新农科背景下分析化学“量”的教学探索_张元红.pdf

第 51 卷第 2 期2023 年 1 月广 州 化 工Guangzhou Chemical IndustryVol.51 No.2Jan.2023新农科背景下分析化学“量”的教学探索张元红,姜 林,张丽丽,王艳芳,万福贤(山东农业大学化学与材料科学学院,山东 泰安 271018)摘 要:新农科建设背景下,对分析化学的教学提出了更高的要求。在实际教学中,我们主动对接新农科人才培养对分析化学教学的新变化,始终抓住准确的量概念的教学这一主线,立足分析化学理论课程教学,强化准确的量概念的教学;依托分析化学实验教学,践行准确的量概念;运用先进技术,获取具有时空分辨率的准确的量推动农业发展。通过多维度、多途径方式,帮助学生确立起准确的量的概念,培养学生严谨的科学态度和精益求精的作风,为农林卓越新人才的培养提供理论知识和精细技术支撑。关键词:准确的量;分析化学;教学主线;新农科中图分类号:G642.0 文献标志码:A文章编号:1001-9677(2023)02-0306-03 基金项目:山东省高等教育本科教学改革研究项目(M2020284);山东农业大学教学改革研究项目(XM202046、S2021050、S2021049)。第一作者:张元红(1979-),女,讲师,主要从事大学化学教学研究。通讯作者:万福贤(1979-),男,副教授,主要从事大学化学教学研究。Exploration and Practice on Analytical Chemistry Teaching underthe Background of New Agriculture Taking Teaching of Accurate Quantity Concept as An ExampleZHANG Yuan-hong,JIANG Lin,ZHANG Li-li,WANG Yan-fang,WAN Fu-xian(College of Chemistry and Material Science,Shandong Agricultural University,Shandong Taian 271018,China)Abstract:Under the background of new agricultural construction,higher requirements were put forward for the teachingof Analytical Chemistry.In the actual teaching,the initiative was taken to connect with the new changes of Analytical Chemistryteaching in the new agricultural talents training,the main line of the teaching of the concept of accurate quantity was alwaysgrasped,based on the teaching of Analytical Chemistry theory course,the teaching of the concept of accurate quantity wasstrengthened.Relying on the experimental teaching of Analytical Chemistry,we should practice the concept of accuratequantity,and use advanced technology to obtain accurate quantity with temporal and spatial resolution to promote agriculturaldevelopment.Through multi-dimensional and multi-channel methods,it could help students to establish an accurate concept ofquantity,students rigorous scientific attitude and style of excellence were cultivated,and theoretical knowledge and finetechnical support were provided for the cultivation of outstanding new talents in agriculture and forestry.Key words:accurate quantity;Analytical Chemistry;the main line of teaching;new agricultural science分析化学是高等农林院校的一门核心公共基础课程,其中一个重要任务是使学生准确树立准确的量的概念1-3,培养学生严肃认真、实事求是的科学态度。大部分教材在 误差和分析数据的处理 一章中凸显了准确的量的概念的重要性,后续章节中的许多细节都渗透着准确的量的概念,在实际教学中,教师应该紧紧抓住准确的量这条教学主线4,引导和帮助学生确立准确的量的概念,培养学生培养学生严谨的科学态度和精益求精的作风,为培养能够适应和引领未来农业发展需要的新型人才提供支撑5。1 现代生态农业发展需要更高质量的农林新人才 中国工程院金涌院士提出将农业、工业与信息产业融合打造现代生态农业的理念(智慧土壤保育与修复、精准施肥和新型肥料、滴灌和喷灌技术、可生物降解农膜、育种与种子经营等)。他认为生态农业是国家经济战略发展的新着力点。现代生态农业的发展对高等农林院校人才培养提出了更高的要求。例如,在现代生态农业中,监测土壤状况将提供关键信息,不仅最大限度地耕作输出和最小化环境副作用,同时为智能和可持续农业系统建立土壤条件和植物生长之间关系的特定站点数据库。传统上,土壤性质的测量是通过土壤取样和非现场实验室分析或现场分析提供土壤信息的。季节性变化的作物生长条件,如水分胁迫、营养缺乏、疾病、杂草和昆虫,都是通过目视检查和工厂实验室分析进行评估组织。这些传统策略的相对周期性、粗采样/测量率可能不足以揭示适时的时空变化。土壤信息采集需要有足够的时空分辨率,随着传感技术和无线通信技术的发展,遥感和原位监测土壤的物理、化学和生物性质(例如,含水量,盐度,温度、pH 值、营养物质),这些测定出的“准确的量”为现代生态农业的发展提供了精确的数据支撑,这需要高等农林类专业毕业生具备分析化学准确的第 51 卷第 2 期张元红,等:新农科背景下分析化学“量”的教学探索307 量的概念的理论和技术储备。2 立足分析化学理论课程教学,强化准确的量概念 定量分析的误差和数据处理 一章从化学分析的角度强调了准确的量的重要性6-7。为了得到准确的量,即得到准确的分析结果,需要采取系列措施:选择合适的分析方法、检验并消除系统误差、消除随机误差、减小称量的相对误差;得到的分析结果需要进行统计处理;处理分析结果时运用有效数字的运算规则。四大滴定分析方法中,为了减小误差、得到准确的量均做了以下几个方面的工作:按一定的化学反应方程式进行且反应程度达到 99.9%以上的化学反应才可以用于滴定分析,这是为了减小因反应不完全而引起的误差;控制化学计量点附近滴液速度,化学计量点附近一滴甚至半滴滴定剂就会引起溶液的 pH、pM、pX 或 变化很大,需要严格控制滴速以免引起较大的终点误差;选择合适的指示剂指示终点也是为了减少终点误差;控制指示剂的用量,避免指示剂消耗过多的滴定剂而引起误差;每种滴定方法里面都可以有四种不同的滴定方式,也是为了得到准确的量而存在的。此外,四大滴定法和分光光度法各章节中都渗透着准确的量的概念,如表 1 所示。教师将准确的量的概念贯穿整个教学过程,不仅可以强化准确的量概念,而且有利于学生更深层次地理解分析化学的基本理论、基本知识。表 1 准确的量概念在各章节中的渗透Table 1 The penetration of accurate quantity concepts in various chapters章节渗透准确的量概念实例酸碱滴定法减小二氧化碳的影响配位滴定法酸度的控制;利用掩蔽和解蔽方法滴定金属离子氧化还原滴定法标定高锰酸钾溶液准确浓度的条件:温度、酸度、滴定速度和终点判断重铬酸钾测定铁矿石中全铁含量时样品的处理;滴定时用硫酸-磷酸混合酸调节酸度间接碘量法中酸度的控制、锥形瓶不能剧烈摇动、析出 I2后立即滴定、淀粉指示剂在近终点时加入沉淀滴定法莫尔法和福尔哈德法中指示剂的用量、溶液的酸度控制、干扰离子的消除、滴定时充分摇动锥形瓶福尔哈德法中返滴定法测定 Cl-时需采取一定的措施减少沉淀转化引起的误差;返滴定法测定 I-时需要在 I-定量反应完成后再加入指示剂 Fe3+分光光度法吸光度测量条件的选择:选择适当的入射波长、控制吸光度值再适宜的范围内、选择恰当的参比溶液3 依托分析化学实验教学,践行准确的量概念化学是以实验为基础的一门学科,理论课程的准确的量的概念也在分析化学实验中得到印证、强化和实践8。以滴定管的使用为例进行说明,滴定管在使用之前先检漏,以防止实验过程中渗漏造成体积不准确;洗涤滴定管是为了消除杂质对滴定反应的影响;润洗是为了保证滴定管里的溶液浓度不被稀释;排气泡是为了避免滴定过程中气泡被带出而引起溶液体积的改变;控制滴定速度特别是化学计量点附近,要求一滴一滴地加入、甚至半滴半滴地加入,减少滴定终点带来的误差;滴定完成后需要等待 1 min 左右再读数是等待附在滴定管内壁上的溶液流下来,避免滴定管内溶液体积的变化;读数时将滴定管取下,是滴定管保持垂直,眼睛与管内液面在同一水平,保证读数的准确性;记录数据时要记录到小数点后第二位,即估读到 0.01 mL,避免记录到小数点后第一位,引起较大的读数误差。滴定管的使用过程中的每一步操作都以准确的量为准绳,都为得到准确的实验结果而为之。表 2 列出了准确的量在实验细节中的渗透,学生在实验过程中践行准确的量的概念,有利于提高学生实验操作技能,培养学生严肃认真、实事求是的科学态度。表 2 准确的量在实验细节中的渗透Table 2 Penetration of accurate quantities in experimental details实验项目涉及的仪器或细节仪器的洗涤吸量管、移液管、容量瓶、滴定管、锥形瓶、烧杯、样品池仪器的润洗吸量管、移液管、滴定管、样品池仪器的选择间接法配制溶液:固体用电子秤;液体用量筒直接法配制溶液:固体用电子天平;液体用移液管或滴定管仪器的使用吸量管、移液管:读数时手持吸量管或移液管,眼睛平视刻线;调节液面和放液时管尖抵住容器内壁;放溶液时不可用洗耳球吹(除非管上标有“吹”字);放液完毕后需等 15 s 再移出滴定管:检漏、涂油、排气泡;装满或放出溶液后需等 1min 左右再读数;注意控制滴定速度,尤其是终点时“一滴”、“半滴”的滴加、取下滴定管读数容量瓶:检漏;配制固体样品溶液时需用5 10 mL 去离子水冲洗玻璃棒和烧杯内壁并将溶液转移至容量瓶,如此反复3次;定容时手持容量瓶,眼睛平视刻线电子天平:调水平;关闭天平门读数分光光度计:选择入射波长;调整透光率 0 和 100%;溶液吸光度数值 0.2 0.8实验数据记录分析天平:保留小数点后四位,记录至 0.0001 g滴定管及吸量管:保留小数点后第二位,记录至 0.01 mL实验数据处理根据有效数字的运算规则进行运算得到准确的结果308 广 州 化 工2023 年 1 月4 融入现代分析技术助力精准农业发展的实际应用案例 运用先进的科学技术,发展新的分析原理并研究建立实用有效的原位、实时、在线和高灵敏、高选择性的新型动态分析检测和无损检测方法,从而研制出相应的新型分析仪器,将是21 世纪分析化学发展的主流。这些新型分析仪器结合其它技术将作为实现农业现代化的重要手段,成为促进农业发展的“催化剂”。黑龙江省嫩江县沈阳军区双山基地采用的农业生产方案是目前国内第一个完整的精准农业方案,是中科院与沈阳军区自2010 年以来共同实施的研究项目9。在中科院专家的帮助下,基地运用卫星遥感、地理信息系统、红外光谱测土等技术,结合智能传感、物联网技术,建设精准农业决策指挥和控制体系,解决传统农业粗放的生产方式带来的资源浪费、生态环境恶化等问题。如播种时,近地面的视频监控系统会观测土壤的冰雪消融、土质情况,卫星遥感会监测地温、水温,系统会根据相关数据信息确定播种时间、播种品种等。北京小汤山国家精准农业研究示范基地是国内第一个精准农业示范基地10。以把关作物成长周期为例,在小汤山国家精准农业示范基地,由农业信息感知层、信息传输网络层、应用服务层组成农业物联网,运用传感器网络实时获取温度、湿度、光照、二氧化碳等农业生产过程中的环境因子信息。这些种植过程中的时空分辨信息,为智能化监控提供准确的数据支撑,实现农业生产的精细化管理和精准化作业。5 结 语现代生态农业已经成为我国经济战略发展的新着力点,对实现党中央提出的乡村振兴战略具有重要的意义。现代生态农业的发展对高等农林院校人才培养提出了更高的要求。分析化学是农林类专业的核心公共基础课,在培养学生树立量的概念、分析操作技能,塑造学生严谨的科学态度和精益求精的作风等方面具有举足轻重的作用。我们在实际教学中,始终牢牢抓紧准确的量的概这一主线,通过多维度、多途径方式,帮助学生确立起准确的量的概念,从而使学生更深层次地理解分析化学的基本理论、基本知识,提高实验操作技能,养成严谨的工作作风和实事求是的科学态度,为未来在农业领域创新、创业和研究打下良好的理论基础。参考文献1 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吕海霞,杨志杰,张艳辉,等.基于应用型人才培养的化工原理实验教改探索与实践J.化工高等教育,2016,33(1):26-30.4 石新雨,谭志斗,杨艳,等.地方高校化工原理实验教学改革探索J.广东化工,2014,41(23):175-176.5 焦桂柱.谈仿真技术在化工教学中的应用J.教育现代化,2019,6(28):113-114.6 卢素敏,刘秀军,郭玉高,等.虚拟现实设计与仿真平台在化工原理课程设计教改中的研究J.教育教学论坛,2019(47):213-214.