思維導(dǎo)圖在無(wú)機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

劉 洋，易正戟，毛芳芳，陳滿生，鄭志輝

(1.衡陽(yáng)師范學(xué)院 化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，湖南 衡陽(yáng) 421008；2.衡陽(yáng)師范學(xué)院 教育科學(xué)學(xué)院，湖南 衡陽(yáng) 421008)

無(wú)機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)是高等院?；瘜W(xué)專業(yè)以及生物科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、醫(yī)學(xué)等近化學(xué)專業(yè)的必修課程，是進(jìn)入大學(xué)階段接觸的第一門基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程，學(xué)好這門課程對(duì)于培養(yǎng)良好的科學(xué)實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)及后續(xù)課程的學(xué)習(xí)有重要作用。一方面，隨著高校轉(zhuǎn)型發(fā)展的不斷深化和對(duì)應(yīng)用型人才培養(yǎng)方式的改革，對(duì)傳統(tǒng)無(wú)機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法及教學(xué)評(píng)價(jià)提出了更高的要求，如在無(wú)機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目上刪減部分重金屬元素的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、在某些實(shí)驗(yàn)中試劑用量作減量處理、增加設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)和開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)的比例，這些改革措施確實(shí)適應(yīng)了高校轉(zhuǎn)型發(fā)展的需要。從另外一方面看，化學(xué)專業(yè)學(xué)生自大一開(kāi)始即接觸無(wú)機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)，之后每學(xué)年都會(huì)有化學(xué)的實(shí)驗(yàn)，但從效果上看，以筆者的任教經(jīng)歷為例，有相當(dāng)數(shù)量的學(xué)生在做科技創(chuàng)新的實(shí)驗(yàn)、畢業(yè)論文等時(shí)所表現(xiàn)出的實(shí)際操作能力卻很欠缺，為什么每個(gè)學(xué)期的化學(xué)實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練效果在科技創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)?zāi)酥磷詈蟮漠厴I(yè)論文階段得不到應(yīng)有的展現(xiàn)呢？從學(xué)生的學(xué)習(xí)方法及教師的教學(xué)手段來(lái)看：學(xué)生在預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)過(guò)程、及實(shí)驗(yàn)后的實(shí)驗(yàn)報(bào)告存在一種普遍現(xiàn)象，即預(yù)習(xí)過(guò)程大多停留在抄寫教材內(nèi)容；實(shí)驗(yàn)過(guò)程通常是“照方抓藥”；實(shí)驗(yàn)報(bào)告缺乏對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的思考和分析。教師在教學(xué)中也受到困惑，講解細(xì)致，內(nèi)容量大，一股腦灌輸?shù)脑拰W(xué)生接受起來(lái)困難；講解粗略，實(shí)驗(yàn)結(jié)果不容易實(shí)現(xiàn)。學(xué)生和教師在教學(xué)過(guò)程中的問(wèn)題固然是由于個(gè)體而有所差別，但其中一個(gè)客觀因素也在于教材內(nèi)容的講解邏輯順序與學(xué)生和教師的思維過(guò)程存在偏差。思維導(dǎo)圖是一種將頭腦中進(jìn)行的抽象的思考狀態(tài)用線條、圖形等形象化的手段加以呈現(xiàn)的思維工具和技術(shù)形式，被視為外化的“精神圖譜”[1-2]。在最初的研究中，思維導(dǎo)圖基本上被應(yīng)用于中小學(xué)教學(xué)活動(dòng)，近年來(lái)，思維導(dǎo)圖開(kāi)始被探索應(yīng)用于大學(xué)英語(yǔ)、物理、化學(xué)、信息技術(shù)、臨床醫(yī)學(xué)等專業(yè)課程教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)中[3-4]。合理設(shè)計(jì)思維導(dǎo)圖的內(nèi)在根據(jù)源自對(duì)知識(shí)的正確理解與意義建構(gòu)，但目前關(guān)于無(wú)機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的思維導(dǎo)圖的設(shè)計(jì)還較缺乏，因此基于無(wú)機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的思維導(dǎo)圖設(shè)計(jì)將是對(duì)無(wú)機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的有益探索。

化合物的性質(zhì)實(shí)驗(yàn)及制備類實(shí)驗(yàn)是無(wú)機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的主要類型，本文以氧化還原反應(yīng)實(shí)驗(yàn)和硫酸亞鐵銨的制備為例進(jìn)行討論。本研究授課對(duì)象為大學(xué)本科化學(xué)(師范)、應(yīng)用化學(xué)專業(yè)，使用教材為北京師范大學(xué)等校合編《無(wú)機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)》(第四版)。

1 氧化還原反應(yīng)思維導(dǎo)圖設(shè)計(jì)

氧化還原反應(yīng)實(shí)驗(yàn)是大學(xué)無(wú)機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的重要內(nèi)容，通過(guò)觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象使學(xué)生掌握電極的本性、電對(duì)的氧化型或還原型物質(zhì)的濃度、介質(zhì)的酸度等因素對(duì)電極電勢(shì)、氧化還原反應(yīng)的方向、產(chǎn)物、速率的影響。由于此實(shí)驗(yàn)為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容繁多，學(xué)生在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)往往每做一個(gè)對(duì)照教材的某一個(gè)部分，不能很好領(lǐng)會(huì)整個(gè)過(guò)程。

氧化還原反應(yīng)是無(wú)機(jī)化學(xué)理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的重要組成部分，自中學(xué)開(kāi)始即接觸這一概念，但此時(shí)只停留在化合價(jià)的升降和有限的實(shí)例上，在大學(xué)階段的學(xué)習(xí)主要是以氧化還原電對(duì)的電極電勢(shì)為出發(fā)點(diǎn)來(lái)探討氧化還原反應(yīng)過(guò)程，根據(jù)化學(xué)反應(yīng)方向的判據(jù)，當(dāng)兩個(gè)氧化還原電對(duì)在發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時(shí)，其自發(fā)進(jìn)行的方向是電極電勢(shì)較大的氧化態(tài)與電極電勢(shì)較小的還原態(tài)之間發(fā)生反應(yīng)，轉(zhuǎn)化生成對(duì)應(yīng)的還原態(tài)和氧化態(tài)。另外，根據(jù)能斯特方程，一個(gè)氧化還原電對(duì)的電極電勢(shì)受到氧化態(tài)、還原態(tài)濃度、溶液pH值以及電極反應(yīng)中其他離子濃度等因素的影響。因此，對(duì)氧化還原反應(yīng)實(shí)驗(yàn)原理的思維路徑也就是按照濃度、pH值“氧化還原電對(duì)電極電勢(shì)”氧化還原反應(yīng)這一順序展開(kāi)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程分五個(gè)部分：j濃度對(duì)電極電勢(shì)的影響；k氧化還原反應(yīng)和電極電勢(shì)；l酸度和濃度對(duì)電極電勢(shì)的影響；m酸度對(duì)氧化還原反應(yīng)速率的影響；n氧化數(shù)居中的物質(zhì)的氧化還原性。實(shí)驗(yàn)j通過(guò)設(shè)計(jì)原電池和電解池，觀察指針的偏轉(zhuǎn)，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，其結(jié)果由濃度和電極電勢(shì)的關(guān)系—能斯特公式加以解釋。實(shí)驗(yàn)k觀察三個(gè)反應(yīng)現(xiàn)象，根據(jù)氧化還原反應(yīng)進(jìn)行方向與電對(duì)電極電勢(shì)大小之間的關(guān)系，從而推測(cè)三個(gè)氧化還原電對(duì)電極電勢(shì)的相對(duì)大小。在實(shí)驗(yàn)l中，改變酸度，觀察還原產(chǎn)物的不同或產(chǎn)物顏色的變化，從而驗(yàn)證酸度和濃度變化對(duì)氧化還原反應(yīng)過(guò)程的影響。實(shí)驗(yàn)m的速率快慢現(xiàn)象推測(cè)在氫離子濃度越大，其含氧酸氧化性越強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)n觀察處于中間氧化數(shù)的物質(zhì)的反應(yīng)。

在思維導(dǎo)圖設(shè)計(jì)(圖1)中，五個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容用箭頭表示對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)原理的相應(yīng)位置；每一個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的思維導(dǎo)圖中僅標(biāo)明進(jìn)行的離子反應(yīng)的反應(yīng)物，學(xué)生通過(guò)思維導(dǎo)圖進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，可以在思維導(dǎo)圖設(shè)計(jì)中用鮮明字體標(biāo)出，并對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行解釋；對(duì)于涉及的一些操作過(guò)程，以備注的形式標(biāo)出，如設(shè)計(jì)原電池、濃差電池和電解池的操作。

圖1 氧化還原反應(yīng)的思維導(dǎo)圖設(shè)計(jì)Fig.1 The mind maps of oxidation-reduction reaction

2 硫酸亞鐵銨的合成思維導(dǎo)圖設(shè)計(jì)

制備類型的實(shí)驗(yàn)是無(wú)機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的主要內(nèi)容之一，通過(guò)這些實(shí)驗(yàn)，學(xué)生不但可以掌握本次實(shí)驗(yàn)中目標(biāo)產(chǎn)物的制備方法，而且，還可以使他們掌握溶解、加熱、過(guò)濾、蒸發(fā)、結(jié)晶、干燥、稱量等一系列基本操作。硫酸亞鐵銨的制備是典型的無(wú)機(jī)制備實(shí)驗(yàn)，在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生做實(shí)驗(yàn)時(shí)往往忽略教材上沒(méi)有提及的關(guān)鍵細(xì)節(jié)，如保持小火加熱、結(jié)晶階段停止加熱時(shí)機(jī)及充分靜置等結(jié)晶條件的影響，同時(shí)，思維導(dǎo)圖(圖2)中也包含了實(shí)驗(yàn)中涉及的一些基本單元操作，并展開(kāi)為學(xué)生需要掌握的要點(diǎn)。

圖2 硫酸亞鐵銨制備實(shí)驗(yàn)思維導(dǎo)圖設(shè)計(jì)Fig.2 The preparation of the ferrous ammonium sulfate

3 結(jié)語(yǔ)

思維導(dǎo)圖作為簡(jiǎn)單有效的思維手段，能提高記憶和學(xué)習(xí)效率。教師不但可以通過(guò)設(shè)計(jì)思維導(dǎo)圖，理順教學(xué)思路和組織授課語(yǔ)言，而且進(jìn)行實(shí)驗(yàn)授課時(shí)應(yīng)用思維導(dǎo)圖講解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容使整個(gè)教學(xué)過(guò)程脈絡(luò)清晰，提高授課效果；學(xué)生也可按照思維導(dǎo)圖進(jìn)行預(yù)習(xí)和課后復(fù)習(xí)，有利于邏輯思維和發(fā)散思維養(yǎng)成。本文以氧化還原反應(yīng)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)和硫酸亞鐵銨制備實(shí)驗(yàn)為例，設(shè)計(jì)和分析了無(wú)機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的兩種主要類型-性質(zhì)類型實(shí)驗(yàn)和制備類型實(shí)驗(yàn)的思維導(dǎo)圖。這樣的設(shè)計(jì)思路不但對(duì)于對(duì)無(wú)機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的其他項(xiàng)目有借鑒作用，而且可以推廣到有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)、分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)方法改革中。