姚奇志，金谷，李玲玲,2，李嬌,2，劉紅瑜,2

1中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，合肥 230026

2化學(xué)國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心(中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué))，合肥 230026

分析化學(xué)是高?；瘜W(xué)類專業(yè)的一門重要基礎(chǔ)課。歐洲化學(xué)協(xié)會(huì)聯(lián)合會(huì)定義分析化學(xué)是一個(gè)發(fā)展和應(yīng)用各種方法、儀器及策略，以獲得物質(zhì)在特定時(shí)間和空間有關(guān)組成和性質(zhì)信息的科學(xué)分支。這就決定了分析化學(xué)是一門實(shí)驗(yàn)性強(qiáng)和應(yīng)用范圍廣的學(xué)科，涉及到化學(xué)、物理學(xué)、生物學(xué)、地質(zhì)學(xué)、環(huán)境科學(xué)、醫(yī)療和食品等學(xué)科，與人們的日常生活和生產(chǎn)實(shí)踐息息相關(guān)。分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)是分析化學(xué)的重要組成部分，它是將一系列實(shí)驗(yàn)操作與物質(zhì)的組成、性質(zhì)融為一體、理論聯(lián)系實(shí)際的綜合性課程。因此，分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生理論知識(shí)運(yùn)用，實(shí)踐技能和綜合能力的培養(yǎng)具有重要作用，是實(shí)施素質(zhì)教育，培養(yǎng)創(chuàng)新人才，促進(jìn)知識(shí)向能力轉(zhuǎn)化的重要平臺(tái)。分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)也具有內(nèi)容多、操作步驟復(fù)雜、單元教學(xué)耗時(shí)長(zhǎng)的特點(diǎn)，每一個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目涉及玻璃儀器洗滌、試劑稱取、溶液配制、溶液標(biāo)定和試樣溶液的滴定，甚至試樣的各種前處理等一系列過程。分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的這些特點(diǎn)為開展統(tǒng)籌學(xué)理念教學(xué)提供了多維度空間。近年來，我們?cè)谌粘?shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，通過融入統(tǒng)籌學(xué)方法，指導(dǎo)學(xué)生科學(xué)合理地設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)過程，有條不紊地開展實(shí)驗(yàn)，不僅提高了實(shí)驗(yàn)課的效率和學(xué)生實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)的自覺性，實(shí)現(xiàn)知識(shí)技能傳授和統(tǒng)籌能力培養(yǎng)，而且也促進(jìn)了學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的理解和掌握，提升了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰途C合素質(zhì)，取得了事半功倍的教學(xué)效果。

1 統(tǒng)籌學(xué)中的統(tǒng)籌方法介紹

統(tǒng)籌學(xué)是一門現(xiàn)代科學(xué)，是應(yīng)用數(shù)學(xué)來研究和分析一項(xiàng)工作的合理組織與安排的科學(xué)。統(tǒng)籌學(xué)作為一門用來解決實(shí)際問題的學(xué)科，已經(jīng)深入到日常生活中。數(shù)學(xué)家華羅庚以日常生活中的燒水泡茶為例給出了很好的說明：想泡茶喝，沒有開水，水壺沒洗，茶壺、茶杯也沒洗；火生了，茶葉也有了。怎么辦？泡茶各項(xiàng)準(zhǔn)備工作所需時(shí)間見圖1。

圖1 泡茶前所需準(zhǔn)備工作時(shí)間

方法甲：洗水壺，灌水燒水；洗茶壺、洗茶杯、拿茶葉；水開，泡茶喝。

方法乙：洗水壺，洗茶壺、洗茶杯，拿茶葉，灌水燒水；水開，泡茶喝。

方法丙：洗水壺，灌水燒水；水開；拿茶葉，洗茶壺、洗茶杯，泡茶喝。

哪一種方法省時(shí)高效？很明顯第一種方法更加科學(xué)合理，甲在16 min就可以喝茶，而乙、丙則需要19 min[1]。甲很好地規(guī)劃準(zhǔn)備工作節(jié)奏，利用燒開水所需15 min的等待時(shí)間清洗茶壺、茶杯、拿茶葉，所以水開即可泡茶。華羅庚先生用日常生活中小事例生動(dòng)地給我們闡釋了統(tǒng)籌學(xué)的應(yīng)用。

2 分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程特點(diǎn)

2.1 數(shù)據(jù)要求嚴(yán)格，器皿潔凈度高

分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)是為了獲得被測(cè)物的濃度、含量等信息，側(cè)重培養(yǎng)學(xué)生“量”的概念?；瘜W(xué)分析要求學(xué)生實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤差不超過6‰-8‰。這就要求實(shí)驗(yàn)過程中所用到的器皿必須用自來水清洗干凈，并用蒸餾水潤(rùn)洗3遍，部分容量器皿須用操作液潤(rùn)洗3遍，才能滿足誤差操作要求。因此，分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)中各類器皿的洗滌用時(shí)長(zhǎng)。

2.2 操作步驟繁多，實(shí)驗(yàn)耗時(shí)長(zhǎng)

為了確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的精密度和準(zhǔn)確度，不論標(biāo)準(zhǔn)溶液標(biāo)定，還是樣品的滴定，每位同學(xué)必須至少平行做3份，實(shí)驗(yàn)任務(wù)重，操作步驟復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)所需時(shí)間長(zhǎng)。

2.3 前處理過程復(fù)雜，操作要求高

從配位滴定實(shí)驗(yàn)開始均有復(fù)雜的試樣前處理過程，前處理過程涉及到試樣加熱，調(diào)控溶液pH等操作，需要用到通風(fēng)柜、電熱板等公用設(shè)備。而且該過程不僅要準(zhǔn)確控制樣品溶液pH，對(duì)操作速度也有嚴(yán)格要求。例如，無(wú)汞鹽法測(cè)定鐵礦石中全鐵含量的預(yù)還原步驟，不僅要求控制好溫度，確保溶液中Fe3+完全被還原，而且要求盡可能快完成預(yù)還原操作，減小空氣中的O2對(duì)還原產(chǎn)物的影響。

2.4 操作要求規(guī)范，確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度

鑒于分析實(shí)驗(yàn)對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)果的嚴(yán)格要求，學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程中的關(guān)鍵操作步驟必須嚴(yán)格按照規(guī)范操作進(jìn)行。規(guī)范操作是數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的根本保證，任何不規(guī)范的小失誤都可能帶來比較大的誤差，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗。

3 我校分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀

經(jīng)過二十余年教學(xué)改革和實(shí)踐，我校分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平和效果穩(wěn)步提升。如今在實(shí)驗(yàn)課堂上，學(xué)生“照方抓藥”的現(xiàn)象明顯改善。實(shí)驗(yàn)前能夠針對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和步驟，認(rèn)真預(yù)習(xí)和思考；實(shí)驗(yàn)過程中，帶著自己的思考進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，遇到異?，F(xiàn)象能先思考再討論、請(qǐng)教。在綜合、探究、設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中，能運(yùn)用所學(xué)理論知識(shí)展開深入探究，并發(fā)表課程研究相關(guān)的教學(xué)論文[2-4]。盡管如此，但在教學(xué)實(shí)踐中，我們也發(fā)現(xiàn)學(xué)生對(duì)整體實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的把控能力和實(shí)驗(yàn)過程統(tǒng)籌尚存不足，實(shí)驗(yàn)過程中匆匆忙忙、丟三落四，實(shí)驗(yàn)儀器擺放凌亂、臺(tái)面不整潔等現(xiàn)象時(shí)常發(fā)生，甚至有的學(xué)生在規(guī)定的實(shí)驗(yàn)課時(shí)內(nèi)，無(wú)法完成實(shí)驗(yàn)。這些說明雖然學(xué)生掌握了基本操作規(guī)范，分析和解決問題能力也得到提升，但對(duì)實(shí)驗(yàn)步驟安排、實(shí)驗(yàn)時(shí)間分配、實(shí)驗(yàn)儀器布局等不夠合理，統(tǒng)籌能力欠缺。

4 分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)與統(tǒng)籌方法

4.1 教學(xué)內(nèi)容的統(tǒng)籌安排

根據(jù)知識(shí)體系循序漸進(jìn)的原則，我校秋季學(xué)期分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)安排如表1所示[5]。首先是基本操作練習(xí)和簡(jiǎn)單的酸堿滴定，逐步過渡到需要預(yù)處理控制溶液pH的配位滴定，發(fā)展到既有復(fù)雜預(yù)處理又有滴定條件控制的氧化還原滴定，最后完成自主探究實(shí)驗(yàn)和開放設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。

表1 分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目安排

基于該層次化、遞進(jìn)式教學(xué)體系，我們?cè)凇鞍踩逃?，基本操作練?xí)”單元，清楚交代實(shí)驗(yàn)室的空間布局、試劑擺放規(guī)律，通風(fēng)柜、電熱板等公用設(shè)備使用要求，使學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境及硬件設(shè)施有總體的了解，以便后續(xù)進(jìn)行統(tǒng)籌安排?！拔粗獕A濃度測(cè)定”單元，通過介紹著名的“華羅庚燒水泡茶”統(tǒng)籌法，引入統(tǒng)籌理念；在“有機(jī)酸摩爾質(zhì)量測(cè)定”實(shí)驗(yàn)中，通過對(duì)具體實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)統(tǒng)籌實(shí)例講授，向?qū)W生展示統(tǒng)籌規(guī)劃的優(yōu)越性。后續(xù)實(shí)驗(yàn)中，要求學(xué)生在預(yù)習(xí)時(shí)，按照實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和步驟，運(yùn)用統(tǒng)籌學(xué)方法，設(shè)計(jì)出具體實(shí)驗(yàn)流程。借助現(xiàn)代多媒體技術(shù)，通過翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)模式，線上指導(dǎo)和線下討論相結(jié)合，逐步將統(tǒng)籌學(xué)方法引入實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)中，培養(yǎng)學(xué)生的統(tǒng)籌能力，拓展實(shí)驗(yàn)課教學(xué)的育人功能。

4.2 統(tǒng)籌方法引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)例

以“有機(jī)酸摩爾質(zhì)量測(cè)定”實(shí)驗(yàn)中NaOH溶液標(biāo)定步驟為例。原教材中實(shí)驗(yàn)步驟：配制鄰苯二甲酸氫鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液于250 mL容量瓶中，準(zhǔn)確移取25.00 mL于錐形瓶進(jìn)行標(biāo)定，平行標(biāo)定3份。為了便于統(tǒng)籌方法教學(xué)，我們將移液標(biāo)定設(shè)計(jì)為單份稱樣標(biāo)定，具體步驟如下：準(zhǔn)確稱取0.4-0.6 g鄰苯二甲酸氫鉀于250 mL錐形瓶中，加25 mL蒸餾水，溶解完全后，滴加2滴0.5%的酚酞指示劑，用標(biāo)準(zhǔn)NaOH溶液滴定至出現(xiàn)穩(wěn)定粉紅色半分鐘不褪去，根據(jù)消耗NaOH溶液體積計(jì)算出NaOH溶液準(zhǔn)確濃度，平行標(biāo)定3份，要求精密度小于2‰。此過程中，由于鄰苯二甲酸氫鉀晶體顆粒較大，完全溶解需要時(shí)間或者加熱，對(duì)該過程的處理可以有多種方法。圖2給出了標(biāo)定前各項(xiàng)準(zhǔn)備工作所需的預(yù)估時(shí)間。課堂上，通過提問、討論，同學(xué)們列舉了多種可能的途徑。

圖2 標(biāo)定前準(zhǔn)備工作所需要時(shí)間

方法甲：首先清洗所有實(shí)驗(yàn)所需儀器，然后配制NaOH溶液，并將溶液加入滴定管；用托盤托著3個(gè)錐形瓶，帶好記錄本到天平室，分別稱取鄰苯二甲酸氫鉀于各錐形瓶中，用量筒各加入25 mL蒸餾水；放在電熱板上加熱至完全溶解，放置在實(shí)驗(yàn)臺(tái)面冷卻至室溫，開始滴定；耗時(shí)61 min。

方法乙：先洗三個(gè)錐形瓶和量筒，分別稱取鄰苯二甲酸氫鉀于各錐形瓶?jī)?nèi)，用量筒各加入25 mL蒸餾水，搖勻放置在實(shí)驗(yàn)臺(tái)；清洗其他儀器，配制NaOH溶液，并將溶液加入滴定管；此時(shí)，錐形瓶里基準(zhǔn)物已經(jīng)完全溶解，開始滴定；耗時(shí)23 min。

方法丙：清洗所有實(shí)驗(yàn)所需儀器；配制NaOH溶液，并將溶液加入滴定管；拿著1個(gè)錐形瓶和記錄本到天平室，稱取鄰苯二甲酸氫鉀于錐形瓶?jī)?nèi)，用量筒加入25 mL蒸餾水，放在電熱板上加熱至完全溶解，放置在實(shí)驗(yàn)臺(tái)面冷卻至室溫，開始滴定；再稱取第2份基準(zhǔn)物……；耗時(shí)超過85 min。

顯然，方法乙的操作，科學(xué)地運(yùn)用了統(tǒng)籌方法，對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行了合理的安排和分配，充分利用溶解基準(zhǔn)物所需要的時(shí)間進(jìn)行其他準(zhǔn)備工作，僅23 min就可以開始進(jìn)行滴定。同樣的工作量，方法甲的操作中，沒有合理地利用溶解樣品所需時(shí)間，增加了加熱溶解及溶液冷步驟，61 min才能開始滴定。方法丙則照搬實(shí)驗(yàn)教科書，沒有自己的思考，滴定前的準(zhǔn)備工作耗時(shí)超85 min。

通過該課程教學(xué)案例講授和討論，使學(xué)生了解統(tǒng)籌方法是科學(xué)利用時(shí)間和資源的藝術(shù)。融入統(tǒng)籌方法的實(shí)驗(yàn)過程，如同指揮一場(chǎng)戰(zhàn)役，需要運(yùn)籌帷幄，提前布局，按計(jì)劃各“兵種”協(xié)同配合。

4.3 融入統(tǒng)籌方法的實(shí)驗(yàn)教學(xué)成效

(1)內(nèi)化了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：“學(xué)而不思則罔，思而不學(xué)則殆”。融入統(tǒng)籌學(xué)理念的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)階段，首先要了解實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮驮?，再結(jié)合所學(xué)理論知識(shí)，厘清各實(shí)驗(yàn)步驟之間的相互關(guān)系和相互影響因素。哪些步驟可以同時(shí)進(jìn)行，哪些步驟需要提前完成，哪些試劑只能現(xiàn)配現(xiàn)用等。只有這樣，才有可能對(duì)實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行有效的整合，設(shè)計(jì)出合理的實(shí)驗(yàn)流程圖。此過程不僅訓(xùn)練學(xué)生的統(tǒng)籌能力，更加深了學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的掌握和理解，實(shí)現(xiàn)所學(xué)知識(shí)的內(nèi)化。

(2)培養(yǎng)了學(xué)以致用的實(shí)踐能力：“紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行”。融入統(tǒng)籌方法教學(xué)后，要求學(xué)生在實(shí)驗(yàn)前，規(guī)劃設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)流程，該環(huán)節(jié)既檢驗(yàn)了學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解和掌握，也為學(xué)生運(yùn)用理論知識(shí)解決實(shí)際問題提供了機(jī)會(huì)，培養(yǎng)他們學(xué)以致用的實(shí)踐能力。例如：“返滴定法測(cè)定明礬中鋁含量”“無(wú)汞鹽法測(cè)定鐵礦石中全鐵含量”兩個(gè)實(shí)驗(yàn)(表1)滴定前的預(yù)處理環(huán)節(jié)均需要加熱操作。在鋁含量測(cè)定實(shí)驗(yàn)中，樣品溶液的加熱預(yù)處理可以同時(shí)進(jìn)行，但同樣的操作在全鐵測(cè)定實(shí)驗(yàn)中則不能生搬硬套，因?yàn)轭A(yù)還原產(chǎn)物Fe2+易被空氣中的O2氧化，3份樣品同時(shí)處理，則會(huì)產(chǎn)生比較大的誤差，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗，所以學(xué)生設(shè)計(jì)流程圖時(shí)，必須運(yùn)用所學(xué)的氧化還原反應(yīng)知識(shí)進(jìn)行綜合分析。這不僅是一個(gè)主動(dòng)思考的過程，更是鍛煉學(xué)生如何用所學(xué)理論知識(shí)解決實(shí)際問題的能力。

(3)提高了實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)效率，提升了學(xué)生綜合素質(zhì)：“凡事預(yù)則立，不預(yù)則廢”。融入統(tǒng)籌方法的實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐證明，學(xué)生逐漸養(yǎng)成了“先動(dòng)腦后動(dòng)手”的實(shí)驗(yàn)習(xí)慣，培養(yǎng)了主動(dòng)思考的能力，實(shí)驗(yàn)效率明顯提高。在規(guī)定的實(shí)驗(yàn)課時(shí)內(nèi)，學(xué)生能很好地完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)，課堂秩序井然有序。不僅如此，學(xué)生撰寫的實(shí)驗(yàn)報(bào)告條理性、系統(tǒng)性更強(qiáng)，對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和數(shù)據(jù)結(jié)果的分析討論更有深度，綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ玫教岣?。因此，融入了統(tǒng)籌方法的分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)培養(yǎng)了學(xué)生合理規(guī)劃的統(tǒng)籌能力，提高了實(shí)驗(yàn)效率，拓展了教與學(xué)的空間，學(xué)生綜合素質(zhì)得到顯著提升。

5 結(jié)語(yǔ)

教學(xué)實(shí)踐證明，將統(tǒng)籌方法融入分析化學(xué)教學(xué)，學(xué)生實(shí)驗(yàn)效率明顯提高，扎堆稱取試劑或扎堆排隊(duì)預(yù)處理，“想到什么做什么”的混亂現(xiàn)象不見了。取而代之的是學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)，臺(tái)面整潔，儀器擺放有序，各自有條不紊地完成實(shí)驗(yàn)。同時(shí)，學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的理解和掌握更加深入，知識(shí)運(yùn)用能力明顯增強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)成就感和實(shí)驗(yàn)興趣顯著提升。融入了統(tǒng)籌理念的分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，不僅培養(yǎng)了學(xué)生良好的思維和實(shí)驗(yàn)習(xí)慣，也促使教師不斷學(xué)習(xí)，完善自身知識(shí)、能力體系，保障分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量穩(wěn)步提升。