大学无机化学实验课程内容的优化*

苏碧云 李磊 刘祥 孟祖超

(西安石油大学化学化工学院 陕西西安 710065)

对于化学专业的本科生而言，实验课的重要性不言而喻。大学化学专业课程的设置有一个特点，就是基本上每一门理论课都有相应的实验课；前者提出理论，后者则运用理论解决实际问题，同时验证理论，二者相辅相成，密不可分。笔者作为教授化学化工专业大一学生的无机化学实验及无机化学课程的教师，在实验课教学过程中发现，现有的化学实验课程在内容编排上存在一些问题，如理论课与实验课内容脱节，实验内容过于陈旧等。实验课程的不完善势必会影响学生对实验课程的兴趣和创造性思维的发挥。本文针对上述问题，结合本课程组的教学实践，提出相应的对策和建议。

1 无机化学实验编排顺序的调整与优化

在大多数开设化学专业的院校，特别是工科院校，许多化学实验从属于相应的化学理论课程。实验课程内容的设计与编排分别由各教研室负责，而理论课程的设计与编排则与所选教材有很大关系。通常情况下，理论课教师与实验课教师不是同一人，如果不定期进行沟通，这两门课程容易出现脱节或重复。结合教学经验，我们认为化学实验课程与理论课程的设计编排应该相辅相成，避免脱节与重复。具体做法如下：

(1) 易于感性认识的内容应从实验入手，先让学生接触这方面的感性知识，通过实验现象形成鲜明深刻的印象。对于现象的解释及相关理论的深入探讨可在以后的理论课学习中进行。例如化学反应速率的测定实验，(NH4)2S2O8和KI的反应以淀粉变蓝作为标志，即蓝色出现的快慢反映了反应速率的快慢。在这个实验中，学生通过实验现象可以直观地得出反应物浓度、反应温度以及催化剂Cu(NO3)2对反应速率的影响，即反应物浓度越大，反应速率越快；温度越高，反应速率越快；加入正催化剂可加快反应速率。通过实验得出结论的方式相较于我们在无机化学理论课中推导得出结论的方式，更加有趣，且印象深刻。因此，我们对以前实验课的授课计划做了调整，将实验安排到相应的理论知识讲授之前。实验先行，不但可以使学生直观地得到化学反应速率的影响因素，而且经过实验的铺垫也有利于后续相关理论的学习。例如，在无机化学理论课上，教师可以通过分析实验的现象，将宏观现象和微观原因联系起来，引出分子碰撞理论、过渡状态理论、活化能的概念和阿仑尼乌斯公式。这样一来，学生在接受这些较难理解的理论时就会更容易。对于易于观察、能够感性认识的课程内容，将实验安排在理论之前，比一开始就让学生接受相关的理论更容易接受。这不但符合大一学生由感性到理性、由特殊到一般的认知规律，也可激发学生的兴趣，在兴趣的引导下去探求更深入、更系统的理论知识。

(2) 较复杂抽象的实验，可将实验课程安排在理论课程之后进行。通过学习相关的概念和原理，并按一定的逻辑顺序引出命题和结论，这样，学生对一个命题的来龙去脉就能形成清晰的脉络。在接下来的实验中，学生因为已经学习过了相关的概念及原理，对实验目的及原理的理解和把握将会更加准确。例如我们在教学实践中发现，已经学习过可逆反应以及一元弱酸或弱碱解离反应的学生，在做HAc解离度和解离常数的测定实验时，实验过程有条不紊，实验结果也更加准确。而那些没有接触相关理论就进行实验的学生，表现得比较忙乱，而且会因为不注意细节，导致实验结果误差较大。例如，这些学生由于不理解所测溶液的pH实际上代表的是HAc解离平衡之后的氢离子浓度，所以加水稀释之后不搅拌，未等其平衡就进行pH测定，这样得到的数据势必误差较大。为了保证实验课的教学质量和效果，从2010年起，我们将所有平行班级的HAc解离度和解离常数的测定实验安排在相关理论课讲完之后，使实验教学效果得到了很大改观。

如果未学习相关的理论知识就进行原理较为复杂的实验，学生按照实验步骤可能很快就能完成实验，但对于实验原理却是一知半解。在实验课上，即使教师对实验原理进行简单讲解，但毕竟时间有限，讲解不可能系统、全面。另外，一些专门带实验而不讲理论课的教师，对学生提出的更深入的问题可能难以作答。在无机化学实验[Ti(H2O)6]3+分裂能的测定中，要求学生通过分光光度计法测定[Ti(H2O)6]3+的分裂能Δo, 其原理是TiCl3的水溶液(深紫色)在可见光的照射下，d电子会吸收一定波长的光能产生d-d跃迁，从t2g轨道跃迁到eg轨道。在TiCl3水溶液的吸收光谱中，吸光度最大的位置对应于这两个轨道的能量差Δo,该实验涉及配合物的晶体场理论和分子轨道概念，要做好这个实验，充分理解相关理论是一个必要前提。因此该实验应该安排在讲授过相关的理论之后。也就是说，理论先行，实验随后。学生在做实验时，不但可以复习、巩固理论课程中所学到的概念及原理，而且可以验证结论，达到实践检验理论的目的。如果实验结果与理论相符，学生对理论的理解将会更加深入，印象也会更加深刻。如果实验结果与理论不相符，学生就要提出疑问，进行思考。教师可指导学生从改进实验方法、减少实验误差等方面入手予以解决；另外可鼓励学生的怀疑与批判精神，认识到某些理论的经验性或近似性，对其局限性进行分析，并参考其他理论以达到对实验现象的全面解释。这个过程对于培养学生的科学精神和科学素养具有重要意义。

2 无机化学实验课程内容的调整与优化

(1) 删减陈旧内容，增添前沿领域实验。

化学实验教材中的许多内容都是沿用已久的实验。实验课程应紧跟科技发展的前沿，及时调整、修订、删除那些知识陈旧或结构不合理的实验[1]，增补一些与化学学科前沿发展相关的新型实验[2]。随着科学技术的迅速发展，出现了许多新仪器和新技术，这就要求实验课程的方法和手段也要做出相应的调整，以顺应时代发展的要求。例如，现在的电子天平相比于10多年前的分析天平，不但操作大大简化，而且精度更高，现已出现能够精确到小数点后6位的电子天平。实验教材中关于分析天平的大篇幅介绍显然已不合时宜，但很多实验教材仍然保留了这部分内容。另外，随着环保意识的加强，人们逐渐认识到传统的化学实验会对环境造成污染，因此提出了绿色化学及微型实验的理念。无机化学实验教师应该把这些理念贯穿到教学中去，比如在绿色化学思想的指导下，尽量删减那些能产生有毒有害物质的实验，增添一些节能环保的绿色实验；在不影响观察实验现象的前提下，提倡微型实验，将常量实验减量或微量化。例如实验教学中，通过减量化设计，用50mL烧杯代替100mL烧杯，将原来的铜锌原电池使用的30～50mL CuSO4、ZnSO4溶液减少为10～20mL。实验结果表明，改进是成功的，不但降低了实验成本，而且减少了废液对环境的污染。此外，我们还鼓励学生尝试使用点滴板的孔穴，或用废弃的小药瓶等微型容器代替上述烧杯[3]，并设计相应的盐桥材料, 使之与微型容器相配套。实际上，我们可以将更多的化学实验微型化，比如元素性质实验部分，试剂种类多，消耗量大，如何用尽可能少的试剂达到较好的实验效果，是我们一直关心和思考的问题。在验证KMnO4在不同介质中的氧化性时，我们将原来的1～2mL的试剂量降到1～2滴，由于KMnO4颜色很深，即使用量极少，加入还原剂后也能观察到明显的褪色。

(2) 补充设计研究型实验[4]，培养学生的创新精神。

大多数化学实验教材中的实验信息非常详细，通常将实验目的、实验原理、所需药品和仪器、实验步骤等学生实验报告中的内容都包括进去。有些院校为了便于学生撰写实验报告，甚至组织教师编写实验报告册，上述条目一应俱全，连表格都替学生制好，学生只需要填入数据即可。这样的做法对学生而言非但无益，反而有害。在实验过程中，他们只需要按课本上安排的步骤来做，将各种药品加在一起就会出现应有的现象。然后机械地将所得现象和数据填入实验报告册，一个实验就算完成了。通过调查学生对实验的理解和掌握，发现他们很少有人能够真正理解实验的原理和每一步操作的目的。实验教学程式化是实验教学中一个较为普遍的问题。

要解决上述问题就需要在教材上做一些相应的调整和改变。比如在FeSO4·(NH4)2SO4·6H2O的合成实验中，我们给出铁粉的参考用量(2g)之后，其他试剂(如H2SO4溶液的体积、(NH4)2SO4的质量)都让学生自己确定；另外，反应需要什么样的容器以及容器的规格，一般情况下也应该由学生自己来确定。比如用2g铁粉和30mL 0.3mol·L-1的H2SO4溶液反应制备FeSO4，学生就会思考用什么样的容器有利于这个反应进行和便于操作，以及反应物料体积最多是多少，从而可以确定相应的仪器规格。在实验细节上加以调整，就能给学生留出更多的思考空间，使他们在实验时“手脑并用”。为了更进一步全方位地锻炼学生的思考能力和操作水平，无机化学实验课还应补充一到两个综合性化学实验，这类实验要求学生运用所学知识独立分析课题，设计实验路线，安装实验装置，最终完成实验。实验的开设方式是只给题目和器材，不给方法和答案，学生在一个个问题的引导下通过查阅资料来解决问题。当学生完成实验之后，可以将其成果撰写成小论文，或以学术报告的形式展示。

(3) 采用现代化手段，实现教学信息化。

目前，理论课教学已普遍采用多媒体和网上视频等现代化教学手段，但相对于理论课上的广泛应用，信息技术在实验课方面却略显欠缺。比如，实验课的讲解基本上都是在黑板上完成的，较少使用多媒体。实际上，教师可以将污染重、毒害大、在实验室不宜进行的合成类实验制成多媒体课件，向学生播放，使他们对该实验的目的、原理、操作步骤、污染程度等方面知识有较深入的了解。这样既能避免有毒有害物质对人和环境的危害，同时又保证了理论知识的系统性，近几年已经有一批院校采用了这样的做法。除了能将某些实验以多媒体课件的形式向学生展示以外，很多实验工作都可以借助计算机来完成。例如，用实验数据绘制曲线的工作可以利用EXCEL软件轻松完成；通过专门的化学绘图软件CHEMDRAW可以绘制出标准的方程式及化合物结构式；实验过程中需要知道的一些物性常数能够在网络上很快找到；实验中出现的问题或异常现象可以在网络上的相关论坛找到答案。如果学生对某个实验有更进一步探索的兴趣，也可以在网络数据库中查阅相关的研究论文，以作为参考。教师可以向学生提供相应的指导，有针对性地让学生收集网络上的相关资料，绘制图表、制作模型和影像、撰写化学小论文等，以此培养学生应用现代化科技信息手段的能力。通过人机对话，学生可以提高学习兴趣，增强学习的主动性，同时也能加深对实验内容的理解。

虽然许多学校的实验硬件设施齐全，但学生应用现代化科技手段处理化学问题的能力仍处于较低的水平，原因可能有以下几个方面：其一，传统教学模式根深蒂固，只注重锻炼学生单一的实验操作能力，而忽视了培养学生应用现代化信息技术手段处理化学问题的能力。其二，从现行的教学大纲出发，很难找到与信息技术相契合的切入点。其三，很多教师难以适应化学实验的信息化过程，自身素质有待进一步提高。要解决上述问题，必须更新观念，顺应时代发展潮流，将计算机技术与化学实验充分结合，让现代化的科技手段更好地为化学实验服务。

3 小结

从上述几个方面进行调整和优化之后，我校的无机化学实验课程正在逐步趋于完善。化学实验课程与理论课程的设计编排联系紧密、相辅相成，避免了实验教学过程中的知识脱节与重复。同时，增添前沿领域实验、设计研究型实验以及信息化教学手段，给无机化学实验课程注入了新鲜血液，使实验内容更具前沿性和时代感。我们的教学实践表明，调整和优化之后的无机化学实验课程，更有利于提高学生的学习兴趣，培养学生的创新精神，使学生做到手脑并用，达到了较好的教学效果。

参 考 文 献

[1] 钟秉林.中国高等教育,2000(8):1

[2] 宋天佑,邹明珠.高校化学教学成果撷英∥中国化学会全国第6届大学化学教学研讨会论文选集.西安:西北大学出版社,2000:28

[3] 王立平,王亚茹,王咏梅,等.保定学院学报,2008(4):21

[4] 孙海翔.长春理工大学学报(高教版),2009,4(10):129