化学实验激发学生设计探讨

摘要：探讨了化学实验课程在基于能力导向的教学理念下，通过新增设综合性设计性实验，以碱式碳酸铜的制备与设计实验项目为例，阐述了培养具有综合实验设计思维能力和创新能力的应用型复合人才。通过引导学生查阅文献，提高学生实验探究兴趣；激发学生化学实验方案设计思维，获取优良品质实验产物；通过实验表征测试分析，激发学生化学实验创新思维；实验课后自主学习思考，进一步巩固实验方案设计和创新能力，使化学实验课程目标、课程模块描述和内容、教学方法、思维方法等支撑相应工科专业的毕业要求。

关键词：实验课程目标；实验方案设计；创新思维

化学实验是工科化工、材料、机械、环境类等专业实践课程的重要组成部分，基于能力导向的自主设计实验利于提升工科学生专业素养。实验室“三废”的处理和固废资源绿色循环利用，培养学生在实验中遇到问题的实验分析和解决能力，掌握化合物制备方法、化学常用仪器的使用方法及实验操作技术，实验室安全环保意识素质等等都是化学实验教学需要探究的课题[1-3]。在化学实验课程教学过程中，通过训练实验方案的设计与实施，有利于激发学生综合运用所掌握的化学、计算机等方面知识，积极思考，激发化学实验课程实施过程的积极性和主动性，从而进一步深化和拓展综合化学知识，扩展学生的创新思维视角，培养学生的严谨科学态度，提高学生解决实际问题的技能。化学实验课不仅是学生获取知识与技能的重要途径，更是培养学生创新精神和思维能力的重要渠道[4-5]。本文以碱式碳酸铜的设计和制备实验为例，阐述实验教学团队激发学生实验方案设计和创新思维能力的探索。

1引导激发学生实验探究兴趣

兴趣是驱动人的重要动能，通过引导学生查文献资料掌握实验目标产物物化性质、结构及独特功效，加深学生知识记忆，提高学生探究实验知识的兴趣。天然孔雀石和硅孔雀石从颜色看主要呈暗绿色或淡蓝绿色，常与其他含铜矿物共生，主要成分为碱式碳酸铜。孔雀石化学成分为Cu2（OH）2CO3，属单斜晶系P21/a，如图1所示。晶体形态常呈柱状或针状，十分稀少，通常呈隐晶钟乳状、块状、皮壳状、结核状和纤维状集合体。如果用其他二价阳离子如Mg、Zn、Fe、Cu或Ni取代Cu2+是可能的，并转化生成与孔雀石相同的环境中的不同晶体类型P21/b11结构。古埃及人曾经将孔雀石尊称为“神石”，并认为它具有驱除邪恶的作用，所以将其作为护身符；在德国，人们认为佩戴孔雀石可以避免死亡的威胁，从根本上说也是护身符的作用[6]。通过引导学生掌握实验目标产物独特功效和应用，有利于学生立足于新工科建设理念与实践的前期探索，强化对自然界的热爱和学习无机化学、晶体结构和矿物实验合成的神奇和自豪感，了解其广泛应用的领域。碱式碳酸铜即孔雀石主要的功效和产业化应用如表1。

2激发学生实验方案的设计思维

根据学生的专业特点和教学大纲要求，实验课程中让学生查阅资料了解碱式碳酸铜的制备原理和方法，通过查阅资料合理解释思考题，并给出碱式碳酸铜的制备原理和方法。引导学生思考：哪些铜盐适合于制取碱式碳酸铜？初步掌握碱式碳酸铜制备的最佳反应条件的实验方案设计；如何确定实验条件，尝试用已经获得的知识和技术解决实际问题。关于可溶性铜盐和化合物的选择，比较常见的有硫酸铜、硝酸铜、氯化铜、乙酸铜，可以引导学生思考，选择每种原料的设计缘由，比如从阴离子硫酸根离子考虑，在使用硫酸铜制备目标产物时，硫酸根离子体积较大，形成沉淀时，易形成包合物，导致产物不纯；而使用乙酸铜时，价格相对较高；使用硝酸铜时，可能形成较多的硝酸钠，属于易制爆危化品，实验存在安全隐患。学生经过系列的创新型思维思考后，大大提升了理工科专业的知识和视野，也激发了学生自主设计实验方案的欲望[7-8]。

3产品表征测试激发创新思维

创设实验思维情景，培养独立分析、解决问题以及实验创新思维的能力，以达到实验的教学目标和要求[9]。引导学生思考：碱式碳酸铜的反应物配比、反应温度、反应时间，pH等参数条件不同得到的实验现象和产品的差别是否影响碱式碳酸铜的晶体结构？通过何种手段表征检测？它与标准的孔雀石晶体结构是否有差异？图2碱式碳酸铜及孔雀石标准XRD谱图Fig.2StandardXRDspectrumofbasiccoppercarbonateandmalachite通过对学生合成的碱式碳酸铜产品与孔雀石标准的X射线衍射图（图2）进行对比，可以发现出现衍射峰的位置大致相同，衍射峰（020）（120）（220）（20-1）（021）（21-1）（240）（250）和强度均与单斜晶系孔雀石标准谱图（JCPDScard41-1390）一致，未见氧化铜、碱式硝酸铜及其他杂质衍射峰。由此可见，学生合成的碱式碳酸铜产品是合格的，此外XRD图谱的各衍射峰均尖锐，说明碱式碳酸铜粉体颗粒细小。经过表征测试和引导思考后，充分激发学生创新思维的欲望，使学生在实验操作和分析实验问题的过程中，获得广阔的思维空间，系统培养学生创新思维的严谨性。对学生实验合成的碱式碳酸铜产品进行红外光谱FT-IR测试（见图3）发现：590cm-1、1047cm-1、1192cm-1是Cu-O的伸缩振动吸收峰，3398cm-1、2894cm-1为羟基（-OH）的伸缩振动峰，873cm-1是（-OH）弯曲振动吸收峰，760cm-1、793cm-1是O-C-O的弯曲振动吸收峰，1508cm-1、1396cm-1为O-C-O的伸缩振动吸收峰，这些都属于碱式碳酸铜的特征吸收峰，进一步说明反应产物为碱式碳酸铜，更加证实了学生合成的碱式碳酸铜产品是合格的，因而提升了学生的红外FT-IR表征测试和数据解析能力，拓宽了思维空间。通过对学生制备的纳米碱式碳酸铜产品进行SEM测试（见图4）发现，其外形近似花蕊管状，样品尺寸为50～100nm，管长约1～2μm，少量大尺寸球形样品是由于局部溶液反应物浓度偏高，生成的纳米碱式碳酸铜小颗粒在氢键作用下聚集生长所致。让学生通过掌握样品SEM测试，优化人才培养全过程，学会观察其微观结构和形貌，关注人才培养成效和学习成果，激发学生设计合成新物质材料思维，提高学生探索微观世界的兴趣。

4课后巩固实验设计和创新能力

随着合肥学院各工科类专业工程教育专业认证和新工科教育教学改革工作的深入，正全面扎实推进培养综合型人才和模块化、双元制教育教学改革。实验课程结束后，老师对开设的实验项目是否符合专业培养目标和本门实验课程教学大纲要求，是否覆盖本课程实验教学主要内容进行进一步的自查。学生实验原始记录完整，实验数据真实、可信，数据处理方法正确，对实验结果和问题能够进行认真分析；对实验报告批改规范、仔细无误，批阅涂改痕迹少；每份报告有老师的评语和签名，对优秀或有明显缺陷的报告有针对性地进行自查[10]。通过引导学生查找目标课题的国内外文献，提高学生实验探究的兴趣，激发学生化学实验方案设计思维，获取优良品质实验产品；再通过产物表征测试，激发学生化学实验的创新思维，实验课后要进行自主学习思考，进一步巩固实验方案设计和创新能力，使化学实验课程目标、课程模块描述和内容、教学方法、思维方法等能够支撑相应工科专业的毕业要求。这样便可以全面践行“学生中心，产出导向”“面向社会持续深化应用创新型人才”的培养理念，进一步完善能力导向新工科实践类体系的建设和实施路径。此外，碱式碳酸铜的制备和设计实验课程里，还有很多可以挖掘的知识点，可以通过这些知识点训练进一步培养学生的实验方案综合设计和创新能力，例如：①除反应物的配比和反应温度对本实验的结果有影响外，反应物种类、反应浓度、反应进行的时间等是否对产物的质量、微观形貌有影响？②自行设计一个实验，根据产物中碳酸氢根、碳酸根离子的含量不同，压制成型组装测试电导率，根据电导率的高低差异，从而定级所制得碱式碳酸铜的品质。

作者：阳杰 李萌 邓崇海 胡坤宏 董强 尹奇异 单位：合肥学院 能源材料与化工学院