堿式碳酸銅的制備實驗多維互動教學模式的探索

曹小華, 占昌朝, 徐常龍, 嚴 平, 雷艷虹, 肖國光

(九江學院 化學與環(huán)境工程學院, 江西 九江 332005)

堿式碳酸銅制備是一個綜合設計性實驗,具有試劑安全易得、儀器設備簡單、產物易于制備、內容適合探究等優(yōu)點,備受廣泛關注[1-7]。但在傳統(tǒng)“灌輸式”教學模式下,實際教學效果往往不夠理想?！岸嗑S互動教學”通過師師、師生、生生、小組與小組以及師生與環(huán)境等之間的多維互動,優(yōu)化各種教學因素,結合設疑、激趣、引思、探究、升華等過程,實施民主式教學,突出學生主體地位,全面培養(yǎng)學生自主學習能力、溝通能力、團隊精神、合作意識、科研素養(yǎng)、競爭意識和創(chuàng)新能力,提升學習興趣、綜合素質和能力,塑造學生健全人格,促使學生全面發(fā)展[8-12]。為真正發(fā)揮綜合性設計性實驗的教學育人效果,在江西省教改重點課題“無機化學課程多維互動教學模式的研究與實踐”等課題的立項資助下,進行了多維互動教學模式探究,取得了比較顯著的教學效果。

1 教學現(xiàn)狀與問題

雖然堿式碳酸銅的制備實驗在絕大多數(shù)教材和高校多被定位為設計性實驗,但受實驗課時、教師水平、學生素質及實驗條件等現(xiàn)實因素的影響,許多高校將其開設為半設計性實驗(學生僅設計部分實驗步驟),甚至異化為驗證性實驗(相對一般的驗證性實驗,只是考察的實驗因素多些而已),將其開設成真正的設計性實驗的不多[2]。

堿式碳酸銅的制備實驗教學現(xiàn)狀總結見表1。其中驗證性實驗和半設計性實驗大多以相同濃度(多為0.25～1.0 mol/L)的硫酸銅溶液和碳酸鈉溶液為原料,通過控制條件的復分解反應來制備堿式碳酸銅[4]。運用單因素實驗法,分別考察反應物配比、反應溫度、加料方式及pH值等因素對制備反應的影響(實際操作中,不少高校往往僅考察反應溫度和反應物配比的影響),多以肉眼觀察到的沉淀顏色、沉淀快慢及多少來判斷優(yōu)化的實驗條件[2]。

實際上,由于副反應多,不同條件下產物顏色區(qū)別不明顯，產物多懸浮在試管中,不易準確比較沉淀量多少，同時產物多在瞬間生產,較難比較反應速度的快慢。因此,通過肉眼評判來優(yōu)化實驗方案,實驗效果往往差強人意[4]。

表1 堿式碳酸銅的制備實驗現(xiàn)狀

2 多維互動教學模式實施的必要性

多維互動教學模式從實驗組織形式看,改變了傳統(tǒng)“灌輸式”單向知識傳授教學模式,注重構建平等民主的師生關系、創(chuàng)設和諧的教學氛圍、實施民主式教學,關注學生全面發(fā)展；注重師生、生生、小組小組等之間的多維互動,改變了傳統(tǒng)教學模式下單一知識傳遞過程,實現(xiàn)了信息知識、情感、語言、行為的多向傳遞,關注培育大學生健全人格[8]；突出學生主體地位,倡導團隊協(xié)作,充分發(fā)揮教師的引導作用,突出問題導向,設疑激趣、探究發(fā)現(xiàn)、總結提升,全面提升學生的學習興趣和自主學習能力,促使學生從厭學到樂學,從樂學到志學。從教學內容來看,注意外擴和內延,既關注制備過程本身,同時關注產品應用和質量檢測,模擬實際工業(yè)生產,對產物生產全流程進行系統(tǒng)研究；既重視實驗現(xiàn)象的區(qū)別,更注重實驗理論解析,注意以理論指導實踐；實驗效果評判標準,從肉眼對顏色、沉淀快慢及多少定性或半定量判據(jù)轉變成產率和純度等定量判據(jù),判斷更加準確和科學；關注“三基”培養(yǎng),更注重知識的遷移和升華,做到學以致用。從考核形式上,以“設計方案+小論文+論文答辯”形式替代傳統(tǒng)的“預習報告+實驗報告”,更加注重多元化評價[9]。

多維互動教學模式留給了學生更多自由思索、自主選擇和全面發(fā)展的空間,能讓學生充分感受到實驗的興趣性、實用性、學術性、科學性、理論性、規(guī)范性、創(chuàng)造性和探索性,讓學生在愉悅的學習氛圍中增長知識、提高能力、增強素質、健全人格,實現(xiàn)全面發(fā)展。

3 多維互動教學模式實施過程

多維互動教學模式通過“明確互動目標—提出互動問題—開啟互動空間—體驗互動活動—分享互動成果—開展互動評價”6個環(huán)節(jié)來提高教學質量。

3.1 明確互動目標

教師首先要熟悉學生,精通教材,充分研討課程,明確多維教學目標。具體包括:

(1) 知識與技能目標。熟悉堿式碳酸銅的性質；領悟堿式碳酸銅的制備原理,了解影響實驗的主要因素；進一步鞏固水浴加熱、減壓過濾、離心分離等基本操作；學會單因素實驗探索法,培養(yǎng)學生獨立設計實驗的能力和基本的科研能力。

(2) 科學素養(yǎng)目標。培養(yǎng)嚴謹?shù)目茖W素養(yǎng)、溝通能力、合作意識和團隊精神,在和諧的教學互動中培育健全人格。

3.2 提出互動問題

體現(xiàn)“學以致用”“邊學邊用”:創(chuàng)設模擬真實的生產情境(假定每位學生都是企業(yè)家,創(chuàng)業(yè)項目“堿式碳酸銅的制備”,小組合作集體創(chuàng)業(yè)),提出真實的問題,激發(fā)探究興趣。讓情境、問題形成鏈條,相互鎖扣,有序展開。具體互動問題如:

(1) 為什么要制備(生產)堿式碳酸銅？用途廣:用多媒體展示孔雀石、銅綠及市售堿式碳酸銅圖片,以及堿式碳酸銅在醫(yī)藥(如波爾多液)、飼料、顏料、煙花等領域應用的圖片或資料,讓學生感知產物；利潤大:產品、原料等價格比較,環(huán)保評價,如何保證環(huán)境效益和經濟效益？

(2) 如何制備(生產)堿式碳酸銅？理論依據(jù):依據(jù)實驗原理,理論層面分析影響制備(生產)的主要因素；現(xiàn)實選擇:原料選擇、原料配比、反應溫度、溶液pH值、加料順序、靜置時間等因素如何優(yōu)選和控制？

(3) 制備(生產)效益如何？產品質量如何檢測(顏色、純度等,產品質量測定方法)；產率如何？(產品干燥、稱重)？

3.3 開啟互動空間

引導學生感知素材,自主學習,開啟多維互動空間。

(1) 通過啟發(fā)式講析,讓學生學透實驗原理,引導學生真正理解實驗的“來龍去脈”。如Cu2(OH)2CO3溶液顯弱堿性、易溶于酸和氨水,難溶于水,水溶液中受熱易分解,固體產品分解溫度為220 ℃。據(jù)此,可推測影響制備反應的主要因素有:原料的種類、原料配比、反應溫度、pH值、加料方式等；同時可通過熱分解法、EDTA返滴定法來測定產物質量；殘留在試管中的堿式碳酸銅可通過稀硫酸、稀鹽酸等洗滌干凈。

(2) 教會學生信息檢索技巧、列舉或提供部分參考文獻(或資料)清單供學生學習參考。

(3) 提供往屆學生優(yōu)秀產品的照片、實驗小論文、發(fā)表的論文等感知材料,豐富信息量、增加親近感、優(yōu)化感知效果,進一步激發(fā)學生學習興趣和探究欲望,樹立信心,引導自學。

3.4 體驗互動活動

以練促學,自主探究,充分體驗多維互動活動。

(1) 學生進行分組,每4位學生一組,將全班學生分成6～8個小組；

(2) 不同小組之間選擇不同的原料合成堿式碳酸銅,探索相應的優(yōu)化工藝；

(3) 各小組均系統(tǒng)考察堿式碳酸銅制備實驗的全過程，包括考察至少4個因素對制備反應的影響、產物純度的檢測方法、并對實驗現(xiàn)象進行理論解釋、經濟及環(huán)境效益評價等；

(4) 各小組具體任務包括文獻信息調研、實驗方案設計、實驗準備、方案實施、結果記錄與處理、撰寫小論文,涉及多次多維互動,由小組長依據(jù)小組成員特長進行分工協(xié)作；

(5) 實驗結束后每小組需要提交完整的實驗設計方案、實驗小論文、過程記錄表,并制作PPT進行匯報,作為實驗成績評價的重要依據(jù)。

3.5 分享互動成果

匯報交流,討論解疑,分享互動成果。

(1) 各小組依次匯報本組實驗方案實施情況(具體包括分工情況、產物用途、優(yōu)化工藝條件、產品質量檢測方法、實驗結論及反思等),要求PPT匯報。

(2) 每個小組指定一名學生講解,成員可以補充,師生可自由提問,講解和答辯總時間控制在15 min左右。

(3) 學生回答問題時,教師可適當啟發(fā),多進行激勵性評價,充分調動學生的積極性。

(4) 對學生匯報存在的不足,教師不急于點評和指出,適時啟發(fā)學生反思,讓學生從不同組實驗情況對比中找到差距,發(fā)現(xiàn)不足。對學生難以解決的困惑,及時進行解疑釋惑。

針對以上提出的互動問題,部分小組探究成果分享列舉如下。

3.5.1 關于堿式碳酸銅的性質和用途

產品性質及用途:因Cu2+作為重金屬離子使得蛋白質變性失活,因而可用作木材防腐劑、殺蟲劑(如波爾多液)、種子殺菌劑、黑穗病的防止劑等；因適量的Cu2+是動植物必需的微量元素,可用作飼料添加劑；因Cu2+具有美麗的藍色,可用于煙火、信號彈、顏料生產等方面；此外,還可以用于電鍍、有機催化及固體熒光粉激活劑等領域。

3.5.2 關于堿式碳酸銅的制備過程

比較不同制備工藝(見表2),并進行優(yōu)化選擇和理論解釋。

表2 堿式碳酸銅4條不同合成工藝比較

3.5.3 產品質量檢測

不同來源的堿式碳酸銅,較為準確、科學的表達式應該是mCu(OH)2·nCuCO3[14],其m、n值需要具體測定?？赏ㄟ^熱分解法、EDTA返滴定法、ICP-OES法等方法測定銅離子含量,對照產品質量標準,評價實驗產品質量[13-17]?？山柚鶻RD、IR及SEM了解產物的晶型結構、形貌等(教師給出標準譜圖、上屆學生實驗產品譜圖、本次實驗產品譜圖,三者進行對比、評價)[8],即使不能讓學生實際操作,介紹一下也能拓展學生視野,增長知識。

3.5.4 實驗注意事項

(1) 控制反應溫度(不超過100℃),且不斷攪拌,否則會出現(xiàn)部分顏色變黑的現(xiàn)象。

(2) 反應pH值對產物質量影響較大,本反應要求在弱堿性條件下進行,因此加料順序一般都是可溶性銅鹽溶液(如CuSO4)加入可溶性碳酸鹽(如Na2CO3)溶液中。

(3) 洗滌沉淀要干凈。產品抽濾時,如濾液pH<7時要不斷洗滌,直到pH≈8左右,否則會出現(xiàn)大量硫酸銅和未反應的溶液包裹著沉淀,影響產品質量。

(4) 反應后若觀察不到暗綠色或淡藍綠色沉淀,可將反應物靜置一定時間。

(5) 產物最好控制80 ℃左右,烘干3 h,這樣既能避免產物高溫分解變黑,又能實現(xiàn)充分干燥。否則會出現(xiàn)產率超過100%現(xiàn)象。

3.5.5 知識遷移、提升

為實現(xiàn)實驗產物綜合利用,后續(xù)可開設“室溫下以乙酰丙酮和自制的堿式碳酸銅為原料合成乙酰丙酮銅”實驗[17],以及類同產物(如堿式碳酸鋅、硫酸亞鐵銨)的制備,以有利于培養(yǎng)學生系統(tǒng)思維的習慣和綠色化學意識。

3.6 開展互動評價

結合各小組PPT匯報交流情況開展互動評價。互動評價主題包括教師評價、小組評價和個人評價,評價內容包括產品性質用途、制備工藝選擇、產品質量檢測、PPT匯報、論文及實驗報告和其他方面等,評價方式為形成性和激勵性評價。注重圍繞產品用途、制備及質量檢測3個方面,透過現(xiàn)象看本質,從理論層面給出合理的解釋,對實驗情況進行點撥引導、歸納總結,以實現(xiàn)鞏固開拓、升華提高,知識靈活遷移運用。

4 多維互動教學模式實施效果

為考察多維互動教學模式實施效果,按照五同原則,即授課教師相同、實驗教材相同、實驗場地相同、實驗考試內容和方式相同、實驗班與對比班情況基本相同(化學基礎、興趣及學習能力無顯著性差異),對比班采取“灌輸式”教學,實驗班采用“多維互動教學模式”教學,實驗班(臨床醫(yī)學專業(yè) A1511班,39人)和對比班(臨床醫(yī)學專業(yè)A1512班,40人),教學實施效果比較見表3。

可見,傳統(tǒng)教學模式注重“依葫蘆畫瓢”,有助于規(guī)范學生基本操作；多維互動教學模式則有助于提升學生學習興趣和成就感,拓寬學生視野、厚實理論知識,廣受學生歡迎。

表3 多維互動教學模式與傳統(tǒng)授課效果對比

4 結語

多維互動教學模式充分體現(xiàn)和貫徹了“以人為本”“因材施教”“自主學習”“團隊合作”等素質教育理念,對培養(yǎng)學生的自主探究能力、合作精神、創(chuàng)新意識和科研素養(yǎng)具有重要意義,有助于在教學過程中構建和諧的師生關系,培育大學生健全人格。雖然初步取得了預期效果,但在實施中尚存在諸多問題,如多維互動教學模式所需課時較多(往往為傳統(tǒng)教學模式課時的3倍)、部分內容較難開展互動、部分學生因自學能力和素質欠缺較難適應多維互動模式、多元化評價體系有待健全等,亟待同行一起探索,不斷探索和完善,努力培養(yǎng)更多高素質應用創(chuàng)新型人才。