廈門大學線下一流課程“基礎化學實驗(一)”教學設計樣例
——“硫酸亞鐵銨的制備、組成和雜質分析及其應用”實驗教學整體設計

王翊如，鄧順柳，呂銀云，任艷平

廈門大學化學化工學院，化學國家級實驗教學示范中心(廈門大學)，福建 廈門 361005

早在2000年，廈門大學進行實驗課程整合改革時，基于學生綜合能力、創新意識培養以及實驗教學資源共享等，將原面向化學類學生開設的兩門專業核心課程“無機化學實驗”和“分析化學實驗”有機融合為面向化學類學生開設的一門專業核心課“基礎化學實驗(一)”(共192學時，6個學分，在大一的第1學年開設)?！盎A化學實驗(一)”課程經過20年的教學改革和實踐，形成了具有廈大特色的與時俱進的基礎化學實驗教學體系、教學內容和教學方式等。

面對大一學生，本課程的教學目的就是以實驗項目為載體，根據學生的實驗基礎和認知規律，由淺至深、由低到高、多層次、全方位地培養學生會“想”、會“做”、會“表達”的能力[1–5]；同時培養學生水、火、電、毒、傷的安全意識和環保理念以及嚴謹的科學態度、認真細致的工作作風、條理整潔的良好習慣和互助協作的團隊精神等。在具體實驗教學內容設計時，首先加強基礎性內容，即不同程度地融合了無機及分析化學基礎理論知識的綜合應用，承載著無機合成、化學定量分析實驗的規范操作意識(為了人身安全和財產安全，為了得到科學的數據和結果)和基本操作技能培養；同時融入體現“高階性”、富有“創新性”和一定的“挑戰度”的內容，培養學生解決復雜問題的綜合能力和高級思維能力，承載著對學生的知識、能力、素質和興趣的綜合培養。下面就以“硫酸亞鐵銨的制備、組成和雜質分析及其應用”實驗為例，具體介紹該實驗的整體設計及其內容，以及“硫酸亞鐵銨的制備”實驗教學實施過程整體設計。

1 “硫酸亞鐵銨的制備、組成和雜質分析及其應用”實驗教學整體設計及其內容簡介

“硫酸亞鐵銨的制備、組成和雜質分析及其應用”實驗，即圍繞著硫酸亞鐵銨的制備，有機融入了組成測定，雜質含量的半定量、定量測定，以及產物應用等，形成了廈大特色的“硫酸亞鐵銨的制備、組成和雜質分析及其應用”實驗教學模塊。從以廢鐵屑為原料的合成，到產物的分析，再到剩余產物的完全科學利用的整體科學設計，構成了完整的“合成—組成及雜質含量測定—用途”一條龍實驗項目(圖1)。讓學生逐步了解合成與分析是緊密聯系在一起的，合成的是什么(定性)、有多少(定量)；雜質是什么(定性)、有多少(定量)、從哪兒來的(溯源)等問題，對如何提高合成的“質”和“量”有重要的指導意義，也是培養學生的創新意識和批判性思維的典型案例。這也是在有關該實驗模塊的第一個實驗時間段(圖2)要向學生介紹的內容，提醒學生利用課程網站上的“動態”教材、操作視頻等資源(圖3)進行課前學習，讓學生習慣于帶著問題進實驗室。這類實驗項目由于實驗過程環環相扣，學生總怕“一步走錯”，引起“滿盤皆輸”，所以，格外引起學生的“好奇”與“關注”，學生的實驗興趣也油然而生。當然，對一年級學生來說，要完美地完成這些實驗過程，還是具有一定的挑戰度。

圖1 廈大特色“硫酸亞鐵銨的制備、組成和雜質分析及其應用”實驗教學整體設計

圖2 向學生介紹廈大特色“硫酸亞鐵銨的制備、組成和雜質分析及其應用”實驗教學整體設計情況

圖3 課程網站資源概覽

通過對圖1所展示的內容及其目的簡單介紹，讓學生在對廈大特色的“硫酸亞鐵銨的制備、組成和雜質分析及其應用”實驗整體設計認識的基礎上，通過定量分析實驗的實施，進一步認識設計承載基本科學思想和方法的定量分析實驗內容，目的是從實驗原理入手，扎實地引導學生分析如何在抽象的待測量與實驗可測量之間建立定量關系，有效地透過實驗現象或數據來挖掘隱藏在其背后的科學思想和方法并展現給學生，以培養學生解決復雜問題的綜合能力和高級思維能力。

1.1 KMnO4法——產品中Fe2+含量測定

用滴定分析法測定合成出的硫酸亞鐵銨(FeSO4·(NH4)2SO4·6H2O)產品中的Fe2+含量，包含了KMnO4法測定Fe2+的基本原理及測定條件控制等，教學生學習和實際操作具有代表性的固體樣的采樣方法，承載了有關化學滴定分析的稱量、溶解轉移、定容、移液、滴定等基本實驗操作技能，強調定量分析的目標即提高精密度以提高實驗結果的可信度，并擴展介紹K2Cr2O7法的應用和不常用K2Cr2O7法的原因以及兩種方法的比較等。

1.2 離子交換法除Fe2+和Fe3+—BaSO4重量法——產品中含量測定

采用經典的重量分析法測定FeSO4·(NH4)2SO4·6H2O產品中的含量，學習重量分析法的基本原理以及如何通過熱、稀、慢、攪、陳(五字“方針”)實驗條件的控制，以得到純凈、粗大的BaSO4晶型沉淀；學習沉淀傾析法過濾、洗滌以及定量轉移等基本實驗操作技能，領會恒重的意義。由于樣品中含有Fe2+(在重量法分析過程中也會被空氣中O2氧化為Fe3+)及少量雜質Fe3+能與BaSO4共沉淀，對分析結果造成影響。所以，在定量沉淀前，引入樣品前處理技術——離子交換法去除Fe2+和Fe3+，以消除Fe2+和Fe3+對重量法測定含量的干擾。涵蓋了對離子交換樹脂的種類、造型、交換原理的認識及其裝柱和交換操作技能的學習；并擴展介紹間接配合滴定法測定含量的基本原理等。

根據上述Fe2+和含量分析結果，引導學生計算n(Fe2+) :n()比值，以判斷和確認產物的組成。

1.3 分光光度法——產品中雜質Fe3+定量分析

用分光光度法對硫酸亞鐵銨中微量雜質Fe3+進行定量分析，承載了分光光度法的基本原理、顯色劑及最大吸收波長的選擇、標準溶液的配制以及標準曲線的制作和分光光度計的規范使用等。讓學生對微量分析法——分光光度法有一個全面的理解和認識。

另外，還采用目視比色法對FeSO4·(NH4)2SO4·6H2O產品中微量Fe3+進行半定量分析，讓學生了解目視比色法的應用。

1.4 研究設計性實驗——產品中、H2O含量測定

在上述分析的基礎上，引導學生3–5人自成一組，自主查閱資料、自主設計實驗方案分析測定FeSO4·(NH4)2SO4·6H2O產品中的NH4+、H2O含量，通過展示各自方案和相互討論，并在課后預約時間具體實施分析測定[6,7]，以培養學生解決實際問題、復雜問題的綜合能力。在這個環節，學生可能還找不到切實可行的分析方法或得不到滿意的實驗結果，我們寬容接受學生實驗失敗，但不寬容贊美。通過實驗教學過程有意識的分工與合作等，教育學生將來無論是在科研工作還是日常生活中，要學會合作與傾聽，要有吃苦和團隊協作精神。

1.5 FeSO4·(NH4)2SO4·6H2O產品的科學應用

本實驗的合成產品FeSO4·(NH4)2SO4·6H2O作為后續實驗“三草酸合鐵(III)酸鉀的制備”實驗的原料，讓學生了解FeSO4·(NH4)2SO4·6H2O作為FeSO4·7H2O替代品的應用。而本實驗體系的科學綜合設計可以消耗65%以上的FeSO4·(NH4)2SO4·6H2O產品，剩余產品回收作為N2制備實驗中N2凈化的吸收劑。廈大特色“硫酸亞鐵銨的制備、組成和雜質分析及其應用”實驗整體科學設計也很好地體現了綠色環保理念。

一流的教學內容是一流課程建設的核心，一流的教學過程才能使一流教學內容的實施落到實處。下面就以“硫酸亞鐵銨的制備”實驗為例，詳細展示圍繞著培養學生會“想”、會“做”、會“表達”的能力而展開的教師講解、學生實施實驗過程等整體設計內容。

2 “硫酸亞鐵銨的制備”實驗教學實施過程整體設計

2.1 教學目標

以“硫酸亞鐵銨的制備”實驗為載體，通過下列所設計的各個教學環節，手把手地啟發、引導學生學習會“想”、會“做”、會“表達”的能力，包括創新意識和批判性思維的培養。

2.1.1 培養學生會“想”的意識和能力

通過學生對該制備實驗的原理、分離方法等預習以及教師的多方位講解、學生親身體驗制備過程、靈活實踐“先做后教、以做定教”實驗教學“翻轉課堂”模式等，手把手地啟發、引導學生學習會“想”的能力。

2.1.2 培養學生會“做”的能力

通過學生對有關制備加熱用的電子儀器的使用了解，教師示范、演示有關常壓熱過濾、減壓過濾的濾紙折疊、修剪等操作，學生具體合成過程實驗條件的控制以及教師的進一步示范、指導，培養學生會“做”的能力；“想”和“做”要相互融合；“做”的過程也體現了“想”和“設計”；“做”以前，總要“想”為什么要這樣“做”。

2.1.3 全方位培養學生的“表達”能力

通過教師講解、指導、示范過程中的言傳身教、提問回答、討論發言、合成過程視頻拍攝、合成產品照片展示以及實驗報告撰寫等，全方位培養學生“活”的口頭表達、“靜”的書面表達以及“動”的視頻(視頻剪輯)表達能力，要求學生真實、科學(不虛美、不隱惡)、藝術(角度、方位，而不是PS)地再現和描述實驗過程和實驗結果。

2.2 教學實施過程整體設計

在明確本實驗教學目標的前提下，教學實施過程整體設計如圖4所示。

圖4 實驗教學實施過程整體設計

這樣環環相扣的實驗教學實施過程整體設計，給學生充分營造了充滿獨立探索和互助協作的緊張有序、有趣的實驗教學氛圍。下面分別介紹具體實施內容。

2.2.1 學生預習

學生利用教材、“動態”教材和課程網站(圖3)提供的資源進行課前預習，了解硫酸亞鐵銨的制備原理、分離方法、實驗步驟以及有關水浴鍋、電熱板、循環水泵等儀器的規范使用等。讓學生帶著問題進實驗室，并逐步明白實驗教學過程就是一個發現問題、提出問題、分析問題和解決問題的過程。指導教師通過師生之間、學生之間的提問、回答、討論情況以及查看學生的預習報告、小測等形式來檢查學生的預習情況。

2.2.2 教師講解

大一學生的實驗基礎較差，需要指導教師利用多媒體輔助實驗教學進行系統的制備原理、分離方法、示范和演示電熱板、循環水泵等儀器的規范使用及其注意事項以及常壓熱過濾、減壓過濾濾紙的折疊、修剪等探討式講解，以及實驗漸進過程中逐步的引導和啟發的分解式講解，如圖5所示，如引導學生對物質性質(溶解性、穩定性等)的認識，啟發學生理解其制備方法、合成條件及其合成條件的控制、分離方法、干燥及保存方法等，如產物在乙醇中不溶，給抽濾后為什么用乙醇洗滌硫酸亞鐵銨晶體的原因提供了理論指導。

圖5 教師講解內容概要

2.2.3 學生實驗

學生在預習和教師講解的基礎上，按照圖6所示流程完成實驗。

圖6 FeSO4·(NH4)2SO4·6H2O制備流程

在實驗漸進過程中，教師仍然通過示范、演示來逐步引導和啟發學生完成實驗，得到產物，并要求學生對產物進行拍照后當場上傳至課程網站，同時要求學生完成整個制備過程的視頻拍攝，課后剪輯上傳至課程網站，培養學生要科學藝術地表達實驗過程和實驗結果。

盡管實驗課前學生有充分的預習、教師詳細的講解和示范演示，還有詳細的合成步驟，但對一年級學生來說，在制備過程中，對實驗條件等常理解不到位，如為什么在熱過濾前要加20 mL純H2O、加熱H2O還是冷H2O等操作和選擇的目的不清楚，所以合成“細節”掌握不好，導致大部分學生的實驗結果不理想。如何才能得到又“好”、又“多”的硫酸亞鐵銨產品呢？這是需要我們引領學生進行反思和討論的問題[1]。

2.2.4 靈活實踐“先做后教、以做定教”實驗教學“翻轉課堂”模式

本課程采用的是小班(16–22名學生一個班，由一名資深教師和一名助教共同指導)教學方式，便于有效實踐“先做后教、以做定教”實驗教學“翻轉課堂”模式[1–5]，即趁學生對“硫酸亞鐵銨的制備”實驗已經具有親身經歷和切身體會后，圍繞著產品的“質”和“量”，也就是以“如何才能得到又‘好’、又‘多’的硫酸亞鐵銨產品”問題為導向，以圖7展示的詳細直觀的制備流程為基礎，再與學生們一起一步步(圖8)地對合成過程、條件等進行仔細研究和深刻反思、判斷，如盡可能使Fe2+溶液在空氣中放置的時間短些，哪些操作先準備，哪些操作后進行等。實驗過程中哪些條件是提高“質”，哪些條件是提高“量”等，并伴隨著具體的實驗操作演示，啟發和引導學生去“想”，從而培養學生的批判性思維。

圖7 “先做后教、以做定教”實驗教學“翻轉課堂”模式實施過程設計

圖8 FeSO4·(NH4)2SO4·6H2O制備過程所承載的細節問題

即使學生能夠把上述問題理解并做到位，也不一定就能得到質量高(顏色和晶態都好)的產物，還需要教師把教學實踐中總結的經驗傳授給學生，如圖7中所示：蒸發過程中不能驚擾(不僅僅是不能攪拌，也不要改變水浴鍋的溫度、不能使雜質落入等)、蒸發不要過度、在蒸發至薄膜呈現冷卻前，

輕輕將膜“劃”開、在自然冷卻過程中適時輕輕將大塊晶體“戳”小、轉移至表面皿的晶體要輕輕“攤”開等，“輕輕”體現了“剛中帶柔”的操作，“劃”、“戳”、“攤”操作都是用玻璃棒來完成的，但始終沒有說“攪”，引導學生在描述實驗過程和實驗結果時要科學、準確，措辭嚴謹、語言銳利。

2.2.5 教學效果

只有扎實地引領和引導學生將上述一系列問題和細節都理解并都做到位，只有深刻理解適時適度地控制好實驗條件的含義，參與實驗的99%的學生才能夠再合成出又“好”、又“多”的產物，如圖9所示。通過展示學生得到的漂亮產物，讓學生切身體會到什么是真正的“好”，并形成對“好”的合成產物的判斷標準。做得不好的學生，知道向“好”的方向努力就好。

圖9 學生合成產物展示

3 結語

一流的教學內容是一流課程建設的核心，一流的教學過程才能使一流教學內容的實施落到實處?！傲蛩醽嗚F銨的制備、組成和雜質分析及其應用”實驗教學實施整體設計很好地體現了一流課程建設的內涵。一流課程建設不僅要求教師做到精準設計每一次課，更要求教師認真引領、指導學生去實踐好每一次課。如何做好基礎化學實驗一流課程建設還需要我們不斷地進行探索和實踐，以期為基礎化學實驗一流課程建設和基礎化學實驗教學改革提供適應面廣、操作性強的可借鑒經驗。