磷含量測定實驗教學逆向思維在污水中總中的應用

文/龍威

逆向思維在高校實驗教學中具備較大的優勢// 本文借助污水中總磷含量測定實驗教學為例，詮釋了逆向思維實驗教學方法的實施。它大大促進了學生創新能力的培養，激發了學生學習的熱情，較好地鍛煉了學生主動發現問題、分析問題、解決問題的能力。針對國內高等教育的實驗教學改革，探明和開拓了新的發展思路。

高等教育的高速發展，越來越要求培養人才需更重視核心專業技能的培養，突出學生的實際動手能力與創新能力，已更好地鍛煉學生適應社會工作的需要。當今時代，應用化學、化學工程與工藝、工業分析、材料控制工程等專業的本科生在社會就業市場上仍有很大的缺口，大量的以生產和檢測為主體的國有企業、民營企業、外資企業等，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息息相關。

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

污水中總磷含量的測定是一項綜合性的實驗，考查了學生對磷元素測定的認識，通過實驗方法掌握磷鉬藍分光光度法的運用，通過復雜的多步反應，將含磷元素的物質進行轉化，有效地鍛煉了學生的實際問題分析能力。通過學生自主完成實驗、數據分析、優化參數等掌握污水中磷元素的測定方法，在工業分析或環境水質監測中具有較廣泛的用途，在化工、化學、材料、環境等專業的基礎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中，通過逆向思維引導學生自主發現問題、提出方案、解決問題等能力，實現了高等教育實驗教學的創新與改革，有利于學生專業技能的培養。

實驗教學體系的設計對比

污水中總磷含量的測定實驗的常規教學法為實驗預習→實驗準備→實驗講解→實驗開展→實驗報告，大多數學生對磷鉬藍分光光度法十分陌生。由于磷元素的氧化數很多，對不同形態的含磷物質進行預處理和稀釋，配制標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節多，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→標準吸光度曲線的制作→標準液配制→實驗原理，我們將傳統的實驗環節與逆向思維教學法的環節設計如圖1所示。

圖1 傳統教學模式與逆向思維教學模式構成

在傳統教學模式中，教師完成了實驗講解→實驗準備→實驗督查等主要任務，學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，很多學生就直接照搬實驗教材或講義上的內容進行盲目套用，學生的自主探究能力沒有得到有效的開發。相反來說，在逆向思維教學模式中，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，由學生去尋找如何利用朗伯-比爾定律的線性關系，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用的理解盲點，疏通了實驗思路，有利于學生自主探究能力與創新能力的發揮。

逆向思維實驗教學法實施

逆向思維實驗教學法并不是一味的讓學生獨立自主探究，而是在有科學指導的情況下進行分步引導。環境水體中N、P等元素的超標，會造成水藻瘋狂生長，產生水華等嚴重污染。當今科技的發展，力求在洗滌劑、洗衣粉等化學試劑中盡量減少或者不用含磷的化學品，磷元素的含量測定就成為當今水質監測的重要內容。為了實驗的順利開展，學生應該在老師的指導下進行討論和分析，從而進行有效的實驗預習，其展開環節如圖2所示。

圖2 逆向思維的實驗準備環節

污水中總磷含量的測定實驗的實驗原理較為復雜，但如果使用逆向思維法在掌握實驗原理主線的基礎上，很容易順著探索思維找到各個關鍵的實驗原理，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，配置標液的方法和步驟也會更加精準。

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生了干擾。由于溶液始終保持著酸性，Sn4+與Sn2+均不易發生水解，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.產生測量誤差的因素有哪些？如何糾正？

學生帶著這些問題的答案再撰寫實驗預習報告，能較好地理解實驗的重點和難點，掌握該做什么？出現了誤差的原因是什么？如何糾正或校準？選擇標準吸光度曲線的正確實驗結果如圖3所示，線性相關度高達0.9998。

圖3 吸光度與濃度的線性關系

逆向思維能有效地讓學生領悟如果要明確污水中總磷含量，必須找到良好的線性關系，這也是檢測方法上的科學可行與合理性判斷依據。通過污水中試樣的磷鉬藍分光吸光度數值，可以推導出污水中總磷含7.0~12.0 mg/L，符合工業污水中含磷的標準含量。

逆向思維實驗教學法效果分析

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

圖4 傳統教學法和逆向教學法的學生成績比例構成

非常明顯地，傳統教學法的學生成績比例中，90分及以上成績的學生人數僅占有5%，絕大多數學生的成績集中在70~79分段，不及格成績的學生人數占有2%；逆向思維法實施后，學生成績比例發生了明顯改變，90分及以上成績的學生人數提升至19%，絕大多數學生的成績集中在80~89分段(占總人數的38%)，且成績在70~79、60~69分段的學生人數比例分別降低了15%和12%，不及格成績的學生人數降低為0。這充分說明了實施逆向思維教學后，學生的學習興趣大大增強了，學習動力得到了發揮，實驗也更加認真和努力了。我們并不需要局限于讓學生按照教材或實驗講義的照搬式實驗，實驗教學的目的本應盡量發揮學生的主觀能動性與創新精神，注重學生自身的潛能發揮，往往能起到更好的教學效果。

逆向思維實驗教學法優勢與不足分析

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

表 逆向思維實驗教學法的優勢和不足對比

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

結論

污水中總磷含量的測定實驗利用逆向思維教學法進行開展后，學生的主動能動性明顯增強，學習的積極性與創造性有了很大程度的提升，學習難度下降，學生成績大幅度提升，這充分表明逆向思維教學法非常適合專業基礎技能的化學實驗教學。逆向思維實驗教學法有利于課堂氣氛的培養，能帶動教師進行教學方式的改變，有利于混合式教學模式的開展與融合，帶動教師綜合教學能力的提高，同時，逆向思維實驗教學法仍存在對學生管控難、耗時長、成本高等不足，全面推廣還存在一些障礙?？偠灾?，逆向思維實驗教學法，針對國內高等教育的實驗教學改革，探明和開拓了新的發展思路。