅读文献需回答的部分问题

序号原子吸收光谱法色谱分析法序号原子吸收光谱法色谱分析法
1测定对象,其标准溶液的获取分离机理5样品前处理方法定量方法
2原子化方法,分析线波长色谱柱的信息6消除干扰的措施提高分析准确度的方法
3仪器操作参数色谱分析条件7分析结果的评价,实验意义分析结果的评价,实验意义
4工作曲线和相关系数定性方法

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3 实施后的收效

(1) 分析化学相关分析方法的科研文献是根据有价值的生产实践或研究成果写作而成的,将文献阅读融入专业课程教学中,根据教学内容指导学生课外查阅应用文献,目的是帮助学生理解课本知识点,理解各种分析方法在实际生产科学研究中的应用,能举一反三,具备运用化学分析和仪器分析技术,解决化工领域的定性定量问题,达到课程学习目标[12]

(2) 学生通过文献查阅研读,能更多地参与到教学活动中,激发了学生的学习兴趣,对2017级化学化工专业学生的问卷调查显示,有约85%的学生认为文献研读的特色在于理论和实际运用联系起来,拓宽了学习视野和思维,肯定了其在分析化学的能力培养方面是有帮助的;有约70%的学生认为研读文献困难的主要原因在于对科技文献很陌生和没有实验基础。

(3) 文献阅读是最重要的学习手段和环节之一,在低年级就有意识地培养学生初步具备查找教科书以外的工具书和在专业数据库如维普、万方、CNKI上检索文献等学习能力,部分补偿了缺少文献检索课而造成的遗憾。另一方面,由于端口前移,大二末期的“专题训练”教学环节直接受益。由于初步了解了学术论文的结构和写作方法,对大学生创新创业项目、后续的专业课内容的理解,甚至是毕业论文的选题与写作都提前打下了基础。

(4) 学生在学习中往往缺乏自学能力和质疑精神,在文献阅读的过程中,还可以培养学生主动发现问题、分析问题、解决问题的能力,因为确有文献存在表述不清、有效位数保留不对、公式字符输入错误等问题,借此培养学生严谨认真、一丝不苟的科学作风。

4 结语

通过几年的探索和实践,在本科教学中引入相关专业文献的阅读(称之为“贯穿式文献教学”[13]比较恰当),找准文献与相应的教学内容的契合点,重视工程背景,适当兼顾文献的前沿性,激发学生的求知欲,非常有利于学生掌握基本学术能力和知识运用能力,能起到“事半功倍”的教学效果。我们也推广和借鉴于环境工程、粉体材料等其他专业的教学实践中。由于大班教学和课时紧张,小组讨论+PPT汇报的形式可在高年级择机实施。在查阅文献中学会学习,学会科学思维,进而达到学以致用、解决复杂问题和提升创新力的目的。

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