磷含量測定實驗教學(xué)逆向思維在污水中總中的應(yīng)用

2021-07-14 07:07:28龍威

實驗與分析 2021年2期

文/龍威

逆向思維在高校實驗教學(xué)中具備較大的優(yōu)勢// 本文借助污水中總磷含量測定實驗教學(xué)為例，詮釋了逆向思維實驗教學(xué)方法的實施。它大大促進了學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情，較好地鍛煉了學(xué)生主動發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力。針對國內(nèi)高等教育的實驗教學(xué)改革，探明和開拓了新的發(fā)展思路。

高等教育的高速發(fā)展，越來越要求培養(yǎng)人才需更重視核心專業(yè)技能的培養(yǎng)，突出學(xué)生的實際動手能力與創(chuàng)新能力，已更好地鍛煉學(xué)生適應(yīng)社會工作的需要。當(dāng)今時代，應(yīng)用化學(xué)、化學(xué)工程與工藝、工業(yè)分析、材料控制工程等專業(yè)的本科生在社會就業(yè)市場上仍有很大的缺口，大量的以生產(chǎn)和檢測為主體的國有企業(yè)、民營企業(yè)、外資企業(yè)等，需要大量具備較高實驗技能的本科人才，這與高等教育中的實驗教學(xué)息息相關(guān)。

以往的實驗教學(xué)方法，已經(jīng)突顯了“照本宣科”的弊病，若本科學(xué)生拿到了實驗教材或講義，只照搬實驗教程上的相關(guān)要求和步驟去實施，極大地削弱了本科學(xué)生自己發(fā)現(xiàn)問題、解決問題等積極性，常規(guī)性地照搬教材上知識或步驟，不利于學(xué)生的核心實驗技能的高效培養(yǎng)與鍛煉。

污水中總磷含量的測定是一項綜合性的實驗，考查了學(xué)生對磷元素測定的認(rèn)識，通過實驗方法掌握磷鉬藍分光光度法的運用，通過復(fù)雜的多步反應(yīng)，將含磷元素的物質(zhì)進行轉(zhuǎn)化，有效地鍛煉了學(xué)生的實際問題分析能力。通過學(xué)生自主完成實驗、數(shù)據(jù)分析、優(yōu)化參數(shù)等掌握污水中磷元素的測定方法，在工業(yè)分析或環(huán)境水質(zhì)監(jiān)測中具有較廣泛的用途，在化工、化學(xué)、材料、環(huán)境等專業(yè)的基礎(chǔ)實驗中具有重要地位。本文擬將逆向思維法灌入污水中總磷含量的測定的實驗教學(xué)中，通過逆向思維引導(dǎo)學(xué)生自主發(fā)現(xiàn)問題、提出方案、解決問題等能力，實現(xiàn)了高等教育實驗教學(xué)的創(chuàng)新與改革，有利于學(xué)生專業(yè)技能的培養(yǎng)。

實驗教學(xué)體系的設(shè)計對比

污水中總磷含量的測定實驗的常規(guī)教學(xué)法為實驗預(yù)習(xí)→實驗準(zhǔn)備→實驗講解→實驗開展→實驗報告，大多數(shù)學(xué)生對磷鉬藍分光光度法十分陌生。由于磷元素的氧化數(shù)很多，對不同形態(tài)的含磷物質(zhì)進行預(yù)處理和稀釋，配制標(biāo)液及掌握磷鉬藍分光光度法的原理，需要消耗很多時間，理論上理解十分抽象。實驗中試液和采樣的配制環(huán)節(jié)多，二氯化錫(SnCl2)、抗壞血酸(C6H8O6)、鉬酸銨((NH4)6Mo7O24)、酒石酸銻鉀(KSbC4H4O7)、磷酸二氫鉀(KH2PO4)等試劑是很多學(xué)生首次接觸，實驗過程的理解與推進比較棘手，也成為本實驗開展較難的主要原因。逆向思維法則能很好地解釋本實驗過程，總磷的含量→吸光度檢測→標(biāo)準(zhǔn)吸光度曲線的制作→標(biāo)準(zhǔn)液配制→實驗原理，我們將傳統(tǒng)的實驗環(huán)節(jié)與逆向思維教學(xué)法的環(huán)節(jié)設(shè)計如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)教學(xué)模式與逆向思維教學(xué)模式構(gòu)成

在傳統(tǒng)教學(xué)模式中，教師完成了實驗講解→實驗準(zhǔn)備→實驗督查等主要任務(wù)，學(xué)生是被動受到灌輸式教育，主要精力集中在實驗過程及實驗報告上，由于實驗的時間有限，很多學(xué)生就直接照搬實驗教材或講義上的內(nèi)容進行盲目套用，學(xué)生的自主探究能力沒有得到有效的開發(fā)。相反來說，在逆向思維教學(xué)模式中，教師的工作量得到分散和減輕，提出污水中含磷總量的測定問題，由學(xué)生去尋找如何利用朗伯-比爾定律的線性關(guān)系，然后進行磷鉬藍分光光度法的探索，從而很順利地理解試液配置的方法、吸光度曲線的繪制等，從而明白了為何需要使用鉬酸銨與酒石酸銻鉀，進一步滲透了實驗原理，從根本上解決試劑繁多如何應(yīng)用的理解盲點，疏通了實驗思路，有利于學(xué)生自主探究能力與創(chuàng)新能力的發(fā)揮。

逆向思維實驗教學(xué)法實施

逆向思維實驗教學(xué)法并不是一味的讓學(xué)生獨立自主探究，而是在有科學(xué)指導(dǎo)的情況下進行分步引導(dǎo)。環(huán)境水體中N、P等元素的超標(biāo)，會造成水藻瘋狂生長，產(chǎn)生水華等嚴(yán)重污染。當(dāng)今科技的發(fā)展，力求在洗滌劑、洗衣粉等化學(xué)試劑中盡量減少或者不用含磷的化學(xué)品，磷元素的含量測定就成為當(dāng)今水質(zhì)監(jiān)測的重要內(nèi)容。為了實驗的順利開展，學(xué)生應(yīng)該在老師的指導(dǎo)下進行討論和分析，從而進行有效的實驗預(yù)習(xí)，其展開環(huán)節(jié)如圖2所示。

圖2 逆向思維的實驗準(zhǔn)備環(huán)節(jié)

污水中總磷含量的測定實驗的實驗原理較為復(fù)雜，但如果使用逆向思維法在掌握實驗原理主線的基礎(chǔ)上，很容易順著探索思維找到各個關(guān)鍵的實驗原理，明白實驗中二氯化錫和鉬酸銨的作用，其基本原理深入人心，配置標(biāo)液的方法和步驟也會更加精準(zhǔn)。

實驗中抗壞血酸和SnCl2的作用一樣，但是作為還原劑，抗壞血酸容易被氧化成大量CO2溶于溶液中，不僅微弱地改變了溶液的酸性，對吸光度的測定也產(chǎn)生了干擾。由于溶液始終保持著酸性，Sn4+與Sn2+均不易發(fā)生水解，影響很小。磷鉬藍分光光度法的核心是檢測吸光度，根據(jù)逆向思維法很容易找出能影響吸光度大小的是溶液中MoO3的含量。從而推出了如下疑問：

1.污水采樣如何保存？

2.試液制備為何要煮沸？

3.鉬酸鹽-硫酸溶液如何配制？

4.產(chǎn)生測量誤差的因素有哪些？如何糾正？

學(xué)生帶著這些問題的答案再撰寫實驗預(yù)習(xí)報告，能較好地理解實驗的重點和難點，掌握該做什么？出現(xiàn)了誤差的原因是什么？如何糾正或校準(zhǔn)？選擇標(biāo)準(zhǔn)吸光度曲線的正確實驗結(jié)果如圖3所示，線性相關(guān)度高達0.9998。

圖3 吸光度與濃度的線性關(guān)系

逆向思維能有效地讓學(xué)生領(lǐng)悟如果要明確污水中總磷含量，必須找到良好的線性關(guān)系，這也是檢測方法上的科學(xué)可行與合理性判斷依據(jù)。通過污水中試樣的磷鉬藍分光吸光度數(shù)值，可以推導(dǎo)出污水中總磷含7.0~12.0 mg/L，符合工業(yè)污水中含磷的標(biāo)準(zhǔn)含量。

逆向思維實驗教學(xué)法效果分析

與傳統(tǒng)教學(xué)法相比，逆向思維法讓學(xué)生更容易接受，同時也帶給教師不一樣的教學(xué)啟迪。逆向思維法要求教師的教學(xué)方式進行全面的改革，突破傳統(tǒng)的課堂講授，照本宣科的教學(xué)理念，融入師生共同探討，相互溝通與分析，體會共同探究與發(fā)現(xiàn)的實踐過程，對學(xué)生的實驗信心和熱情有極大的鼓舞，學(xué)生的實驗成績也有了相應(yīng)明顯的提高，學(xué)生成績具體比例數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖4 傳統(tǒng)教學(xué)法和逆向教學(xué)法的學(xué)生成績比例構(gòu)成

非常明顯地，傳統(tǒng)教學(xué)法的學(xué)生成績比例中，90分及以上成績的學(xué)生人數(shù)僅占有5%，絕大多數(shù)學(xué)生的成績集中在70~79分段，不及格成績的學(xué)生人數(shù)占有2%；逆向思維法實施后，學(xué)生成績比例發(fā)生了明顯改變，90分及以上成績的學(xué)生人數(shù)提升至19%，絕大多數(shù)學(xué)生的成績集中在80~89分段(占總?cè)藬?shù)的38%)，且成績在70~79、60~69分段的學(xué)生人數(shù)比例分別降低了15%和12%，不及格成績的學(xué)生人數(shù)降低為0。這充分說明了實施逆向思維教學(xué)后，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣大大增強了，學(xué)習(xí)動力得到了發(fā)揮，實驗也更加認(rèn)真和努力了。我們并不需要局限于讓學(xué)生按照教材或?qū)嶒炛v義的照搬式實驗，實驗教學(xué)的目的本應(yīng)盡量發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性與創(chuàng)新精神，注重學(xué)生自身的潛能發(fā)揮，往往能起到更好的教學(xué)效果。

逆向思維實驗教學(xué)法優(yōu)勢與不足分析

逆向思維實驗教學(xué)法相對常規(guī)實驗教學(xué)法，其最大特點是把問題推給學(xué)生進行思考與鼓勵，徹底釋放了學(xué)生的被動灌輸知識的壓力，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)知識的源動力，讓學(xué)生的主觀能動性得到最大限度的發(fā)揮。逆向思維實驗教學(xué)法也不是萬能的，其開展和實施具有一些不足，現(xiàn)將優(yōu)勢和不足的若干方面列于如下的表1中。

表逆向思維實驗教學(xué)法的優(yōu)勢和不足對比

截止到目前，逆向思維教學(xué)法大規(guī)模地在全國高校的實驗教學(xué)上進行推廣，還具有一定的困難。這是因為并不是所有實驗教學(xué)都適合逆向思維教學(xué)法，理論性十分突出的實驗可能在傳統(tǒng)實驗法仍體現(xiàn)出較大的優(yōu)勢，且在完成教學(xué)任務(wù)上具有很方便的操作性。許多高校為實驗教學(xué)的開展，考慮了實驗品消耗的成本、課時課酬的支付成本、教學(xué)時長的有效把控等方面，有非常嚴(yán)格規(guī)范的限制，導(dǎo)致逆向思維教學(xué)法只能在部分專業(yè)局部進行。其次，逆向思維教學(xué)法給學(xué)生實驗的主觀能動性發(fā)揮帶來便利的同時，需要教師有更高的現(xiàn)場監(jiān)控能力、豐富的現(xiàn)場靈活教學(xué)指導(dǎo)能力。學(xué)生的實驗報告撰寫可能產(chǎn)生更多的探究性結(jié)果，答案的不一致給課程考核帶來更多的壓力，也為逆向思維教學(xué)法的拓展與推行造成了阻礙。

結(jié)論