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HPS教育背景下大学无机化学实验教学新设计研究
摘要：无机化学实验课程如何在关注实验技能和基本原理的同时对学生加强批判精神和创新意识的培养是一个值得研究的课题。本文提出在无机化学实验的教学中融入HPS教育,在强化实验技能和基本原理的同时,培养学生的批判精神与创新意识,提高学生的化学核心素养。以“从海带中提取碘”为例,基于HPS教育的理念,对实验教学内容和教学过程进行了设计,在兼顾化学基础知识与技能的同时突出了HPS教育价值的内容。
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无机化学实验是针对环境、化学、化工及其相关专业开设的一门必修或专业基础课,一般在大一的下学期开课。在教学目标的设置及实际教学过程中,关注点大都聚焦在实验技能的提高和化学基本原理的掌握,而对实验课程对培养学生的批判意识、创新精神认识不足、落实不够,导致难以落实大学素质教育的核心目标。如何能够在实验课程的教学过程中兼顾实验技能、基本原理的掌握以及科学精神、批判精神、创新意识的培养是一个值得研究的课题。
HPS是“科学史(HistoryofScience)、科学哲学(PhilosophyofScience)、科学社会学(SociologyofScience)”的简称。它是基于建构主义理论提出的一种新的科学教育的教学模式[1,2]。HPS教育注重和倡导从科学史、科学哲学、科学社会学等多类学科角度选择、编排教学内容,充分融入科学史、科学哲学等科学内容,让学生感受和体验科学发展的过程,从中学到科学研究的方法,领悟科学家严谨求实、敢于质疑、勇于创新的科学精神[3]。
HPS强调的“科学的批判性、科学的创新性、科学的人文性”等诸多教育价值内容与我国“培养学生的理性批判精神、科学创新思维和社会责任意识”[4]的大学素质教育核心目标高度契合。因此,将HPS教育引入大学无机化学实验教学,对无机化学实验的教学进行重新设计是顺应我国大学当前开展课堂教学改革,打造“金课”、淘汰“水课”的趋势。“从海带中提取碘”是高中化学人教版选修6《实验化学》中的重要课题,其突出特点是综合性强,学生思维活动量大,但是经过了解几乎没有学生选修该模块。对该课题重新进行基于HPS理念的教学设计并在大学一年级进行学习旨在做好高中和大学衔接的基础上,在强化学生实验技能和基本原理的前提下,培养学生的批判精神、创新精神、探索精神,提高学生的化学核心素养,并以此为案例为开发HPS教育理念指导下适合我国大学化学实验教学的教学模式提供参考。
1、教学目标
(1)学会设计从海带中提取碘的操作流程;掌握碘离子氧化、萃取和反萃取、歧化反应和反歧化反应(归中反应)的原理和操作;理解从植物中提取无机物的一般思路和方法。
(2)学会过滤装置的改进,并对传统氧化剂进行优劣分析,增强创新意识和批判精神;通过萃取和反萃取、歧化和反歧化的对比和应用,建立逆向思维和对立统一的观念。
(3)通过体验从海带中提取微量碘的来之不易,体会科研工作的艰辛,树立踏实勤恳、刻苦钻研的科学态度。
2、实验用品
烧杯、玻璃棒、磨口比色管、具支砂芯漏斗、手动抽气装置、胶头滴管、试管、家用活氧机、分液漏斗等。
500mg海带灰、稀盐酸、NaOH溶液、淀粉溶液、CCl4、蒸馏水等。
3、教学设计流程图
图1教学设计流程图
4、教学过程设计
4.1 科学史实导课,激发学习兴趣
【提出问题】历史上伟大科学家居里夫人通过从矿物中发现并提取具有放射性的元素——镭而获得诺贝尔化学奖。由于镭的放射线穿透力很强,能破坏动物体的组织并杀死细菌,因此在医学上可用来治疗癌症或皮肤病,这说明了从大自然中提取一些人们所需的成分是非常有意义的。本节课我们就尝试从海带中提取碘单质,进而了解从植物中提取无机物的一般思路和方法。
【过渡】海带中碘的主要存在形式是含碘有机物,如何才能把海带中的含碘物质转化成碘单质呢?
【启发】通过灼烧把有机碘化物转变为I-,I-易溶于水,容易被氧化生成碘单质。
【学生活动】小组交流、讨论后设计实验操作流程(如图2所示)。
图2从海带中提取碘的实验操作流程
设计意图:从居里夫人发现并提取放射性元素——镭而获得诺贝尔奖,引出课题,激发学生科研兴趣,并为接下来体验科学家科研工作的艰辛及树立踏实肯干的科研精神作铺垫。学生通过讨论主动参与实验探究,设计实验方案,增强其想要探索到底的科研欲望。
4.2 改进过滤装置,增强创新意识
【学生实验】学生秤取事先灼烧好的海带灰500mg,放入烧杯中进行溶解,同时引导学生观察实验现象并提出如下问题:
(1)没有溶解的海带灰如何分离?
(2)回忆以往的过滤操作,发现在过滤的过程中会遇到哪些问题?
【学生交流回答】没有溶解的海带灰可以通过过滤的方法除去;以往过滤操作的步骤为“一贴、二低、三靠”,但过滤速度较慢。
【学习历史】近代科技史表明:科学技术上的重大突破与新的实验仪器和设备的建造、新的实验技术的发明和应用有着紧密的联系。居里夫人就是在进行已知元素的射线电离能力的测量实验时,认识到前人采用的测量方法产生的电流极其微弱,计量起来十分困难,于是居里夫人使用改进后的实验装置代替了原有的仪器设备,这才发现了放射性更强的新元素“镭”[5,6]。
【学生实验设计】尝试改进过滤装置,加快过滤速度。引导学生可以通过减小漏斗下方压强的方法,利用压强差来加快过滤速度。小组交流讨论,针对各组学生给出改进方案,教师进行对比总结,完善装置并进行演示实验。
【教师演示实验】利用磨口的比色管,具支砂芯漏斗和生活中常用的手动抽气装置搭建简易的减压过滤装置,并运用此装置快速过滤海带灰悬浊液(如图3所示)。
图3简易快速减压过滤装置
设计意图:温故而知新,通过引导学生发现常规过滤装置中过滤速度慢这一实际操作问题,启发学生寻找解决问题的方法。学生从居里夫人改进实验装置的科学史实中获得启示,感受科学家的创新精神。教师引导学生运用实验室和生活中常见的仪器搭建简易的减压过滤的装置,增强其创新意识。
4.3 摒弃传统氧化剂,培养质疑精神
【提出问题】能将I-氧化为I2的常见氧化剂都有哪些?引导学生针对他们提出的氧化剂进行优劣分析。
【学生讨论】小组交流讨论哪些氧化剂可以将I-氧化成单质I2,如Cl2、H2O2、溴水、浓硫酸、高锰酸钾等。
【师生交流】与学生讨论上述氧化剂的可行性及缺点,如Cl2、溴水有毒,有害健康且污染环境、H2O2与多种物质混合易发生爆炸、浓硫酸有腐蚀性比较危险……。引导学生提出一种绿色环保的氧化剂。
【学习历史】居里夫人在从事科学研究时,不仅重视实验仪器的制造和改进,还敢于质疑传统,创立新式化学分析方法[5,6]。同样的,我们也可以摒弃上述传统氧化剂,选择一种新型的绿色氧化剂。
【教师活动】介绍新型绿色氧化剂——臭氧以及它在酸性条件下与I-反应生成I2、O2和H2O的氧化原理。介绍臭氧的发生装置——家用活氧机,同时向学生说明家用活氧机是利用高频高压放电产生臭氧,在日常生活中可实现降解果蔬农药,分解肉类激素和抗生素等多种功能。
【学生实验】将家用活氧机产生的O3通入滤液中,引导学生观察实验现象,用淀粉指示剂检验I2的生成。
【学生活动】观察、描述实验现象:溶液变黄,且随着O3通入颜色逐渐加深。向溶液中滴加淀粉指示剂,溶液变蓝,证明有I2的生成。
【发现问题】I2在水中的溶解度很小,但为什么没有观察到有I2沉淀生成呢?如何富集溶液中的I2?
【学生讨论】小组交流讨论:随着反应的进行,发生了可逆反应:Ι-+Ι2⇌Ι3-。
用萃取的方法富集I2,萃取剂可以选择CCl4。
【学生实验】用CCl4萃取I2并分液并观察、描述实验现象:溶液分层,上层为淡黄色,下层显紫红色。
设计意图:学生从居里夫人敢于质疑传统的科研精神中受到鼓舞,主动参与讨论,对传统氧化剂的优劣进行分析,培养发散思维和质疑精神。教师在此基础上,引入新型氧化剂——臭氧,使学生学会从哲学的角度对实验方法进行审视和评价,从不同的观点中寻求最好的实验方法。
4.4 反萃取操作,树立对立统一观念
【提出问题】如何分离I2和CCl4从而得到纯净的I2固体呢?
【教师启发】引导学生回忆卤素一族的通性:都可以与碱反应。I2与碱性溶液发生歧化反应,生成I-和IO-3,它们在水中溶解度很大,又从CCl4中被反萃取到水层中。萃取和反萃取属于哲学上对立统一的观念。
【学生实验】向分液后的I2的CCl4溶液中加入NaOH溶液,振荡并观察、描述实验现象(溶液下层的紫红色褪去)。
【提出问题】如何将水层的I-和IO-3再转化成I2呢?
【学生讨论】同样依据哲学上对立统一的思想,向其中加入酸,利用归中反应得到I2。
【学生实验】用胶头滴管吸出下层的CCl4并回收,向溶液中加入稀硫酸,有紫黑色I2沉淀生成,再通过自制的减压过滤装置得到纯净的I2。
设计意图:启发学生运用反萃取和反歧化的实验原理提取CCl4中的I2。通过萃取和反萃取、歧化和反歧化的对比和应用,发展学生的逆向思维,建立起哲学上对立统一的观念。
4.5 总结升华,体验科学人文内涵
【总结反思】回顾从海带中提取碘的操作流程(如图4),引导学生总结科学家从植物中提取无机物的一般思路和方法。
【以史为鉴】总结居里夫人在研究镭的过程中所体现的科学精神,结合其用了45个月才从8吨的矿渣中提炼出0.1g氯化镭的这一史实[6],深刻体会居里夫人提取镭元素的困难,同时向学生提出运用所学知识造福人类的期望,并向奋斗在科研一线的科研工作者们致敬。
图4从海带中提取碘的实验操作流程
设计意图:与引课内容相呼应,学生通过从海带中提取微量碘的来之不易以及居里夫人提取镭元素的困难,深刻体会到科研工作的艰辛,树立学生踏实勤恳、刻苦钻研的科学态度,培养其终身受益的情感态度与价值观。
5、教学反思
受到学生基础知识和思维水平的限制,我们往往无法真实的还原科学家完整的研究过程,这就需要教师能够精选史料,找准与HPS教育的契合点,选择有代表性的科学史料作为教学背景,充分挖掘这部分科学史中蕴含的科学思想、科学观念、科学方法等。本节课通过从海带中提取碘的具体操作流程,为学生模拟呈现出更为真实、生动的科学家的探索过程,让学生更深刻的感知科研探究的艰辛,使学生们亲身体验到科学方法的进步,更加清楚地认识到科学的本质。注重培养学生的创新精神、质疑精神、探索精神,强调科学的人文内涵,提高学生的化学核心素养。
参考文献：
[1]易娜伊,郭桂周.学科文化理论视域下的HPS教育[J].教学与管理,2019(3):4-6.
[2]陈彦芬.基于HPS教育理念的无机化学教材内容分析策略[J].沧州师范学院学报,2016,32(1):112-115.
[3]袁维新.HPS教育与大学教育改革[J].现代大学教育,2010(1):92-97,118.
[4]吴致远.在大学教学中引入HPS教育的设想——基于素质教育的视角[J].自然辩证法研究,2009(5):105-110.
[5]赵秀娥,梁国钊.试论居里夫人的科研艺术[J].大学物理,2006,25(12):51-54.
[6]赵匡华.化学通史[M].北京:高等教育出版社,1990:90-95.
高峰,曲江英,臧云浩,谭桂平,吴松原,都京.HPS教育引领下的大学无机化学实验教学新设计[J].广州化工,2020,48(14):150-152.
基金:粤教高函[2018]180号,东莞理工学院质量工程项目(201802104).
多孔材料广泛应用于过滤、分离、纯化、萃取、冷却、干燥和催化等领域，包括材料科学、工程、力学、地球科学和生物学等。沸石、黏土、陶瓷和木炭等许多常见的物质都是重要的多孔材料，其主要特征就是相互连通和永久性的孔道。沸石是在无机化学领域应用非常广泛的材料之一，作为一种具有很大商业价值的材料，它在气体分离和工业催化等领域有非常重要的应用。
2024-11-13
无机化学课程在高校化学的课堂教学中第一门公共基础课程,对于理工科学科,尤其是食品酿造学科的本科应用技术型大学,无机化学实验课程是一门必修基础课程[1]。对于公共基础课程存在着学生层次不同,内容设置单一和、专业特色不明显以及评价体系难以量化,不能充分发挥实验课程优势,难以激发学生积极性和主动性,不能很好引导学生将理论知识与实践充分结合[2]。
2020-09-15
本文将“雨课堂”与《无机及分析化学》课程相融合，通过“雨课堂”这个有效的教学平台实现了优秀教育资源的共享，使教师与学生展开了有效的课前、课中和课后互动，提升课程的教学效果，使学生能够扎实的掌握《无机及分析化学》的基础知识，为后续课程的学习提高有力的保障。
2020-09-09
基于《无机及分析化学》理论课程开设的《无机及分析化学实验》旨在加深学生对无机及分析化学基本理论的理解，更系统地学习、理解无机化学与分析化学实验的基本知识、基本操作和基本技能，养成严谨的、实事求是的科学态度，初步掌握实验研究的方法，为学习后续课程和将来从事实际工作打下良好的基础[1,2]。
2020-09-09
半导体光催化技术因其仅利用太阳能作为能源来降解污染物而被认为是一种很有前途的解决环境污染问题的技术。尽管人们对TiO2、ZnO和WO3等半导体做了大量研究，但这些半导体的光催化效率仍低于商业化所需的效率。限制效率的因素包括：(1)对太阳光不能完全吸收利用；(2)催化剂的稳定性差；(3)快速的电子-空穴复合速率；(4)缓慢的表面氧化还原反应速率。
2020-09-05
在过去的30年中，锂离子电池已广泛应用于便携式电子设备当中，并在近年来扩展到大型储能电站和电动汽车等应用领域。但是，锂离子电池在这些新的应用场景中需要在能量密度、安全性和使用寿命上满足更高的要求。石墨类碳材料作为最常见的商业化的负极材料，其较低的嵌锂电位会导致电池负极表面析锂现象的产生，从而给电池带来安全上的隐患；同时，石墨材料较低的比容量也限制了电池能量密度的进一步提高。
2020-09-05
稀土配位聚合物的合成与性质研究是当前稀土配位化学研究的热点领域之一，这类配合物在光致发光、电致发光、荧光探针、磁性、吸附、催化等材料领域具有潜在的应用价值。铕和铽在稀土配合物发光材料方面是应用最多的2种元素，一方面这2种元素三价离子的发光处于可见光区，分别能发射三基色中的红色和绿色光；另一方面，使用它们作为配位中心离子时，理论上可得到内量子发光效率非常高的发光材料。
2020-09-05
金属配合物由于其独特组装结构，在催化剂、传感器、气体吸附、发光材料、抗癌药物和抗菌等方面都有潜在的应用价值，因此一直以来都受到广泛的关注。含有吡啶基团的酰腙Schiff碱化合物，由于吡啶环上的氮原子的亲核能力很强，酰腙Schiff碱化合物易与不同的过渡金属离子以不同的配位模式作用，组装成结构新颖的酰腙Schiff碱配合物。
2020-09-05
分子基发光材料因其易于分子裁剪、结构丰富、颜色可调、性能可控、制备简单、能耗低等优点，近年来已成为新材料研究领域中的热点之一，在光电、信息、环境乃至生命科学等诸多高新技术领域具有广泛应用。在分子基发光材料的开发和设计研究中，荧光量子产率的提升、发射光谱和荧光寿命的调控等是该领域的关注重点之一。在众多分子基发光材料中，氟硼配合物因其优异的发光性能备受关注。
2020-09-05
针对粉体MOF衍生材料存在制备工艺复杂、薄膜厚度难以控制等问题，我们通过液相外延分步生长法制备了一种金属有机框架薄膜(PIZA-1)，然后以其作牺牲模板，在惰性氛围中制备了一种CoSe2和N共掺杂的碳膜(CoSe2/N-CF)，并用作DSSC对电极，其具有制备简单、粘结力强、厚度可调等优势。系统表征了CoSe2/N-CF形貌特点、结构性质及电化学性能，并深入研究了不同厚度薄膜、CoSe2颗粒大小对DSSC的光伏性能的影响。
2020-09-05
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期刊名称：分析化学
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主管单位：中国科学院
主办单位：中国化学会,中国科学院长春应用化学研究所
出版地方：吉林
专业分类：化学
国际刊号：1872-2040
国内刊号：22-1125/O6
邮发代号：12-6
创刊时间：1972年
发行周期：月刊
期刊开本：大16开
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2020-08-27
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