浅论利用缺陷实验促进学生对量的理解

　　科学技术是第一生产力，前提是理论在实践中能真正发挥指导作用。化学是一门以实验为基础的科学技术学科，在化学知识的传授中，实验教学是实现科技向生产力转化的桥梁。因此开展实验课的目的不仅是为锻炼学生动手能力、加深其对理论知识的感性认识，更重要的是培养学生敏锐的科学感觉，以便及时发现和解决问题，为今后科研及相关工作的顺利开展打下坚实基础。但就目前学生对化学知识的运用情况来看，实验教学并未很好地发挥其桥梁作用，其中一个突出表现是学生在实验中对量的严重忽视。
　　1量在实验教学中被忽视
　　量是化学计量学的基本知识，也是化学实验的基础，不仅关系整个实验的成败，而且对实验安全和成本节约也具有重要意义。但是，学生常忽视这个渗透于每个实验的基础知识，因而常导致实验及结果的重大失误。大学生从一年级刚迈进实验室直至大四毕业设计的完成，其基本实验技能诸如称量、滴定、实验装置的搭建等都在实验过程中逐步提高。而作为在每个化学实验中都会遇到的量，却经常被学生视而不见：他们只机械地照方抓药，对于实验课本上药品量和容器及其容量的变化会对实验结果造成何种影响却很少考虑。因此不少学生(包括高年级学生)在实验过程中，经常会按图索骥：边看课本边添加药品。这一方面说明学生未仔细预习实验，另一方面也充分暴露学生欠缺对量的理解。
　　传统的本科化学实验教材中，所需药品的量在实验步骤中均已详细写明，而且化学实验中有不少是定量实验，目的就是要培养学生对量的清楚认识。遗憾的是，经过各种类似实验的培训，学生在自主设计实验时仍经常表现得无从下手，不知如何确定药品量。例如很多刚进实验室的研究生在独立实验时，把握不好反应的投料量，并且对用何种玻璃仪器也表现出困惑。量的把握不准一方面导致实验失败，造成浪费和打击信心;另一方面可能造成危险，导致实验事故。归其原因，还在于大学阶段的实验训练中，学生并未建立起对量的科学感觉。即使有不少学生从中学阶段就接触化学实验，但同样存在对量的认识误区。教师在实验教学中强调各种注意事项时，也易忽视让学生体会量的关键作用的重要性，以致学生每次实验可能都会犯类似错误。而在大学实验中，很多地方都能体现量的重要性。例如滴定实验：标准溶液的配制比例已在实验步骤中说明，在操作时，一部分学生表现为照单抓药，一部分学生进行了思考，认为只要按化学计量比反应，标准溶液(标液)的浓度大小不会对实验结果造成影响。因此他们配制标液时未按实验教材中的浓度进行配制，导致滴定时出现标液浓度太小，滴定管里的标液已消耗完而滴定终点却还未到的情况;或者标液浓度太高，只滴加几滴就达滴定终点。这2种结果均会导致实验误差甚至错误而使测试结果不准确。
　　学生在实验中出现的上述种种困惑和失误反映出目前实验教学中存在一个弊端：未培养学生对量的基本感觉。其直接结果是导致实验失败，甚至发生危险。而这种科学直觉的欠缺，将妨碍学生在未来工作中将知识转化为生产力。纵然学生通过实验掌握了基本的实验技能，但若未能在大学阶段培养科学的直觉，便不具备发现、分析及解决问题的能力。因此从教学效果方面评价，实验教学未能达到高等教育对学生的培养目的。这不得不使我们思考如何在实验教学中使学生真正意识到量在化学中的重要性。
　　2解决途径缺陷实验的设计
　　教师在实验教学中强调注意事项也许能改善学生在实验预习和操作中对量的忽视，但成效不大，并且不能从根本上解决实验教学中的弊端。如果能从基础实验的设计入手，让学生在进行实验的当下便印象深刻，兴趣盎然，则必事半功倍。
　　为使学生体会量的概念，并锻炼学生分析、解决问题的能力，笔者在实验教学中设计了一种有缺陷的实验。此处的缺陷是指按实验步骤中的数据进行物料配比，实验将不能顺利进行。
　　针对西南科技大学面向材料科学与工程学院本科大三学生开设的分离技术这门选修课，开设了一个实验：二茂铁的重结晶。本实验教学目的除了使学生通过实验掌握这种操作的原理及技术之外，还有一个重要的目的：让学生直接体会量对实验成败的影响。设计的实验步骤如下：
　　(1)称取4.0g二茂铁于100mL圆底烧瓶中，加入40mL无水乙醇，并加入3 4粒沸石。
　　(2)接上回流冷凝管，水浴回流至无固体生成(如果还有固体，稍冷，用漏斗从冷凝口上端补加乙醇致加热时溶解。注意补加的总体积不要超过25mL)。
　　(3)趁热过滤。
　　(4)滤液用冰浴冷却至不再有晶体析出。
　　(5)过滤，滤饼用少量冷乙醇洗涤3次。
　　(6)滤饼摊开晾干，计算回收率。
　　从表面上看，此实验与一般的重结晶实验无异，任何一本基础实验教科书中均可查到，只是重结晶对象不同。但实际上这是一个缺陷实验，缺陷就在步骤(1)：这个加料配比是不合适的!教师在实验教学中说明注意事项时，往往注重技术性关键步骤，对物料配比很少强调，学生也不会就此提出疑问。但在进行此实验时，学生却发现了问题：加热回流不能使二茂铁全部溶解。而当他们停止加热逐渐补加25mL无水乙醇和沸石后继续加热10min，瓶中仍有不少固体未溶解。学生开始纠结是否要继续补加乙醇(有纠结就表明开始思考)，因为烧瓶的体积有限，而蒸馏时液体体积不能超过容器体积的2/3，并且还要考虑二茂铁样品本身的体积。由于实验室未准备大体积圆底烧瓶，笔者要求学生重新称取二茂铁进行提纯实验(原先的样品统一集中干燥回收)，但称量多少需自行揣摩。由于不能再照方抓药，很多学生开始权衡加入的样品量、溶剂量和容器体积3者的关系。
　　经过重新实验，从实验现象及结果看，1/3的学生通过思考调整样品加入量及溶剂比例，能得到外观呈针状结晶的二茂铁，剩下约2/3的学生因操作或者量的拿捏问题得到的产品晶型不太理想，提纯效果不佳。有了这种差距，学生做完实验变得很活跃，主动与笔者交流，表示应该事先查好数据，了解物质性质，以得到更漂亮的晶体。笔者还发现，学生在重做实验的过程中变得比实验初期专注，并提出优化改善实验的想法。比如有学生提出趁热过滤时应该设计能加热的漏斗，以免过滤时样品冷却析出影响纯度。正如很多仪器的发明和创造是由一个小小的改进开始，未来的发明家将会在现在的失败实验中培养出来!更可喜的是学生会在实验报告中讨论实验失败及改进的方法，而此处也是缺陷实验不可或缺的部分。通过这次缺陷实验，学生明显加深了对量的印象，并开始思考实验的步骤，在随后实验预习时，会查阅相关资料了解物质性质，而不是盲目地照抄照搬实验。并且在做其他实验时，很多学生会自觉地在实验报告上写清楚容器的体积，这在以往是常被忽略的部分。
　　3缺陷实验的优势
　　3.1能调动学生主观能动性
　　上述的缺陷实验是针对量的缺陷而设计，虽然单纯从实验结果看成功率不高，但对学生的影响已可见一斑：学生不再是麻木地照抄实验步骤，而是开始思考和关注取样量、容器及其大小等基本细节;为达到良好的实验结果，学生开始思考实验步骤、操作及装置是否合理，是否有待改进。这其中的变化固然离不开教师的强调，但学生在实验中切身感受失败和成功，印象明显更加深刻，而且有些学生还提出仪器设计的想法。因此从调动学生的主观能动性看，缺陷实验达到了教学目的。
　　3.2简单易行
　　缺陷实验很简单，在普通实验室即可实施，有助于培养学生对科学的感觉。目前大学实验多为验证性实验，当然不少同仁也意识到培养学生创造性思维的重要性，提倡创新性实验，或者改善实验设备、添加新的实验内容、进行开放性实验，也已取得可喜进展。不过这些实验多设定在基础实验的后期，而且由于学生缺乏创新意识、或者学校实验条件有限，有时会使创新改革受阻。而缺陷实验是在学生进行基础实验的同时完成的，因为它本身就是基础实验。
　　3.3可以针对各个环节进行设计
　　针对量的缺陷实验设计的实验效果说明，此实验是可行的。我们可以预测：缺陷实验具有普适性，教师完全可以对特别希望学生注意的事项进行缺陷设计，以此来加深学生印象、促进学生思考。例如希望学生体会索氏提取器的优点，可以特意设计用普通的回流装置来进行实验，使学生在实验中发现问题，再改用索氏提取器来完成任务，让学生切身体会到装置的小小改进对实验结果的巨大影响，激发学生发明创造的潜能，为学生自主实验设计打下基础。
　　4设计缺陷实验的注意事项
　　4.1缺陷实验的3个要素
　　首先，实验设计中必须存在缺陷。此缺陷体现在学生的预习报告中，是教师希望学生体会某个知识而设计的实验漏洞，目的是让学生在实验中加深这方面的印象从而真正记住这个知识。其次，学生需在实验中调整某个步骤。按预习报告的步骤操作将不能顺利进行实验，在调整实验时学生才能意识到原实验中存在的缺陷。再次，学生做完实验后撰写的实验报告需与预习报告体现差异。学生做完实验后，撰写的报告中实验目的一栏需添加缺陷实验的目的，实验步骤需按实际调整情况如实记录，在报告讨论中需写明与预习报告产生差异的原因。通过及时撰写实验报告，回忆、强化实验印象，才能巩固对实验调整的理解。3个部分对于整个缺陷实验顺利达成教学目的不可或缺。因此缺陷实验看似缺陷，实际上设计者已运筹帷幄。
　　4.2缺陷实验的安全性
　　安全性是任何实验设计的首要要求。缺陷实验的设计须在教师控制范围内，即错误的步骤会导致实验失败，但不会导致安全性问题，或者发生安全性问题时教师能充分控制(如果教师想通过此类实验设计强化学生安全意识)。因此设计的缺陷实验必须是经过教师多次验证的、成熟的实验。
　　4.3课时和药品经济性
　　设计缺陷实验需考虑实验课时和药品经济性问题。缺陷实验中包含对错误步骤的纠正，需针对某个环节进行二次实验，因此设计时必须考虑实验课时和实验成本，尽量在设计的基本实验中，用简单经济的药品为载体实现缺陷实验教学目的。
　　5结语
　　实验是化学的核心，是将科技转化为生产力的途径，因此实验教学的目的不仅是使学生掌握娴熟的实验技能，更重要的是培养其科学的感觉及思考习惯，从而在实际工作中善于发现和解决问题，实现科技向生产力的转化。缺陷实验的教学设计，提供了让学生在实验中主动思考的一个思路，有望改善学生机械实验的状况。只有做一个主动的实验者，才能培养科学的直觉，从而不断发展和创新。