基于问题导向的教学法在分析化学教学中的应用*

2021-04-09孙剑奇曹小华尹健美

广州化工 2021年5期

孙剑奇，曹小华，尹健美

(九江学院化学与环境工程学院，江西九江 332005)

分析化学是获取有关物质的组成和性质的信息科学[1]，是最早发展起来的重要化学分支学科[1-2]。作为化学及其相关专业的一门基础课程[3]，分析化学旨在培养学生掌握基本的分析操作技能、树立正确的“定性”、“定量”分析科学理念以及初步从事科研工作的能力[4]。该课程的主要特点是知识点多，实践性强[2]，而传统的“填鸭式”教学方法在生源减少、高校扩招、课时压缩的大背景下，忽略学生主体地位、影响学生学习热情、教学效果差、缺乏过程考核、评价机制陈旧、不利于创新性人才培养等方面的弊端日益凸显[5]。因此，传统的分析化学课程教学法必须得到改革。基于问题导向(Problem-Based Learning，PBL)的教学法[6]是以问题为基础，以学生为中心的讨论式教学方法[2,5]。通过学生自学与合作、教师改教为导的紧密结合方式，PBL教学法能使学生在主动探索、分析和解决问题的过程中激发学习兴趣、提高学习能力以及培养创新思维。为此，我们以“配位滴定法的基本原理”一节为例，将PBL教学法引入分析化学课程教学中。

1 PBL教学法应用

1.1 PBL教学法问题的设计

PBL教学法中，问题的选择与设计是核心。在选择问题时，既要注意涵盖所学知识点的概念和原理，也要兼顾问题的启发性与挑战性，而设计问题时则要围绕大纲要求与学生实际水平和能力展开，努力做到激发学生的学习兴趣和保证学生解决问题的自信心。例如，学习“配位滴定法的基本原理”时，学生虽然已学习过酸碱滴定法，对于酸碱指示剂的变色原理、突越范围等概念也有所认识和了解，但对于配位滴定法来说，因配位反应的类型和实质与酸碱反应不同，所以配位滴定法所使用的指示剂、滴定过程中需要讨论的参数变化等情况均与酸碱滴定法有差异，因此，学生对于金属指示剂的变色原理、突越范围大小影响因素等知识并不清楚。但是，不管是酸碱滴定法还是配位滴定法，甚至是其它类型的滴定分析法，都必须解决三个基本问题，即指示剂的选择问题、化学计量点的关键参数计算问题以及分析物能否被准确滴定(与终点误差有关)问题，并且，在解决这三个问题的过程中，都会用到一个非常直观的工具，即滴定曲线。因此，围绕配位滴定法必须解决的三个问题以及为解决这三个问题需要使用的直观工具滴定曲线，我们精心设计了以下问题：(1)金属离子指示剂的变色原理是什么？(2)金属离子指示剂的变色点有何特点?(3)如何选择合适的金属离子指示剂？(4)如何消除金属离子指示剂的僵化与封闭？(5)如何得到配位滴定曲线？(6)如何计算化学计量点的pM'？(7)影响配位滴定突越范围大小的因素有哪些？(8)如何得到配位滴定法的林邦终点误差计算公式？

考虑到问题(5)～(8)有一定的难度，我们为承担相应任务的小组提供了必要的资料库，包括教材、文献、图表、习题等内容，以保证其不会因问题太难而放弃，同时又能体会到完成任务时的成就感。

1.2 PBL教学法的小组讨论学习

尽量以寝室为单位，将全班同学(34人)分成 8组，每组(4～5人)学生提前一周接受学习任务，各组长再针对学习任务进行内部分工，然后，各小组成员相互团结与协作，通过查阅文献、自学教材、求助网络等各种途径收集所需材料并对获得的各种与解决问题有关的信息进行分析、归纳和总结，课下形成一整套解决问题的方案。经验表明，认真负责且协调能力强的组长带出的小组解决问题的质量比较高。比如，第5小组要解决的问题是如何得到配位滴定曲线，该组学生在充分收集相关资料的基础上，本来已经弄清楚了如何得到配位滴定曲线，并且做好了汇报工作准备，但组长认为，仅仅把配位滴定曲线的得到过程以相关的物料平衡等式、化学平衡等式相结合的公式推导形式推送给全班同学，难免枯燥乏味且比较抽象，班上其他同学不一定明白，于是，他不怕辛苦，专门找到计算机专业的同学，编写了一个程序，将配位滴定曲线的得到过程在PPT上以动画形式展现给大家。配位滴定曲线的变化规律在动态描点过程中十分清晰地呈现出来，给全班同学留下了非常深刻的印象，得到了老师和同学们的一致好评。所以，在小组讨论阶段，选好组长有利于更加有效地解决问题。

1.3 PBL教学法的课堂归纳总结

在课堂上，各小组依次派代表以PPT形式汇报所解决的问题，经过相互质疑及补充回答后，全班同学再讨论，教师点评，然后达成一致意见。对有争议的疑难问题，教师必须耐心讲解，如“配位滴定为什么会产生突越？”，教师可通过生活常识烧开水、成语故事水滴石穿等事例说明，量变是不显著的变化，是渐变，而质变是根本性的变化，是突变，只有量的积累达到一定程度，才会引起质的变化。在配位滴定过程中，金属离子M开始是过量的，浓度较大，所以初始pM较小，而且，滴定到达化学计量点之前，金属离子M始终过量的局面并没有发生根本性改变，所以金属离子的pM只会缓慢地增加，而滴定一旦过了化学计量点，即使是半滴滴定剂EDTA加入，金属离子M的pM却会急剧地增大，产生了突变，原因是，此时溶液中滴定剂EDTA已过量，金属离子M仅来源于滴定反应的稳定主产物MY的解离，因此浓度非常小，也就是说此刻发生的变化本质是质变而非量变。因此，配位滴定突越的产生实际是一个量变引起质变的过程。而对小组汇报中出现的知识点表述或认识偏差，教师一定要及时记录与纠正，引导学生科学地思考和正确地学习，同时设法加深学生对学习内容重点与难点的理解。比如，经过课堂讨论，同学们已经知道配位滴定突越产生的原因以及决定配位滴定突越大小范围的因素，但仍有部分同学认为，突越范围小更有利于准确地滴定金属离子M，对于这种错误认识，教师一定要深挖根源，并从根本上予以纠正，究其错误认识产生的可能原因，一是源于同学们的惯性思维，大家都知道，指示剂的变色范围越窄，指示剂越灵敏，由此造成的终点误差就越小，从而有利于更加准确地滴定金属离子M，所以就习惯性认为滴定的突越范围越小，更有利于准确地滴定金属离子M，二是这些同学看问题不够全面，虽然他们已经明白从滴定突越产生的原因来看，配位滴定突越范围是指由于化学计量点附近大约一滴滴定剂EDTA的加入引起的金属离子pM急剧变化的范围，但没有意识到从滴定结果来看，以配位滴定突越范围的边界点作为滴定终点，其对应的滴定误差范围正好是±0.1%，即金属离子M被准确滴定所对应的终点误差范围。显然，受浓度及条件稳定常数因素的影响，配位滴定的突越大小范围可以发生变化，但因为突越产生的原因都一样，所以不管配位滴定的突越范围大小如何，对应的终点误差范围都是±0.1%，但是配位滴定的突越范围越大，可供选择的金属离子指示剂的种类就越多，有利于更准确地判断终点自然更有利于准确地滴定金属离子M，一旦配位滴定的突越范围过小甚至不明显，就没有合适的金属离子指示剂可供选择以准确地判断滴定终点，当然也就无法实现准确滴定金属离子M的目标了。通过这种形式的课堂归纳总结，学生的学习兴趣和能力便会不断增强。

2 PBL教学法反思

PBL应用于分析化学课程教学，表现出很多优点，比如：课堂气氛活跃、师生互动加强、学生的主体地位突出、学习兴趣提升、分析和解决问题以及协作与表达能力明显提高。同时，PBL教学法也存在一些不足：(1)以问题为核心的小组学习，可能导致学习内容零散、不系统。(2)学生寻求问题解决方案时投入的时间与精力较多。(3)对教师的教学水平和能力有较高要求。