时间:2023-10-07 13:20:57
熟练程度,主要靠知识的深广度来增加试题的综合性和思维容量,试题往往死抠知识、死抠教材、脱离实际、答案机械。从学与教的角度看,解答“知识立意”的试题,靠死记硬背和题海战术就容易达成目标。笔者认为,试题的“知识立意”是造成几十年来以死记硬背和题海战术为特征的应试教育盛行的重要原因。中考是义务教育阶段最重要的考试,也是区域性教育评价和教学改革的风向标。培养学生的科学素养是本次课改的基本理念和科学教育的根本宗旨。课程、教学和评价的理念及行为需要保持高度的一致性,否则,科学素养教育就只是一句口号,国家的意志难以实现。基于以上认识,自2003年以来,山东省威海市就确立探索以有效测查学生的化学科学素养为核心、以“素质立意”为特征的中考化学命题改革思路,经过多年的实践与探索,试题基本实现了由“知识立意”到“素质立意”的转变,试题形式、内容、情境素材和呈现方式等方面都发生了根本性的变化。 从结构和形式看(见表1),试卷基本抛弃了以选择题和填空题为主要题型、以强调知识覆盖面和检测学生掌握了多少化学知识为核心的命题思路。从问题情境和所选素材看,问题真实、情境新颖,素材多来自科学实验、学生生活和社会实际(而不是像知识立意的试题主要来自某道习题或课本)。其特点一是紧扣社会重大热点问题,如温室效应、酸雨的腐蚀性、燃烧、食品添加剂、化学与材料、化学与能源、日本大地震等;二是所选素材紧密联系学生的实际,保证绝大多数学生都熟识。从考试内容看,试题以课程标准中5个一级主题为主干内容,突出考查初中化学核心内容。如第二卷每道题选用代表性的物质和典型的事实考查化学的“大道理”,即物质世界,化学是做什么的(化学科学的价值是什么),化学的核心概念、基本观念、思想方法有哪些,化学科学是如何认识、改造和应用物质,是如何认识物质的组成与结构、性质与变化。在非选择题中,除计算题外,每道题都以课程标准中某个一级或二级主题为标题编制试题,即每道小题都是采取主题概括的方式,力争从整体上考查课标中相关重点内容。例如,化学物质的多样性、地球“发烧”了、应用广泛的金属、燃烧的利与弊、哪份盐酸最浓、物质的性质与变化、物质的构成与变化、化学与健康———从化学的视角看食品添加剂、化学与环境保护———探究酸雨的腐蚀性等等。这种带有标题的呈现方式,既能紧扣课标主题、突出核心内容,又能方便考生整体思考与作答;既能充分实现考试目标与课程目标的高度吻合,又能引领课堂教学高水平地达成课程目标。那么,何谓“素质立意”?其特征是什么?“素质立意”是指中考命题时严格依据课程目标的3个维度,全面、深入、有效地考查学生的化学科学素养。试题不仅注重考查主干知识,同时还注重考查科学过程与方法、科学情感态度与价值观。“素质立意”试题至少具有以下特征:(1)注重考查“学科学”的水平,主要是考查学科核心知识和基本技能,考查学生对主干知识认知的程度(即学生要有常识性的知识)。其重点一是核心概念,如原子、化学变化等;二是与生活、与社会密切相关的代表性物质和科学史实;三是重要的基本技能,如用化学符号表征物质的宏观组成、微观构成和化学变化。(2)注重考查“做科学”的水平,主要是考查科学过程与科学方法。是通过学生分析解决真实问题来考查。考试重点一是考“做科学”的知识和方法,即科学探究;二是考重要的化学实验方法,如性质、制备、分离提纯和物质检验;三是考科学的理性思维,如比较与对比、归纳与演绎、应用概念、推理判断、分类等。(3)注重考查是否形成正确的情感态度与价值观。一是直接考查,即在分析解决真实问题过程中考查学生是否形成某种基本观念;二是间接考查,即学生在解决问题过程中需要以隐性的情感、态度、思想和观念为指导,否则很难正确全面解答试题。考查重点一是化学基本观念,如元素观、微粒观、变化观、分类观和化学的社会观等;二是学生是否能够科学、辩证地看待物质世界,是否形成积极、科学的情感态度与价值观,是否了解化学在促进社会发展方面所起的巨大作用。(4)重视考查学生的能力及信息素养。重点是思维能力、自主学习能力、获取信息的素养。(5)重视考查创新精神和实践能力。下面结合威海市2010年、2011年中考化学试题,对命题思路和特点做具体分析。
1 突出核心概念和基本观念
化学是认识万物之本质、探究变化之科学。化学的核心概念(如原子、化学变化)和基本观念是人类认识物质世界所形成的最有价值最宝贵的成果,主要与物质的组成和结构、性质和变化有关。例1.【2010年第8题(13分)】化学物质的多样性世界是物质的,物质是由化学元素组成的。到目前为止,已经发现的物质超过6000万种,并且化学家还在以每年超百万种的速度继续发现更多的新物质。请你运用所学的知识回答下列问题。(1)在下表空白处填上适当的内容(表格略。即常见物质氧气、臭氧、过氧化氢、铜、熟石灰、纯碱、蔗糖、食盐水的名称、组成、构成微粒、化合物的质量比)(2)由于物质的多样性,化学上通常用分类的方法认识物质。请你根据物质的组成,把(1)中8种物质分类,要求用框图的形式表示,层次分明。(3)你认为造成物质多样性的原因有哪些?请选择(1)中物质说明(答3种即可):原因①,举例:;原因②,举例:;原因③,举例:。解析:从题型上看,本题既稳重又新颖、既规范又灵活。从内容上看,该题充分体现基础性、综合性和思想性。本题在构思时是以课程标准中的一级主题三———“物质构成的奥秘”为重点,由浅入深依次以“什么是物质的多样性(如何认识和表征物质的组成及结构)、怎样从物质组成的角度对多种多样的物质进行分类(如何分类认识物质)、为什么世界上的物质是多种多样的(造成物质多样性的原因是什么———组成、结构、性质)”3个问题为线索,全面考查该主题下全部4个二级主题中的90%以上的内容。虽然本题涉及的物质都是初中化学简单的常见的代表性物质(氧气、铜、蔗糖、食盐水等),但其巧妙之处在于,本题在全面考查相关化学基础知识和技能的同时,有效地考查了与物质组成和结构有关的核心概念、基本观念、科学思想和科学方法。如原子、分子、元素等核心概念,物质的多样性、微粒观、元素观、分类观等基本观念,以及化学科学特征思维方式及学习领域———宏观、微观、符号表征。考试结果显示,本题的得分率为55%,其中第(1)小题得分率低于50%,说明学生如果没有理解核心概念、没有形成基本观念,只靠机械记忆是做不好本题的。例2.【2011年第9题(13分)】物质的构成与变化现有以下6个变化:①氢气在氧气中燃烧;②给水通直流电;③锌加入稀硫酸溶液中;④氢氧化钠溶液跟稀盐酸混合;⑤冷却硝酸钾热饱和溶液析出硝酸钾晶体;⑥日本福岛第一核电站发生核反应,铀—235裂变产生碘—131。请回答下列问题:(1)探究化学变化的规律始终是化学科学的核心任务。上述变化中,属于化学变化的是(填变化的代号,下同),属于物理变化的是。(2)化学变化也叫化学反应,在上述化学反应中,属于分解反应的有,属于复分解反应的有。将化学反应分为分解反应、化合反应、复分解反应和置换反应4种基本反应类型的依据是。(3)我们知道,能直接构成物质的微粒有分子、原子、离子。物质之所以发生化学反应,从微观的角度看,是因为反应物的微粒之间在一定条件下发生有效的相互作用,使微粒的结构发生改变,或微粒重新排列组合,宏观上表现为生成了新的物质。在反应①中,发生有效的相互作用的微粒是(写出微粒符号)。反应③的化学方程式为,发生有效的相互作用而促使反应发生的微粒是(写出微粒符号),微粒的转化过程是。在反应④中,发生有效的相互作用而促使反应发生的微粒是(写出微粒符号)。③和⑥两个变化的实质是否相同?。为什么?。(4)根据化学反应是放出热量还是吸收热量,将化学反应分为放热反应和吸热反应。在上述化学变化中,属于吸热反应的有。解析:本题以物质的构成、性质和变化为重点,以6个典型、代表性的变化为素材,综合考查了初中阶段不同类型的化学反应的规律、分类依据、分类方法、典型化学变化的微观过程与变化本质、物质构成的微观表示等主干知识。得分率为54%。化学新课程强调化学基本观念的主导作用。与传统考查物质的性质和变化的试题比较,本题不是为了考查学生记忆了多少具体物质的性质、变化、现象、反应的方程式、变化的结果等,而是以6个变化为素材,突出考查初中化学核心概念和基本观念,如物质构成的微粒观、物质的变化观、化学反应的能量观、物质变化的复杂性与分类等。另外,本题还重视考查化学科学的思维方式,即在认识物质时,不仅要知道化学有宏观、微观和符号表征3大学习领域,还要能够由宏观现象联想到微观结构,由微观构成抽象到化学符号并能够运用化学符号描述和解释物质的组成、结构和变化。
2 突出科学探究
科学探究被确定为中考的重要考试内容,是基于以下考虑,第一,科学探究,特别是实验探究,是课标规定的初中化学最重要的学习内容之一;第二,科学探究不仅反映了科学的本质,也是考查学生做科学的水平的有效途径;第三,化学是一门建立在实验基础上的学科,其发展过程本身就蕴藏着丰富的探究学习的素材,化学与学生的学习和生活密切相关,真实的探究学习素材更是丰富多彩,以科学探究作为切入点,有利于命题者选取有价值的素材创编试题。例3.【2011年第11题(11分)】化学与环境保护———探究酸雨的腐蚀性我国道教发源地山东威海圣经山摩崖石刻,为国内罕见的大型道教石刻,可称为瑰宝。圣经山摩崖石刻的材质是大理石,主要成分是碳酸钙,现在字迹已模糊不清。摩崖石刻被腐蚀,是否是酸雨所致?试回答下列问题:(1)酸雨的成因:即使大气没有受到污染,正常的雨水或河水也呈微弱酸性(pH在5.6~7.0之间),原因是。酸雨的酸性比正常雨水强,是因为雨水吸收了被污染的大气中的等有害气体。大气中这些有害气体主要来自于。(2)定量实验探究:查阅资料及定性实验表明:(1)醋酸和酸雨的酸性程度差不多,pH在5.6~3.0之间;(2)酸雨(醋酸)确实能加重大理石腐蚀的程度。(3)定性实验显示:将大理石放入pH=3.0的醋酸溶液中,短时间内几乎看不出有气泡产生。现提供下列仪器和试剂:仪器:烧杯、托盘天平、镊子、量筒、胶头滴管。药品:pH=6.5的普通雨水
【案例1】“停车坐爱枫林晚,霜叶红于二月花”,从细胞知识来看,引起枫叶颜色变化的物质存在于:A.叶绿体B.细胞核C.液泡D.细胞壁。给出的标准答案是C(本题源于某市2012-2013学年度第一学期初四理科综合试卷生物学部分)
【商榷】按照定式思维,很容易让人想到叶片呈现出红色是花青素的原因,故而非常容易的答出和标准答案相同的结论。笔者认为解答该题的关键是要根据所掌握的细胞知识,从什么原因引起枫叶在不同季节颜色变化(由绿变红)入手进行分析,找到引起枫叶颜色变化的物质。首先叶片是绿色的,是因为枫叶叶肉细胞内叶绿体中含有大量的叶绿素,在正常情况下,叶绿素对绿光的吸收量非常少,几乎都反射出来了,使叶片呈现绿色。而到了秋天,温度变低,叶绿素不稳定,被逐渐分解,而失去了反射绿光的作用,而这时花青素的颜色就显现出来了。据此,本题的答案应该是A.叶绿体(含有叶绿体)和C.液泡(内有花青素)
【案例2】将100克绿豆种子种植在暗处,5天以后种子经过萌发发育成800克绿豆幼苗,在此过程中,绿豆体内的有机物变化是:A.增多B.减少C.先减少后增多D.不确定。给出的标准答案是B(来源同上)
【商榷】这道题是将100克绿豆种子培育成800克的绿豆芽(幼叶未长出)的过程中,绿豆中有机物的变化如下图所示,正确的是( )
■■
A B
■■
C D
一题的变形。该题主要考察的是植物种子萌发成绿豆芽(幼叶未长出)过程中,有机物被消耗利用一知识点。变形后的习题,多了一个场景就是暗处,似乎在告诉学生绿豆种子萌发长出了幼苗,由于没有光也不能光合作用,有机物也不能增多。但这里忽略了一个细节,【案例2】给出的100克绿豆种子,5天以后种子经过萌发发育成800克绿豆幼苗,似乎太快了吧,学生即使按照命题教师的设想去答题,也有牵强之感。
【案例3】下列哪项是植物细胞具有而动物细胞不具有的结构:A.细胞核、叶绿体B.细胞壁、液泡、叶绿体C.细胞质、液泡D.细胞膜、叶绿体。给出的标准答案是B(试题来源于某市2005年某课改实验区学业考试生物试题)
【商榷】从给出的答案来看,动物细胞中应该没有液泡,但从一些文献来看,动物细胞中时有液泡这一结构的,如中华人民共和国教育部制定的义务教育《生物学课程标准》(2011年版),在第三部分课程内容中二生物体的结构层次的重要概念中有这样的论述:“相比于动物细胞,植物细胞具有特俗的细胞结构,例如叶绿体和细胞壁。”朱正威、赵占良主编的普通高中课程标准试验教科书《生物1分子与细胞》有这样的描述:“液泡主要存在于植物细胞中,……”苏教版义务教育课程标准教科书《生物》七年级上册对这一问题是这样表述的:“人和动物细胞没有细胞壁,其细胞质中没有叶绿体和中央大液泡”。如果在编制的试题中强调动物细胞没有液泡是不科学的。
【案例4】用显微镜观察叶下表皮临时装片时,发现一气孔位于视野的右下方。要想使该气孔移至视野中央,装片应移向:A.左上方B.左下方C.右上方D.右下方。给出的标准答案是D(试题来源于某市2011中考生物试题)
【商榷】显微镜是初中阶段常用的观察仪器,是考察的重点内容之一。目前各地中学使用的光学显微镜有直筒式和斜筒式两种,其中以直筒式居多,大多数教师习惯了使用直筒式显微镜。在编制试题时忽视了这两种显微镜结构的不同,成像结果的区别。特别是在镜筒内安装成一定角度平面镜的斜筒式显微镜,经过物镜的折射后,通过平面镜的一次全反射,再经过目镜的折射,最终在视野内观察到的像就成了一个左右倒置的放大虚像。如果用这种显微镜(如广州光学仪器厂生产的L-100a型单目斜筒式显微镜)来观察,答案应该为C。所以在命制此类试题时,应该明确指出是在直筒式光学显微镜下观察到的像。
关键词:宏观表征;微观表征;符号表征;MAS问题编码
文章编号:1005-6629(2008)03-0011-04中图分类号:G633.8 文献标识码:B
1 问题的提出
化学是一门在分子、原子水平上研究物质的组成、结构、性质及其变化规律的科学。物质的性质体现在宏观变化上,而物质的组成、结构等微观知识则是理解性质,把握变化本质的基础。而化学符号作为联系宏观与徽观的桥梁,是化学学习的重要工具。因此,对化学知识进行宏观表征、微观表征和符号表征,并在三者间实现有机的联系,即进行三重表征,可以说是化学学习的精髓所在。
MAS,即多维分析系统(multidimensional analysis system),它最初被设计用于确定与摩尔相关的化学定量问题的难度。MAS系统分析解决某类问题所需的几种知识维度,并对每一种维度的难度要求从低到高进行赋值,然后再依据问题涉及的知识维度和难度水平对问题进行编码,从而实现对该类问题的难度分类[1]。例如对于“摩尔”这一知识点的问题解决,MAS系统的维度设置包括三个转换水平:宏观符号、微观符号、符号过程,难度分类值为0、1、2、3,其问题分类具体规则如下:
表1 摩尔问题的MAS问题编码规则
根据上述分类规则,对于不同的摩尔问题可分别进行编码,例如NO2的摩尔质量是多少?根据上述问题编码规则,该题的MAS问题编码为001。
本研究借用了MAS系统的方法,对化学问题分别进行编码,研究学生对化学中三种知识表征间的转换能力。根据问题涉及的知识表征,本研究设置了三种维度的知识表征间的转换水平:宏观微观、微观符号、宏观符号。其中单维度指的是仅包含一种上述转换水平,多维度指的是包含一种以上上述转换水平。根据解决问题所需的不同表征间的转换方向为0、1、2三类,具体的MAS问题编码规则如下所示:
表2 本研究MAS问题编码规则
2 研究设计
2.1 研究目的
本研究旨在考查高中学生化学宏观表征、微观表征、符号表征两两之间的转换能力。通过学生间转换能力的差异比较以及某一转换水平在不同维度下转换情况的分析,为提高学生进行三重表征的能力提供有益的借鉴。
2.2 研究对象
本研究选取上海市两所高级中学高三学生为被试,按照化学学习基础的好坏,对被试进行分组。将学习基础较好的学生归为一组成(以下简称A组被试),将学习基础相对较差的学生归为另一组(以下简称B组被试)。其中,A组被试共90人,B组被试共50人。
2.3测试材料
根据研究目的,将进行两次测试,测试中涉及到的化学知识均为学生在高一高二中已学的,测试一和测试二将分别反映学生单维度转换的情况和多维度转换的情况。测试一与测试二的MAS问题编码如下:
本研究测试所选试题涵盖了高中阶段所学的化学基础知识,所涉及的章节内容较广。为确保测试结果与研究结论具有一定的信度与效度,对于同一转换水平同一转换方向的试题,在试题难度上应尽量保证一致。
2.4 研究方法
本研究采用对比分析的研究方法,其中测试一在A组被试和B组被试间进行,考察两组被试在单维度转换能力上的差异,并揭示了造成这种差异的可能的原因;测试二在A组被试内进行,测试结果将与测试一的结果共同形成某一转换水平在不同维度下的转换情况,并作比较分析。
3 结果与分析
3.1 单维度转换结果处理与分析
对两组被试在测试一中的回答情况进行了结果处理,其单水平转换的正确率分别见表3及表4所示。
表3 A组被试单维度转换正确率统计结果
由以上两表可见,在单维度转换中,A组被试的总体正确率普遍高于B组被试,两组被试间的差异较为显著。从测试一中两组被试的回答情况来看,化学基础较好的A组被试由于本身具备了比较全面系统的宏观表征、微观表征、符号表征的知识,能更为顺利地进行不同表征间的单维度转换,下面将通过两个问题实例具体加以说明。
问题1(MAS No.100):下图是金刚石熔融状态下的微观结构,请解释为什么金刚石在室温下是固体?
分析:该题需要学生提取题干中的有效宏观表征信息――金刚石的高熔点,和微观表征信息――金刚石中碳原子共价键结合的方式,来建立由微观到宏观的转换――结构决定性质,答对的学生往往会注意到问题中这些“有效信息”,层层推进地把问题解释清楚、全面。而在答错的学生中,有相当一部分学生只提到了“金刚石是原子晶体”,即而说明它在常温下是固体,而这仅仅停留在了规律层面上,未能揭示出其微观本质。
问题2 (MAS No.010):如下图所示的分子结构中,黑球代表原子序数小于10的元素的原子实(原子除去价电子后剩余部分),黑点表示未成键电子,短线表示共价键。请写出相应的化学式。
分析:有96.8%的A组被试正确写出了尿素(该小题答案)的结构式,而B组被试中的正确率仅为60.4%。调查发现,A组被试和B组被试中答对该小题的学生中大多能正确回忆出1-10号元素原子的外层电子排布,并能将题干中的横线与单、双键对应;黑点与原子外层的孤对电子对应。显然,在他们的头脑中已具备了原子核外电子排布及化学键这些微观表征的知识,并且能在书写化学式的过程中考虑核外电子排布及孤对电子对成键的影响,说明其已能正确建立起微观表征与符号有意义的联系,有效地实现两者之间的转换。
综上,影响学生在单维度转换问题解决上差异的因素有:(1)对某一知识表征本身的掌握程度。倘若缺乏对宏观、微观、符号表征中任一表征的相关知识或能力,都将影响到学生进行两两表征之间的转换以及三重表征之间的转换。(2)建立不同表征间某些内在的对应关系,这与对知识的熟悉程度等有关,属于能力范畴。(3)对问题表征的深度的不同。对问题本身包含的信息进行深入的加工,提取其中有效的部分,将有助于提高不同表征间的转换。
3.2不同维度下转换结果的处理与分析
为考察不同维度对转换能力的影响,研究对A组被试还进行了多维度转换的测试,并结合A组被试在测试一单维度转换中的表现情况,得到了其在不同维度下某一转换能力强弱变化的趋势,结果如下表所示(见表5、6、7)。
3.2.1 不同维度下转换结果
在多维度转换的问题中,包含宏观微观转换水平的问题有102、202、211、221四题,其中221因适合进行定性分析,暂不作定量统计。根据转换的方向,将宏观微观转换问题分为100、102和200、202、211两组。同理,微观符号021、211和002、102、012、202。
表5 不同维度下微观宏观与宏观微观的转换比较
注:问题102的正确率指的是“1”,即微观宏观这一方向转换的正确率;问题202、211的正确率指的是“2”,即宏观微观这一方向转换的正确率,下同。
表6 不同维度下微观符号与符号微观的转换比较
3.2.2 不同维度下转换结果分析
由上述结果显示,宏观微观的转换因有符号的介入,使的该转换变得更容易实现。我们知道,宏观领域主要关注物质及其性质、科学过程及现象,而微观领域则主要关注微粒模型,如分子、原子和离子等,而符号在连接宏观与微观之间,起到重要的桥梁的作用[2]。有学者将宏观、微观、符号三个界面的关系表示如下:
由上图可以发现,宏观领域与微观领域是可见的物质世界与不可见的粒子运动这样两个没有交叉的领域,从一杯水要获知水的分子组成、结构式确实非常困难,这也正是化学的奥秘之处。化学符号不仅是中学化学知识的重要组成部分,而且是学生学习化学知识或化学事实的重要表征形式之一,具有知识性和工具性的高度统一。学生解决化学问题必然在很大程度上要运用化学符号提取化学知识、转换化学信息,甚至进行化学符号组合或转换等一系列思维活动[3]。下面我们仍以测试中的一道实例加以说明。
问题3(MAS No.202):KClO3和NaHSO3在溶液中能发生氧化还原反应,其反应速率与时间的关系如下图所示。已知该反应的速率随H+浓度的增大而增大,试回答:
(1)写出反应的离子方程式:
(2)请解释反应刚开始阶段反应速率逐渐增大以及反应后期速率逐渐减慢的原因。
分析:问题202首先要求写出某氧化还原反应的离子方程式,这是宏观符号的转换。根据物质的氧化性和还原性,有一部分学生能正确书写离子方程式,而影响反应速率的H+是生成物之一,可解释该反应由快到慢这一宏观现象背后的微观机理,提高了宏观表征到微观表征的转换。
另外,对于微观符号、宏观符号的转换,增加问题的维度,只是单纯的增加转换的次数,提高问题的难度,对学生三重表征之间转换水平的要求也更高。从转换的方向上来看,宏观微观、符号宏观的转换也要略难于微观宏观、微观符号、宏观符号的转换。这可能是因为符号表征本身就包含了很多信息,它是宏观现象和微观机理的高度浓缩,因此根据给出的符号信息来推知宏观性质与微观本质就会比较容易进行。
参考文献:
[1]Yehudit J.Dori, mira Hameiri. Multidimensional Analysis Sy stem for Quantitative Chemistry Problem: Symbol, Macro, micro and Process Aspects[J]. Journal of research in science teachning, 2003.
[2]Onno de Jong, Jan van Driel. Prospective teachers' concerns about teaching chemistry topics at a macro-micro-symbolic interface [C]. Speeches/meeting reports, 1999.
关键词 中考化学 素质立意 核心概念 基本观念 学习潜能
试题特点 命题改革
自21世纪初我国基础教育课程改革以来,基础教育各类纸笔测试题逐渐由“知识立意”转向检测与评价学生的科学素养。
从教育测量与评价的角度看,前者主要考查学生掌握知识和技能的多少及熟练程度,主要靠知识的深广度来增加试题的综合性和思维容量,试题往往死抠知识、死抠教材、脱离实际、答案机械。从学与教的角度看,解答“知识立意”的试题,靠死记硬背和题海战术就容易达成目标。笔者认为,试题的“知识立意”是造成几十年来以死记硬背和题海战术为特征的应试教育盛行的重要原因。
中考是义务教育阶段最重要的考试,也是区域性教育评价和教学改革的风向标。培养学生的科学素养是本次课改的基本理念和科学教育的根本宗旨。课程、教学和评价的理念及行为需要保持高度的一致性,否则,科学素养教育就只是一句口号,国家的意志难以实现。
基于以上认识,自2003年以来,山东省威海市就确立探索以有效测查学生的化学科学素养为核心、以“素质立意”为特征的中考化学命题改革思路,经过多年的实践与探索,试题基本实现了由“知识立意”到“素质立意”的转变,试题形式、内容、情境素材和呈现方式等方面都发生了根本性的变化。
从结构和形式看,试卷基本抛弃了以选择题和填空题为主要题型、以强调知识覆盖面和检测学生掌握了多少化学知识为核心的命题思路。
从问题情境和所选素材看,问题真实、情境新颖,素材多来自科学实验、学生生活和社会实际(而不是像知识立意的试题主要来自某道习题或课本)。其特点一是紧扣社会重大热点问题,如温室效应、酸雨的腐蚀性、燃烧、食品添加剂、化学与材料、化学与能源、日本大地震等;二是所选素材紧密联系学生的实际,保证绝大多数学生都熟识。
从考试内容看,试题以课程标准中5个一级主题为主干内容,突出考查初中化学核心内容。如第二卷每道题选用代表性的物质和典型的事实考查化学的“大道理”,即物质世界,化学是做什么的(化学科学的价值是什么),化学的核心概念、基本观念、思想方法有哪些,化学科学是如何认识、改造和应用物质,是如何认识物质的组成与结构、性质与变化。
在非选择题中,除计算题外,每道题都以课程标准中某个一级或二级主题为标题编制试题,即每道小题都是采取主题概括的方式,力争从整体上考查课标中相关重点内容。例如,化学物质的多样性、地球“发烧”了、应用广泛的金属、燃烧的利与弊、哪份盐酸最浓、物质的性质与变化、物质的构成与变化、化学与健康——从化学的视角看食品添加剂、化学与环境保护——探究酸雨的腐蚀性等等。这种带有标题的呈现方式,既能紧扣课标主题、突出核心内容,又能方便考生整体思考与作答;既能充分实现考试目标与课程目标的高度吻合,又能引领课堂教学高水平地达成课程目标。
那么,何谓“素质立意”?其特征是什么?“素质立意”是指中考命题时严格依据课程目标的3个维度,全面、深入、有效地考查学生的化学科学素养。试题不仅注重考查主干知识,同时还注重考查科学过程与方法、科学情感态度与价值观。“素质立意”试题至少具有以下特征:
(1)注重考查“学科学”的水平,主要是考查学科核心知识和基本技能,考查学生对主干知识认知的程度(即学生要有常识性的知识)。其重点一是核心概念,如原子、化学变化等;二是与生活、与社会密切相关的代表性物质和科学史实;三是重要的基本技能,如用化学符号表征物质的宏观组成、微观构成和化学变化。
(2)注重考查“做科学”的水平,主要是考查科学过程与科学方法。是通过学生分析解决真实问题来考查。考试重点一是考“做科学”的知识和方法,即科学探究;二是考重要的化学实验方法,如性质、制备、分离提纯和物质检验;三是考科学的理性思维,如比较与对比、归纳与演绎、应用概念、推理判断、分类等。
(3)注重考查是否形成正确的情感态度与价值观。一是直接考查,即在分析解决真实问题过程中考查学生是否形成某种基本观念;二是间接考查,即学生在解决问题过程中需要以隐性的情感、态度、思想和观念为指导,否则很难正确全面解答试题。考点一是化学基本观念,如元素观、微粒观、变化观、分类观和化学的社会观等;二是学生是否能够科学、辩证地看待物质世界,是否形成积极、科学的情感态度与价值观,是否了解化学在促进社会发展方面所起的巨大作用。
(4)重视考查学生的能力及信息素养。重点是思维能力、自主学习能力、获取信息的素养。
(5)重视考查创新精神和实践能力。
下面结合威海市2010年、2011年中考化学试题,对命题思路和特点做具体分析。
1 突出核心概念和基本观念
化学是认识万物之本质、探究变化之科学。化学的核心概念(如原子、化学变化)和基本观念是人类认识物质世界所形成的最有价值最宝贵的成果,主要与物质的组成和结构、性质和变化有关。
例1.【2010年第8题(13分)】化学物质的多样性
世界是物质的,物质是由化学元素组成的。到目前为止,已经发现的物质超过6000万种,并且化学家还在以每年超百万种的速度继续发现更多的新物质。请你运用所学的知识回答下列问题。
(1)在下表空白处填上适当的内容(表格略。即常见物质氧气、臭氧、过氧化氢、铜、熟石灰、纯碱、蔗糖、食盐水的名称、组成、构成微粒、化合物的质量比)
(2)由于物质的多样性,化学上通常用分类的方法认识物质。请你根据物质的组成,把(1)中8种物质分类,要求用框图的形式表示,层次分明。
(3)你认为造成物质多样性的原因有哪些?请选择(1)中物质说明(答3种即可):
原因①_____,举例:_____;原因②_____,举例:_____;原因③_____,举例:_____。
解析:从题型上看,本题既稳重又新颖、既规范又灵活。从内容上看,该题充分体现基础性、综合性和思想性。本题在构思时是以课程标准中的一级主题三——“物质构成的奥秘”为重点.由浅入深依次以“什么是物质的多样性(如何认识和表征物质的组成及结构)、怎样从物质组成的角度对多种多样的物质进行分类(如何分类认识物质)、为什么世界上的物质是多种多样的(造成物质多样性的原因是什么——组成、结构、性质)”3个问题为线索,全面考查该主题下全部4个二级主题中的90%以上的内容。
虽然本题涉及的物质都是初中化学简单的常见的代表性物质(氧气、铜、蔗糖、食盐水等),但其巧妙之处在于,本题在全面考查相关化学基础知识和技能的同时,有效地考查了与物质组成和结构有关的核心概念、基本观念、科学思想和科学方法。如原子、分子、元素等核心概念,物质的多样性、微粒观、元素观、分类观等基本观念,以及化学科学特征思维方式及学习领域——宏观、微观、符号表征。考试结果显示,本题的得分率为55%,其中第(1)小题得分率低于50%,说明学生如果没有理解核心概念、没有形成基本观念,只靠机械记忆是做不好本题的。
例2.【2011年第9题(13分)】物质的构成与变化
现有以下6个变化:
①氢气在氧气中燃烧;②给水通直流电;③锌加入稀硫酸溶液中;④氢氧化钠溶液跟稀盐酸混合;⑤冷却硝酸钾热饱和溶液析出硝酸钾晶体;⑥日本福岛第一核电站发生核反应,铀一235裂变产生碘-131。
请回答下列问题:
(1)探究化学变化的规律始终是化学科学的核心任务。上述变化中,属于化学变化的是(填变化的代号,下同)_______,属于物理变化的是_______。
(2)化学变化也叫化学反应,在上述化学反应中,属于分解反应的有_______,属于复分解反应的有_______。将化学反应分为分解反应、化合反应、复分解反应和置换反应4种基本反应类型的依据是_______。
(3)我们知道,能直接构成物质的微粒有分子、原子、离子。物质之所以发生化学反应,从微观的角度看,是因为反应物的微粒之间在一定条件下发生有效的相互作用,使微粒的结构发生改变,或微粒重新排列组合,宏观上表现为生成了新的物质。在反应①中,发生有效的相互作用的微粒是(写出微粒符号)_______。反应③的化学方程式为_______,发生有效的相互作用而促使反应发生的微粒是(写出微粒符号)_______,微粒的转化过程是_______。在反应④中,发生有效的相互作用而促使反应发生的微粒是(写出微粒符号)_______。③和⑥两个变化的实质是否相同?_______。为什么?_______。
(4)根据化学反应是放出热量还是吸收热量,将化学反应分为放热反应和吸热反应。在上述化学变化中,属于吸热反应的有_______。
解析:本题以物质的构成、性质和变化为重点,以6个典型、代表性的变化为素材,综合考查了初中阶段不同类型的化学反应的规律、分类依据、分类方法、典型化学变化的微观过程与变化本质、物质构成的微观表示等主干知识。得分率为54%。
化学新课程强调化学基本观念的主导作用。与传统考查物质的性质和变化的试题比较,本题不是为了考查学生记忆了多少具体物质的性质、变化、现象、反应的方程式、变化的结果等,而是以6个变化为素材,突出考查初中化学核心概念和基本观念,如物质构成的微粒观、物质的变化观、化学反应的能量观、物质变化的复杂性与分类等。另外,本题还重视考查化学科学的思维方式,即在认识物质时,不仅要知道化学有宏观、微观和符号表征3大学习领域,还要能够由宏观现象联想到微观结构,由微观构成抽象到化学符号并能够运用化学符号描述和解释物质的组成、结构和变化。
2 突出科学探究
科学探究被确定为中考的重要考试内容,是基于以下考虑,第一,科学探究,特别是实验探究,是课标规定的初中化学最重要的学习内容之一;第二,科学探究不仅反映了科学的本质,也是考查学生做科学的水平的有效途径;第三,化学是一门建立在实验基础上的学科,其发展过程本身就蕴藏着丰富的探究学习的素材,化学与学生的学习和生活密切相关,真实的探究学习素材更是丰富多彩,以科学探究作为切入点,有利于命题者选取有价值的素材创编试题。
例3.【2011年第11题(11分)】化学与环境保护——探究酸雨的腐蚀性
我国道教发源地山东威海圣经山摩崖石刻,为国内罕见的大型道教石刻,可称为瑰宝。圣经山摩崖石刻的材质是大理石,主要成分是碳酸钙,现在字迹已模糊不清。摩崖石刻被腐蚀,是否是酸雨所致?试回答下列问题:
(1)酸雨的成因:即使大气没有受到污染,正常的雨水或河水也呈微弱酸性(pH在5.6~7.0之间),原因是_______。酸雨的酸性比正常雨水强,是因为雨水吸收了被污染的大气中的_______等有害气体。大气中这些有害气体主要来自于_______。
(2)定量实验探究:
查阅资料及定性实验表明:(1)醋酸和酸雨的酸性程度差不多,pH在5.6~3.0之间;(2)酸雨(醋酸)确实能加重大理石腐蚀的程度。(3)定性实验显示:将大理石放入pH=3.0的醋酸溶液中,短时间内几乎看不出有气泡产生。
现提供下列仪器和试剂:
仪器:烧杯、托盘天平、镊子、量筒、胶头滴管。药品:pH=6.5的普通雨水、pH=3.0的醋酸溶液、大理石薄片。
请你设计一个“定量实验方案”,证明摩崖石刻被腐蚀,主要与酸雨有关,与普通雨水无关。(表格略)
(3)下列与保护摩崖石刻有关的说法中,你同意的是( )
A.了解哪种人类活动最容易引起酸雨
B.引起酸雨原因的结论应建立在科学研究的基础上
C.保护摩崖石刻要建立在有关损坏原因的科学证据的基础上
D.要从根本上预防酸雨的危害,应禁止工厂和汽车排放气体
E.要减少酸雨的危害,应研究和推广减少有害气体排放的技术
F.要从根本上保护摩崖石刻,主要应研究修复被酸雨损伤的摩崖石刻的方法与技术
解析:这道题,以真实的问题为情境,以科学探究为核心,以物质的组成、性质和变化以及相关实验知识和技能为载体,以探究方案的设计为线索,以考查学生做科学的真实水平为目标,将化学知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观3方面的目标有机地融合在一起,全面考查学生做科学的水平,包括科学解释、发现和提出问题、猜想假设、收集证据(定量实验、变量控制、对比实验等)、对实验结果与数据进行处理(解释结果)、推理判断、对实验方案和结论进行评价与反思、识别科学问题等。本题得分率为46.5%。
3 突出科学思想、科学情感态度与价值观
在纸笔测验中如何有效考查学生的科学情感态度和价值观,一直是教学评价的盲点和难点。威海市中考化学试题遵循教育测量与评价规律,努力克服纸笔测验的弊端,以化学基本观念为重点,以有价值的化学知识为素材,以与STS有关的真实问题为背景,有效地考查学生的情感态度与价值观。
例4.【2010年第11题(5分)】燃烧的“利”与“弊”
火就是化学上所说的燃烧。根据你对燃烧反应的理解,若以“燃烧的利与弊”作为论题,你的观点是_______,请你列举有力的证据论证你的观点。
要求:①论据简洁、论证充分。②同一论据只需举出一个事例说明即可。③字数在150字以内。
解析:这道题在取材时紧密联系初中化学重点内容、生活实际和当前人类社会面临的重大问题,内容涉及到燃烧这一常见、特殊而重要的化学反应,涉及到能源、环境污染等社会热点问题。旨在考查考生是否深刻理解化学科学在“人类认识物质、改造物质和应用物质”中发挥的巨大作用,是否形成积极的、科学的情感态度和价值观。同时也考查学生对燃烧实质理解的程度、燃烧反应的物质观和能量观(既能产生新物质,又能产生能量)。考试结果显示,本题得分率为55%,有超过50%的学生,或认为“燃烧弊大于利”,或者观点正确但举不出合适的例证。
人类社会的进步离不开燃烧。考查燃烧,可以分为3个层次。第一,什么是燃烧(认知性目标,记住或知道燃烧的概念)。第二,理解燃烧的实质,燃烧有什么用(情感、体验性目标,感悟到燃烧反应的实质和科学价值)。第三,会运用燃烧概念和燃烧的条件解释一些简单的现象、解决简单的问题(实践性目标,知道怎么办)。试想,如果一个人熟记了燃烧的概念,但没有真正理解与人类和社会发展息息相关的燃烧反应的价值,也不会解决与燃烧有关的简单问题,即使他把燃烧的概念倒背如流,又有何意义?
化学基本观念是化学教育内容的灵魂,是学科素养的核心,我们的教学和评价必须回到课程方案上来,回到科学素养教育的正确轨道上来,因为这是国家意志的体现,是教育本质的体现。科学素养教育的本质什么?是当学生把所学的具体化学知识几乎都忘了以后所留下来的能够影响学生终身发展的隐性要素——是思想观念、是态度、是方法、是思维方式、是行为习惯、是解决问题的能力和品质。
另外,综观威海市近几年的试题,还有其他一些与众不同的显著特点:
一是注重考查与STS有关的内容。这种试题能更加全面有效地考查学生的科学素养,特别是有利于考查学生对自然科学本质的理解程度,有利于考查学生对科学与社会之间关系的认识水平,引导初中化学教学从化学的视角去深刻认识当前我国社会发展的热点、焦点问题。中考的这种导向作用对于教学中培养学生科学素养具有深远的影响。
二是试题新颖、综合性强、区分度高,有效地考查考生的学习潜能,有力地保证了试题选拔功能的实现。
三是以小见大、思考容量大、能力价值突出。如试题多以与人类生命活动和生产活动密切相关的代表性物质为载体,考查初中化学核心知识(组成、结构、性质和变化)、基本观念和科学方法。考虑到初中化学内容多、课时少的现实,试题不追求一般性、事实性知识的覆盖面,较大幅度地减少了纯粹记忆性内容,真正做到了让教学中的“死记硬背失效、题海战术失灵”,真正做到了考试目标与课程目标、教学目标的一致性。
4 问题与反思
众所周知,传统的纸笔测验对全面检测学生的自然科学素养有很大的局限性,特别是对于检测学生“做科学”的水平局限性更大。目前各地的中考,大多在纸笔测验基础上增加实验技能考查内容,但实验技能不能等同于实验能力,此类题目从内容上看,往往侧重于考查学生的实验知识、技能水平,没有真正体现学科学和做科学的真实、本来面目,不能有效地考查学生的动手和实践能力。
培养学生的创新精神和实践能力,除了双基外,关键的问题是要真正培养学生的动手与实践能力,而不应该让化学实验在教学和考试中走过场、流于形式。这不仅要从平时的教学做起,还要从评价方面进行彻底的改革。
从结构和形式看(见表1),试卷基本抛弃了以选择题和填空题为主要题型、以强调知识覆盖面和检测学生掌握了多少化学知识为核心的命题思路。从问题情境和所选素材看,问题真实、情境新颖,素材多来自科学实验、学生生活和社会实际(而不是像知识立意的试题主要来自某道习题或课本)。其特点一是紧扣社会重大热点问题,如温室效应、酸雨的腐蚀性、燃烧、食品添加剂、化学与材料、化学与能源、日本大地震等;二是所选素材紧密联系学生的实际,保证绝大多数学生都熟识。从考试内容看,试题以课程标准中5个一级主题为主干内容,突出考查初中化学核心内容。如第二卷每道题选用代表性的物质和典型的事实考查化学的“大道理”,即物质世界,化学是做什么的(化学科学的价值是什么),化学的核心概念、基本观念、思想方法有哪些,化学科学是如何认识、改造和应用物质,是如何认识物质的组成与结构、性质与变化。在非选择题中,除计算题外,每道题都以课程标准中某个一级或二级主题为标题编制试题,即每道小题都是采取主题概括的方式,力争从整体上考查课标中相关重点内容。例如,化学物质的多样性、地球“发烧”了、应用广泛的金属、燃烧的利与弊、哪份盐酸最浓、物质的性质与变化、物质的构成与变化、化学与健康———从化学的视角看食品添加剂、化学与环境保护———探究酸雨的腐蚀性等等。这种带有标题的呈现方式,既能紧扣课标主题、突出核心内容,又能方便考生整体思考与作答;既能充分实现考试目标与课程目标的高度吻合,又能引领课堂教学高水平地达成课程目标。那么,何谓“素质立意”?其特征是什么?“素质立意”是指中考命题时严格依据课程目标的3个维度,全面、深入、有效地考查学生的化学科学素养。试题不仅注重考查主干知识,同时还注重考查科学过程与方法、科学情感态度与价值观。“素质立意”试题至少具有以下特征:(1)注重考查“学科学”的水平,主要是考查学科核心知识和基本技能,考查学生对主干知识认知的程度(即学生要有常识性的知识)。其重点一是核心概念,如原子、化学变化等;二是与生活、与社会密切相关的代表性物质和科学史实;三是重要的基本技能,如用化学符号表征物质的宏观组成、微观构成和化学变化。(2)注重考查“做科学”的水平,主要是考查科学过程与科学方法。是通过学生分析解决真实问题来考查。考试重点一是考“做科学”的知识和方法,即科学探究;二是考重要的化学实验方法,如性质、制备、分离提纯和物质检验;三是考科学的理性思维,如比较与对比、归纳与演绎、应用概念、推理判断、分类等。(3)注重考查是否形成正确的情感态度与价值观。一是直接考查,即在分析解决真实问题过程中考查学生是否形成某种基本观念;二是间接考查,即学生在解决问题过程中需要以隐性的情感、态度、思想和观念为指导,否则很难正确全面解答试题。考点一是化学基本观念,如元素观、微粒观、变化观、分类观和化学的社会观等;二是学生是否能够科学、辩证地看待物质世界,是否形成积极、科学的情感态度与价值观,是否了解化学在促进社会发展方面所起的巨大作用。(4)重视考查学生的能力及信息素养。重点是思维能力、自主学习能力、获取信息的素养。(5)重视考查创新精神和实践能力。下面结合威海市2010年、2011年中考化学试题,对命题思路和特点做具体分析。
1 突出核心概念和基本观念
化学是认识万物之本质、探究变化之科学。化学的核心概念(如原子、化学变化)和基本观念是人类认识物质世界所形成的最有价值最宝贵的成果,主要与物质的组成和结构、性质和变化有关。例1.【2010年第8题(13分)】化学物质的多样性世界是物质的,物质是由化学元素组成的。到目前为止,已经发现的物质超过6000万种,并且化学家还在以每年超百万种的速度继续发现更多的新物质。请你运用所学的知识回答下列问题。(1)在下表空白处填上适当的内容(表格略。即常见物质氧气、臭氧、过氧化氢、铜、熟石灰、纯碱、蔗糖、食盐水的名称、组成、构成微粒、化合物的质量比)(2)由于物质的多样性,化学上通常用分类的方法认识物质。请你根据物质的组成,把(1)中8种物质分类,要求用框图的形式表示,层次分明。(3)你认为造成物质多样性的原因有哪些?请选择(1)中物质说明(答3种即可):原因①,举例:;原因②,举例:;原因③,举例:。解析:从题型上看,本题既稳重又新颖、既规范又灵活。从内容上看,该题充分体现基础性、综合性和思想性。本题在构思时是以课程标准中的一级主题三———“物质构成的奥秘”为重点,由浅入深依次以“什么是物质的多样性(如何认识和表征物质的组成及结构)、怎样从物质组成的角度对多种多样的物质进行分类(如何分类认识物质)、为什么世界上的物质是多种多样的(造成物质多样性的原因是什么———组成、结构、性质)”3个问题为线索,全面考查该主题下全部4个二级主题中的90%以上的内容。虽然本题涉及的物质都是初中化学简单的常见的代表性物质(氧气、铜、蔗糖、食盐水等),但其巧妙之处在于,本题在全面考查相关化学基础知识和技能的同时,有效地考查了与物质组成和结构有关的核心概念、基本观念、科学思想和科学方法。如原子、分子、元素等核心概念,物质的多样性、微粒观、元素观、分类观等基本观念,以及化学科学特征思维方式及学习领域———宏观、微观、符号表征。考试结果显示,本题的得分率为55%,其中第(1)小题得分率低于50%,说明学生如果没有理解核心概念、没有形成基本观念,只靠机械记忆是做不好本题的。例2.【2011年第9题(13分)】物质的构成与变化现有以下6个变化:①氢气在氧气中燃烧;②给水通直流电;③锌加入稀硫酸溶液中;④氢氧化钠溶液跟稀盐酸混合;⑤冷却硝酸钾热饱和溶液析出硝酸钾晶体;⑥日本福岛第一核电站发生核反应,铀—235裂变产生碘—131。请回答下列问题:(1)探究化学变化的规律始终是化学科学的核心任务。上述变化中,属于化学变化的是(填变化的代号,下同),属于物理变化的是。(2)化学变化也叫化学反应,在上述化学反应中,属于分解反应的有,属于复分解反应的有。将化学反应分为分解反应、化合反应、复分解反应和置换反应4种基本反应类型的依据是。(3)我们知道,能直接构成物质的微粒有分子、原子、离子。物质之所以发生化学反应,从微观的角度看,是因为反应物的微粒之间在一定条件下发生有效的相互作用,使微粒的结构发生改变,或微粒重新排列组合,宏观上表现为生成了新的物质。在反应①中,发生有效的相互作用的微粒是(写出微粒符号)。反应③的化学方程式为,发生有效的相互作用而促使反应发生的微粒是(写出微粒符号),微粒的转化过程是。在反应④中,发生有效的相互作用而促使反应发生的微粒是(写出微粒符号)。③和⑥两个变化的实质是否相同?。为什么?。(4)根据化学反应是放出热量还是吸收热量,将化学反应分为放热反应和吸热反应。在上述化学变化中,属于吸热反应的有。解析:本题以物质的构成、性质和变化为重点,以6个典型、代表性的变化为素材,综合考查了初中阶段不同类型的化学反应的规律、分类依据、分类方法、典型化学变化的微观过程与变化本质、物质构成的微观表示等主干知识。得分率为54%。化学新课程强调化学基本观念的主导作用。与传统考查物质的性质和变化的试题比较,本题不是为了考查学生记忆了多少具体物质的性质、变化、现象、反应的方程式、变化的结果等,而是以6个变化为素材,突出考查初中化学核心概念和基本观念,如物质构成的微粒观、物质的变化观、化学反应的能量观、物质变化的复杂性与分类等。另外,本题还重视考查化学科学的思维方式,即在认识物质时,不仅要知道化学有宏观、微观和符号表征3大学习领域,还要能够由宏观现象联想到微观结构,由微观构成抽象到化学符号并能够运用化学符号描述和解释物质的组成、结构和变化。
2 突出科学探究
科学探究被确定为中考的重要考试内容,是基于以下考虑,第一,科学探究,特别是实验探究,是课标规定的初中化学最重要的学习内容之一;第二,科学探究不仅反映了科学的本质,也是考查学生做科学的水平的有效途径;第三,化学是一门建立在实验基础上的学科,其发展过程本身就蕴藏着丰富的探究学习的素材,化学与学生的学习和生活密切相关,真实的探究学习素材更是丰富多彩,以科学探究作为切入点,有利于命题者选取有价值的素材创编试题。例3.【2011年第11题(11分)】化学与环境保护———探究酸雨的腐蚀性我国道教发源地山东威海圣经山摩崖石刻,为国内罕见的大型道教石刻,可称为瑰宝。圣经山摩崖石刻的材质是大理石,主要成分是碳酸钙,现在字迹已模糊不清。摩崖石刻被腐蚀,是否是酸雨所致?试回答下列问题:(1)酸雨的成因:即使大气没有受到污染,正常的雨水或河水也呈微弱酸性(pH在5.6~7.0之间),原因是。酸雨的酸性比正常雨水强,是因为雨水吸收了被污染的大气中的等有害气体。大气中这些有害气体主要来自于。(2)定量实验探究:查阅资料及定性实验表明:(1)醋酸和酸雨的酸性程度差不多,pH在5.6~3.0之间;(2)酸雨(醋酸)确实能加重大理石腐蚀的程度。(3)定性实验显示:将大理石放入pH=3.0的醋酸溶液中,短时间内几乎看不出有气泡产生。现提供下列仪器和试剂:仪器:烧杯、托盘天平、镊子、量筒、胶头滴管。药品:pH=6.5的普通雨水、pH=3.0的醋酸溶液、大理石薄片。请你设计一个“定量实验方案”,证明摩崖石刻被腐蚀,主要与酸雨有关,与普通雨水无关。(表格略)(3)下列与保护摩崖石刻有关的说法中,你同意的是( )A.了解哪种人类活动最容易引起酸雨B.引起酸雨原因的结论应建立在科学研究的基础上C.保护摩崖石刻要建立在有关损坏原因的科学证据的基础上D.要从根本上预防酸雨的危害,应禁止工厂和汽车排放气体E.要减少酸雨的危害,应研究和推广减少有害气体排放的技术F.要从根本上保护摩崖石刻,主要应研究修复被酸雨损伤的摩崖石刻的方法与技术解析:这道题,以真实的问题为情境,以科学探究为核心,以物质的组成、性质和变化以及相关实验知识和技能为载体,以探究方案的设计为线索,以考查学生做科学的真实水平为目标,将化学知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观3方面的目标有机地融合在一起,全面考查学生做科学的水平,包括科学解释、发现和提出问题、猜想假设、收集证据(定量实验、变量控制、对比实验等)、对实验结果与数据进行处理(解释结果)、推理判断、对实验方案和结论进行评价与反思、识别科学问题等。本题得分率为46.5%。
3 突出科学思想、科学情感态度与价值观
在纸笔测验中如何有效考查学生的科学情感态度和价值观,一直是教学评价的盲点和难点。威海市中考化学试题遵循教育测量与评价规律,努力克服纸笔测验的弊端,以化学基本观念为重点,以有价值的化学知识为素材,以与STS有关的真实问题为背景,有效地考查学生的情感态度与价值观。例4.【2010年第11题(5分)】燃烧的“利”与“弊”火就是化学上所说的燃烧。根据你对燃烧反应的理解,若以“燃烧的利与弊”作为论题,你的观点是,请你列举有力的证据论证你的观点。要求:①论据简洁、论证充分。②同一论据只需举出一个事例说明即可。③字数在150字以内。解析:这道题在取材时紧密联系初中化学重点内容、生活实际和当前人类社会面临的重大问题,内容涉及到燃烧这一常见、特殊而重要的化学反应,涉及到能源、环境污染等社会热点问题。旨在考查考生是否深刻理解化学科学在“人类认识物质、改造物质和应用物质”中发挥的巨大作用,是否形成积极的、科学的情感态度和价值观。同时也考查学生对燃烧实质理解的程度、燃烧反应的物质观和能量观(既能产生新物质,又能产生能量)。考试结果显示,本题得分率为55%,有超过50%的学生,或认为“燃烧弊大于利”,或者观点正确但举不出合适的例证。人类社会的进步离不开燃烧。考查燃烧,可以分为3个层次。第一,什么是燃烧(认知性目标,记住或知道燃烧的概念)。第二,理解燃烧的实质,燃烧有什么用(情感、体验性目标,感悟到燃烧反应的实质和科学价值)。第三,会运用燃烧概念和燃烧的条件解释一些简单的现象、解决简单的问题(实践性目标,知道怎么办)。试想,如果一个人熟记了燃烧的概念,但没有真正理解与人类和社会发展息息相关的燃烧反应的价值,也不会解决与燃烧有关的简单问题,即使他把燃烧的概念倒背如流,又有何意义?化学基本观念是化学教育内容的灵魂,是学科素养的核心,我们的教学和评价必须回到课程方案上来,回到科学素养教育的正确轨道上来,因为这是国家意志的体现,是教育本质的体现。科学素养教育的本质什么?是当学生把所学的具体化学知识几乎都忘了以后所留下来的能够影响学生终身发展的隐性要素———是思想观念、是态度、是方法、是思维方式、是行为习惯、是解决问题的能力和品质。另外,综观威海市近几年的试题,还有其他一些与众不同的显著特点:一是注重考查与STS有关的内容。这种试题能更加全面有效地考查学生的科学素养,特别是有利于考查学生对自然科学本质的理解程度,有利于考查学生对科学与社会之间关系的认识水平,引导初中化学教学从化学的视角去深刻认识当前我国社会发展的热点、焦点问题。中考的这种导向作用对于教学中培养学生科学素养具有深远的影响。二是试题新颖、综合性强、区分度高,有效地考查考生的学习潜能,有力地保证了试题选拔功能的实现。三是以小见大、思考容量大、能力价值突出。如试题多以与人类生命活动和生产活动密切相关的代表性物质为载体,考查初中化学核心知识(组成、结构、性质和变化)、基本观念和科学方法。考虑到初中化学内容多、课时少的现实,试题不追求一般性、事实性知识的覆盖面,较大幅度地减少了纯粹记忆性内容,真正做到了让教学中的“死记硬背失效、题海战术失灵”,真正做到了考试目标与课程目标、教学目标的一致性。
4 问题与反思
关键词:微波能;加热分解;岩矿分析
近代化学分析领域中,如何同时做到多元素的快速分析一直是一个待突破的技术重点和难点,通过各国科研人员的不断探索和试验研究,发现应用原子发射和原子吸收等方法对于多元素的快速分析的效果是十分明显的。但是这些分析方法的在具体的应用中还存在一定的弊端,主要表现为试验中的试液制备的时间较长、试样分解过程较慢,尤其是对于一些难溶试样进行的分解,不仅会使操作更加复杂,还会耗费更长的试验时间,这种应用中的缺点,严重制约着原子发射和原子吸收法的试验效率,使得该类分析方法并不适合大量的推广和应用。所以,急需一种更加有效和高速的加热方法来取代现有的加热方式,以便可以更加快速的分解实验试剂。
为了突破这种传统加热方式的局限性,国际上的一些国家的科研人员,已经在研究和应用一种新型的微波炉加热快速分解试样的新技术,并取得了一定的研究成果。在最初的研发阶段,该种加热技术主要应用于敞口系统中,而随着该技术的不断发展,目前已经实现了微波能加热与热压分解技术的结合。微波能加热的最主要的优点是受热物内外瞬间一起加热,速度快且热损耗小,热能利用率高。近些年我国的化学分析专业人士对于该技术也进行了一定的研究,先是何华生及钱鸿森对微波能加热及其在国民经济发展中的应用作过相关的介绍,而后李明等首次在国内应用微波分解矿样,另外,张玉祥在论述近代分析化学的新进展中,也把微波能技术推荐为重要的新进展之一。同时还有,吴瑞林在对难溶试样热压分解法的论述中,指出微波加热是改进热压分解法的一种重要途径。所以,基于以上这些学者的研究和论述,笔者将在本文中重点对微波能分解岩石、矿物在化学分析中的应用进行阐述。
一、微波能加热原理
微波加热系统的主要工作原理是:用直流电源可提供微波发生器的磁控管所需的直流功率。通电的情况下,磁控管会产生一定的微波功率,然后将通过波导输送到微波加热器中,在微波场的作用下使被加热物体的内外部同时受到加热。我们已经知道在外加电场的作用下,可大大影响分子内部的结构,因而也影响分子和原子们的性质。另外,在加热的过程中除了极性分子外,非极性分子受到外界电场的作用,也会因此而极化而暂时变成极性分子。
在微波能作用下加热的简要原理:在电容器的两极板之间放一杯水,电容器与转换开关以及电池相连接。当开关合上时两极板间产生的电场作用,使杯中的水分子带正电的氢端趋向电容器的负极,并使带负电的氧端趋向正极,这就使水分子按电场方向规则地排列。如转换开关打向相反方向,则电容器极板产生的电场方向与前相反,水分子的排列也跟着转向。如不断地快速转换开关方向,则外加电场方向也迅速变换,导致水分子的方向也不断变化而摆动并受相邻分子的阻碍,产生相似于摩擦的作用,使部分能量转化为分子杂乱运动的能量,加剧了分子运动,使水温迅速升高。外加电场频率越高,极性分子摆动越快,产生的热量就越多,外加电场越强,分子摆动振幅也越大,产生的热量也越大。
由此可见,微波能加热的工作原理是通过影响物质中的原子或者分子的带点方向实现的,并且通过不同方向的快速转换,形成高频率和高强度的电场,从而产生热量。
二、微波能分解试样的反应原理
在化学分析中,为了分解试样必须同时进行化学反应,而为了促进化学反应的形成就必须要加入化学溶剂。与常见的传统加热反应的方法不同,微波加热同时发生在试样内部与外部。由于待分解试样的微粒和溶剂(如混合酸等)的良好接触是快速溶解的关键,那么产生在微粒上的局部内热量促使微粒破裂,暴露出新鲜的表面,有利于化学反应,所以微波加热是一种更加快速和有效的加热分解的方式。另外,被加热的介电液体(酸或者水)和介电微粒反应,形成高于微粒表面的热量,产生较大温差,从而形成了强烈的热传递流,并搅动着粒子表面的薄层及溶液,使新鲜表面不断暴露于新鲜的溶液中,从而大大加速与强化了分解过程,达到快速分解试样的目的。如分解反应不是在敞口容器中,而是在封闭的高压弹中进行时,溶剂,例如王水中分解所产生的氯、氧化氮等不会逸出容器而损失,在高温产生的高压下,它们在溶液中的浓度较高,且由于高温及微波能的作用,加速氯分子分解为氯原子,起到活化作用,进一步加速了试样的分解反应。
所以,从分解试样的角度来看,微波能加热是一种内外同时进行的分解,相较于传统的由外至内的加热方式,能够起到更好的促进作用,不仅可以均匀导热,还能够加速分解效率。
三、微波能加热过程中的问题与特点
微波能加热虽然有着先进的技术优势,但是就其实际应用来看,并不是十分完善的,同其他的加热技术一样,也存在着一些问题,下文中,笔者将主要对微波能加热过程中易出现的各种问题和其应用特点进行阐述。
在化学分析试样的分解中,国外使用的微波加热炉通常都是市售微波炉,因而价廉,购买方便。而供分析应用的微波炉如美国麦克仪器公司和美国国家标准局联合研制的MDS-siD型微波热压装置,以及中国9759工厂研制的微波高压溶样器,这两种装置都已在国内出售。但使用时应该注意的是,对没有应用密闭热压器的微波炉,须避免酸雾的腐蚀,因为一旦出现微波辐射的泄漏,会严重的伤害操作人员。炉内腔材料的特性应具有防止酸的侵蚀、能承受快速加热和冷却的能力,所以可选用硼硅酸盐玻璃箱、酸雾气体洗涤器及玻璃干燥器作为设备配置。还应注意微波炉存在过热点所产生的不平衡加热,避免在空的或类似于空的情况下操作,不然会损伤磁控管,有时可把盛水的烧杯放入炉内,来平衡其炉内的温度。
另外,实践中我们总结出的应用过程中微波能加热的主要特点主要有以下几个:
(1)场强高温
所谓的场强高温的特点,就是指在使用微波能加热的过程中,因为受到电磁的影响,会在一定的作业范围内形成较强大的磁场,所以要注意对实验周围的环境进行事先处理。另外,加热的过程中会产生很高的热量,所以操作员要注意做好相关的防护措施,以免在试验过程中被意外灼伤。
(2)高频高温
这一特点指的是在微波能加热的过程中,会产生较大频率的炉内高温震荡,因为微波加热是一种对物质内部和外部同时进行的加热,所以其具有高频高温的特点。
(3)穿透力强
同样的原理,因为微波能加热是一种利用物质中的分子和原子的电荷方向的不断调转而形成的加热方式,其对于待加热的物质来说,具有很强的穿透效果,可以直接作用于岩石矿物质的内部,对其进行加热,所以这种穿透性是同它的作用原理密不可分的,传统的方法之所以没有这样的穿透力,就是受限于由外至内的加热方式。
(4)热惯性小
所谓的热惯性,指的是物质在加热前会有一个比较缓慢的反应和适应阶段,而加热后对于热量的消解也需要很长的时间。微波能是一种在电磁作用的基础上形成的能量,所以其在使用的过程中具有比其他加热方法更小的热惯性,这种性质同时也使其获得了更加灵活的操作性,并且能够在操作的过程中实现能量和能源的节约。
(5)选择性加热
即有针对性的加热,该特点与上文中阐述的内外部同时加热的特点并不相矛盾,因为微波能加热更加便于我们的灵活操作,我们可以有针对性的对目标加热地区进行电磁作用,而被选定的范围内会产生内外部同时加热的现象。
(6)改善劳动环境和劳动条件
通过对微波能加热原理的分析,我们发现其无论是使用的设备还是操作的程序,都更加的简单方便,有利于改善实验室内的工作环境,给技术人员提供一个相对安全洁净的工作场所。另外,由于操作程序简单,可以在相同的工作任务的前提下降低技术人员的工作强度和工作量,从而改善了技术员的劳动条件。
四、在岩石、矿物分析中的应用
上文中对于微波能技术的这些原理和特点的分析,都是为了使其能够更好的应用于岩石矿物的解析中,试验中具体的操作如下:
1、称取粉末试样200毫克置于聚四氟乙烯或聚碳酸醋杯里,加5毫升王水和2毫升氢氟酸,加盖后置于硼硅玻璃真空干燥器里。
2、放上一个盛50毫升水的小烧杯,进行部分抽空,然后放在微波炉里加热3分钟,取出干燥器放在通风柜里排除酸雾。
3、在分解试样的杯中加1克硼酸,加热10分钟,滤去残渣,滤液稀释到100毫升,用ICP-AES法测定试样中的铝、砷、钡等二十多个元素。
实践中此方已用于分析岩石、矿物(如辉绿岩及玄武岩等)、油页岩及沉积物,并且应用结果表明该方法具有良好的重现性和准确度。
整个试验过程中我们可以看到,微波能加热分解的方法的操作步骤简单,仅需三步即可完成,这样不仅便于技术人员学习和操作,还大大的提高了分解的效率。另外值得注意的是,微波加热分解试样的过程中,最重要的是防止样品过热或蒸干,否则将会引起硅呈气态的四氟化硅而损失,还可能会损失一些其它挥发性元素,将会降低分解后的式样的浓度和纯度。过去,传统的分析方法要做到岩石、矿物在酸中分解需几个小时才能完成,而用微波分解只用几分钟,这种分解时间上的差异是微波能分解优于传统的分析方法的又一个非常重要的特点。
国外的学者研究了矿山、工厂及熔炼厂的试样分析,使用了几种酸溶解方法,其中一种是采用传统的方法在电热板上用敞口烧杯分解,这种方法在一般情况下加热约需一至两个小时,能获得适于原子吸收分光光度法测定所用的试液;
而另一种方法是采用在高压弹中微波加热分解。将待加热的试样(原料及精矿0.5克,尾矿1克)与1.5克氯酸钾,10毫升浓硝酸及5毫升氢氟酸,一同加入150毫升容积的聚四氟乙烯容器中,用扳手拧紧盖子。一次性放入四个这样配置的容器在炊具式微波炉(Toshi-b二式ER-BOOBTC)中,使其在477W下保持3分钟,然后取出容器再于冰槽中冷却5分钟后打开盖子,此法可在10分钟内制得试液。
同样的,使用上述两种不同方法对试样中的镍和铜进行加热分解,结果表明,两种试验所得的分析值基本相同,但是试验效率的差距却非常大,微波能加热分析法明显的要优于传统的加热方法。
所以,研究人员得出结论:对某些矿泥来说,用通常方法进行干燥的时间约需3或5个小时,而凡能缩短这一过程的任何手段都能节约时间和能耗,所以只要是在保证干燥效果的基础上,作业时间越短的方法就越应该被优先采用。
上述两种实验的结果说明:对大多数的矿泥和湿的含水块状试料,如采用微波干燥法能在十五分钟内成功地完成烘干操作,而传统的加热方法则需几倍的时间才能完成。例如二十克重含有68肠水份的碳酸钡试样,在一百零五摄氏度的电烘箱中烘干至恒重需要三个小时,而微波烘干仅需15分钟。这是因为通常的烘干方法,加热多是由表及里。而微波则是里外一起均匀、快速地加热。
随后,该研究组的人员又对微波加热分解各种试样(无机试样与有机物试样)进行了试验,以制备原子吸收和电感祸合等离子发射光谱分析用的试液。试验中检测了试样粒度对分解时间的影响,及微波加热硝酸的温度一压力曲线,并讨论了使用各种酸来分解无机试样的情况。
五、微波能在化学分析中的应用前景
因为微波能具有的一系列使用中的优势和特点,使得微波能近些年来的发展很快,尤其是在化学分析领域中,微波加热分解岩石、长石、矿物、煤、烟灰、沉积物、油页岩、生物、塑料、合金钢等试样己有一些相关,但总体来看数量不多,而且研究所涉及的研究面还比较小,深度也有待挖掘,尤其是难分解的许多岩石、矿物、氧化物(如氧化铝)、氮化物(如氮化硅)、稀有金属(如错、铅)、贵金属及贵金属合金(如铱、锗、饿、钉等的合金)等的分解,及分解机理还待深入的研究。与此同时,相对于国外而言,我国在微波能加热分解技术方面的试验研究还处于起步阶段,对于微波能的试验中的各种特点的研究还不够深入,不利于微波能的广泛的推广,科研人员应该加强对于其试验特性的研究,以便更好的应用于岩石矿物的分析实际中。由于热压分解技术在解决难溶试样分解方面有其独到的优点,已有大量资料发表,而近年来把微波加热与热压分解的两技术结合使用,已是一项发展中的新技术,它必定将为上述难分解试样的研究与应用作出新的贡献。
在分析化学领域,微波能除用于加热外,还有许多其它方面的研究与应用,如微波化学和微波等离子体可用来促进某些化学反应,常见的如微波等离子体——发射光谱,微波等离子体——质谱,气相色谱——微波等离子体发射光谱,以及利用微波测定稀土溶液的浓度,试验中还发现微波能产生活性氧灰化有机物根据带线传感器的测湿原理的微波法测定原盐含水量,这些都是微波法在分析化学领域的多方面应用的成果,在此基础上,我们要不断的研究和探索,发掘微波法的更多应用优势领域,使我国在这方面的技术能够迅速追赶和超越其他国家,其中,使微波法用于煤中无机硫的测定就是一个很好的新的拓展方向。
总之,我们看到在分析化学领域中的几个方面,微波能的研究都有不同程度的进展,但仍有许多问题尚待拓展与深化,微波光声谱就是其中之一。结合微波在讯、导航、食品、木材、印刷、染料、灭菌、醇化、治癌等方面的发展,微波能应用技术己在科技与工业等领域展现出广阔的前景,也必将为分析化学的发展作出新贡献。
综上所述,本文中笔者从微波能加热原理、微波能分解试样的反应原理、微波能加热过程中的问题与特点、微波能加热在岩石、矿物分析中的应用以及微波能在化学分析中的应用前景等五个方面阐述了微波能分析方法在的应用,并认为微波能是一种较之传统的加热方法更为先进和高效的分析方法,应该被广泛的应用于岩石矿物的分析中,笔者希望以此能够为推动我国的微波能技术的发展尽一些绵薄之力,也希望能够抛砖引玉,引发学界对该技术的相关探讨,诸多不足,还望批评指正。
参考文献
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关键词:微生物 实验教学 动手能力 考核
微生物学是生物类学科一门重要的专业基础课,它涉及面广、应用性强、受益面宽、发展迅速,既是生命科学理论研究的核心,又是一门应用性极强的学科,对生命科学和生物工程技术的发展起着巨大的推动作用。微生物学实验是微生物学的重要组成部分,是现代生物学技术的重要基础,其独特的实验技术在学科的发展中占据着突出的位置。我院微生物实验课面向生物工程、食品工程、生物技术、水产养殖等专业开设。为使这些专业的学生能熟练掌握微生物学实验技术和操作规程,培养他们观察、思考、分析和解决问题的能力,增强他们的创新意识,树立实事求是、严肃认真的科学态度以及勤俭节约、爱护公物的良好作风,我们从2003年开始对各专业微生物实验课做了相应改革探讨,以期达到较好的效果。
一、 我院以往的微生物实验教学存在的问题
1.教师包办多,仪器经费有限,造成学生动手少。
我院以往的实验课教学从教学内容的选择、实验思路的设计、实验器材的准备,甚至实验的预期结果都由教师一手包办,到实验课上学生只是按照教师的指令按部就班地完成而已,这就造成了学生的依赖思想,课前不预习,实验过程中不认真、不主动,结果分析不到位。另外由于仪器设备及经费限制,一个小组往往2―4人,实验中有人做,有人看,有人当记录员,这样部分学生养成不爱动手的毛病,只要“认真”抄袭同组同学的数据照样能写出完美的实验报告。这样不仅错过了动手能力培养的机会,而且养成了投机钻营的恶习。
2.时间安排不合理,不利于学生观察分析。
微生物学实验课时间安排一般较紧,每周1次或两周1次,每次3―4学时,有些实验内容,如微生物的分离、培养、生化反应、生长曲线测定等,需要培养18小时以上才能观察分析结果,一次实验课难以完成。如果第二次课再观察结果,就难以保证实验结果的正确性和连续性,因此教师通常自行安排课间或课余时间进行。有些小组不来,有些小组派代表来观察,即使全部到齐,也由于时间短而紧张,导致学生观察不仔细,出现问题也无心分析和解决,由此影响了分析和解决问题能力的提高。
3.考核方法单一,导致学生忽视实验操作过程。
以往学生成绩的评定主要看实验报告,学生单纯地为实验报告而做实验,一旦操作出现错误或没有达到预期的实验效果,不是就此分析原因、总结教训,而是为了实验报告得到教师的“好评”而编造数据,甚至抄袭他人的结果。这种考核方式也导致了学生对实验过程的不重视。
4.前后项目安排不合理。
以往的实验项目,内容连贯性不强,一学期下来,学生感觉做了不少实验,但实际应用时不知所措,无从下手。
二、教学改革采取的方式措施
1.提高认识,合理利用现有条件。
我院微生物课程组的十多名教师,在分析问题的基础上,集思广益,统一认识,改变过去一包到底的做法,给学生动手留出足够的空间。学校近年来也加大了资金投入,不仅实验室宽敞明亮,实验所需仪器设备一应俱全,还添置了不少精密仪器,如奥林帕斯数码摄影显微镜、全自动荧光显微镜、大小不等的生物反应器、全温振荡培养箱、冷冻干燥机、超声波粉碎机等,这样既保证了实验教学的高质量完成,又给教师提供了很好的科研条件,教师吸纳学生参与科研活动,又进一步促进了学生动手能力的提高。
2.合理安排实验内容及开出顺序,增强其连贯性和实用性。
我院的微生物实验内容既要考虑基础知识和基本技能的培养,又要照顾各专业的特点,所选内容应覆盖微生物学的基本操作技能,尤其应突出微生物学独特的基本技术,如显微镜技术、无菌操作技术、接种和分离技术、培养技术等,既有简单的、基础的小实验,又有一些设计性和综合性实验,注意实验技术与基础理论的衔接,同时避免与其他学科实验内容的重复,以便于学生建立正确、全面的实验概念。
首先,在总体上,强调基础性和系统性,突出微生物学的基本实验方法和基本操作技术,如微生物形态结构观察中的染色技术,培养基的制备及各种灭菌技术,微生物的分离、纯化、培养及保藏技术,微生物生理生化特性测定技术及无菌操作技术等。其次,从专业的特点以及将来可能从事的工作性质出发,尽量安排一些选修的内容。第三,从简单的验证性实验向综合性实验发展,将有关实验内容有机结合起来,安排在一次实验课上或前后连接,既节约了课时,又增强了实验的综合性,也有助于学生判断、分析能力的提高。如将细菌革兰氏染色与细菌特殊结构观察、测微技术、显微镜直接计数法结合,微生物分离、纯培养技术与微生物鉴定结合,微生物紫外诱变与平板菌落计数法结合,各种理化因素对微生物的影响与微生物对碳、氮源利用的结合,微生物生长曲线的测定与生理生化反应的结合等。实验改进后,一环紧扣一环,中途如有一次失败,就会影响到以后的实验结果,这样学生对自己的结果关心得多了,动手操作的兴趣和能力也大大提高了。
3.重视课前预习,积极参与实验准备工作。
微生物实验内容比较繁杂,因课时限制,有时一次课要做多个实验项目,如果实验前不进行充分的预习,学生只能按板书内容和教师所讲闷头去做,对实验的全过程就知其然而不知其所以然,这样势必影响学习效果。所以我们要求:(1)每次实验前,学生必须阅读有关内容,了解实验目的、原理和内容,在做实验之前对要做什么、怎么做、关键步骤有哪些、预期效果如何等要做到心中有数,这样减少了实验的盲目性,做起来就会得心应手。(2)让学生参与实验准备工作,如玻璃器皿的洗涤、包扎,无菌水的分装、灭菌,试剂和培养基的配制,仪器的调试、保养等工作,这样不仅缓解了教师人手不足的问题,更重要的是增加了学生动手的机会。同时学生在准备实验的过程中,还学到了实验课之外的知识,增强了责任感,培养了严肃认真的科学态度。此外,学生和教师一起准备实验还有利于师生的沟通,便于教师及时发现问题,纠正错误。
4.提问精讲加小结,切实提高课堂效果
课前要求预习,但部分学生自觉性较差,如果不检查,预习就会流于形式。因此,实验课开始时,教师对要求预习的内容以提问的方式进行抽查,或者提前几分钟先让学生简要试讲,然后由教师给予补充和纠正。既可以强调重点,又可以使学生记忆深刻。
教师精讲,关键示范。教师的讲解和示范是必不可少的环节,但必须简洁明了,讲清该实验的实际应用、关键步骤、具体要求和历届学生易出现的错误等问题,关键操作要进行演示。尽可能腾出更多的时间让学生多动手、多练习,充分发挥学生的主体作用;实验过程中,教师巡回指导,细心观察学生操作的每一个环节,随时发现正在发生或可能发生的问题,发现问题教师时亲自动手示范,及时纠正错误,做到一丝不苟,培养学生严谨的学风和科学的态度。为了加深学生们的印象,还可抽时间让学生过关签名,努力做到让每位学生都能正确、熟练地掌握微生物学的基本实验技巧。鼓励学生勇于创新,引导他们多观察多思考。如果实验中出现异常,不要轻易放过,教师要引导学生认真分析,找出原因,提出改进意见,并在条件允许的情况下,鼓励学生重新实验,这样可以使学生收益更大。
下课前小结,是大家容易忽视的问题,发挥得好可以起到画龙点睛的作用。由于学生之间的差别、教学安排、技术因素等原因,容易使实验课结束时草草收场,结果一些学生的疑点和错误得不到及时解除和纠正,这一点在操作考试时表现得非常明显。因此教师应在每次实验课结束前,最好利用很短的时间对本次实验进行小结,纠正普遍性的问题,解释某些实验现象,表扬实验做得好的小组或学生。实验结束后要求学生将用过的物品清洗干净,摆放整齐,原始数据经教师看过签字后才能离开实验室,以此培养学生严谨的学风和科学的态度。
5.鼓励学生参与科研课题,拓展视野。
实验课因受课时、资金等因素的限制,只能安排一些最基本的内容(与前面的综合性实验内容有矛盾,看看如何调整)。较深的内容、耗时较多的内容、显示专业特色的内容就不可能面面俱到,唯一的办法就是课外弥补。我们在教学中体会到,不少学生希望动手,掌握更多知识的欲望非常强烈,就看教师怎么去引导。食品专业的学生喜欢食品原料或产品中微生物指标的检验,生物工程专业的学生则喜欢利用微生物来生产工业产品,生物技术专业的学生则想利用微生物生产基因产品,水产养殖专业的学生则想筛选生物制剂,防治水产动物疫病。根据以上情况,我们提倡学生通过参与教师科研课题,“自谋生路”;申请学校和系部立项的学生课题,“找米下锅”,期末参加综合大实验,或者组建兴趣小组等形式提高自己的综合能力,实验室也全天候为他们开放,教师主动热情地为他们“分忧解难”,形成了较好的学习氛围。有的选了食用菌菌丝体培养及DNA提取,有的选了食用菌栽培,有的选了市场酸奶样品的检测,有的选了海洋微生物产抗生素或者产酶菌株的筛选等等。选题之后,学生们一边去上网或图书馆查资料,了解前人的研究成果,一边编制自己的计划,摸索实验条件,干得不亦乐乎,实验结束时提交总结报告或者论文。通过锻炼,学生们开阔了视野,提高了分析问题和解决问题的能力。从前几届毕业的学生看,参加各种训练的学生做毕业论文时能很快进入角色,论文的水平也大大提高,有些学生在毕业前后就有一两篇;另外,通过锻炼,学生适应社会的能力强了,有些学生还没毕业,就利用自己所学的微生物知识帮家人和亲友脱贫致富,帮企业分析市场,研究开发新产品。
6.考核方式多样化,将操作能力培养贯穿始终。
我们的微生物学实验与理论可单独设课。实验课的考核包括平时考核和期末考核两部分。教师制定合理的考核标准,并在第一节课予以公布。平时考核成绩占总成绩的60%,主要考核学生的出勤、预习、回答问题、实验操作的态度和结果以及实验报告的写作水平。期末考核包括操作考核和实验理论笔试,占总成绩的40%。操作考核内容包括器皿的包扎、接种和制片技术、显微观察、微生物分离和培养、微生物计数、培养基的配制及灭菌等,教师对这些内容进行编号,让学生抽签进行单人考核,形式以动手操作为主,辅加一些口试,操作不及格者必须补考。实验理论笔试内容包括原理、试剂用途、注意事项、结果分析、实验方案的设计等。通过考核,督促学生进一步熟悉实验内容和仪器的使用方法,弥补了实验中的不足。考前许多学生主动到实验室查漏补缺,反复操练,生怕出错,在一定程度上起到了积极的作用。另外,考核学生的同时也是对教师的教学效果的检查,因此对教师改进教学也有一定的促进作用。
7.建立实验项目卡和实验档案,为进一步教改提供积累。
实验档案的收集,是一个学校教学成果的体现,也是教学经验的积累和进一步改革的基础,这个思想始终贯穿于我们的教学过程。每个实验项目建有卡片,每个卡上有实验目的、原理、操作要点、注意事项、所用的仪器台套数,消耗材料的多少等内容,即使新手准备实验也会一目了然。档案中有教师的预实验报告,记载着教师的试做过程、心得体会和改进意见,实验员有准备实验记录和开出记录,实验设备记录本上有使用记录,教学档案室存有历届学生的实验报告、综合大实验的总结报告、学生的平时成绩记录、实验理论考试试卷和总评成绩,这些原始材料的积累,为以后的改革提供了很好的参考。
三、总结经验,深化改革
1.教学改革后的效果
通过以上改革,学生认识到了本课程的重要性,大大激发了他们上好实验课的热情;更加牢固地掌握了微生物学的基础知识和基本概念,具备了从事微生物应用和研究所需的基本方法和技能,为后续课程的学习和将来顺利完成毕业论文提供了有力保障;提高了他们观察、思考、分析问题和解决问题的能力,培养了勤奋、严谨的学风和科学的态度,为他们将来工作或进一步深造奠定了较好的基础。
2.深化改革的设想
21世纪是知识经济的时代,是充满竞争的时代,这种竞争的核心是人才的竞争,因此,作为高等教育,培养“厚基础、宽口径、强能力、高素质”的高质量人才是时代的要求,其具体表现在:(1)具有满足工作的知识和基本工作能力;(2)获得新知识、新技术的能力;(3)具备科研创新的基本素质和能力。
对照21世纪对人才的需求,我们还有许多工作要做,总结起来有以下几点:(1)进一步加大资金投入,添置与适应现代科技发展的仪器装备,争取更多的科研项目,使更多的教师和学生投入进来。(2)加强教师和实验技术人员自身的学习,不断提高业务和技术水平,将更多的新方法、新技术介绍给学生,更好地发挥教师的主导作用。(3)加大微生物学实验室对学生的开放程度,包括时间、空间和实验项目的开放,使学生有更多的机会和自由空间去选择实践,进一步提高他们分析问题、解决问题和科技创新的能力。
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[关键词]工业微生物;发酵培养
中图分类号:TQ920.6 文献标识码:A 文章编号:1009-914X(2017)22-0006-01
生物发酵工程是与人们生活息息相关的一种技术体系,包括工业生产菌株选育、生化反应器设计、最佳发酵条件的选择及控制等过程。根据对目前国内外微生物发酵工艺的研究,相关研究团队进行了综合的分析和研究。通过对微生物发酵工艺中影响发酵的各种因素的分析,总结出了相应的技术经验并且制定了工艺的优化方法。近年来,微生物发酵在相关工程技术领域的应用越来越广泛,该工艺包括培养基组分中碳源、无机盐、氮源、微量元素等的作用,并控制pH值、温度、溶氧等对发酵的影响,从而将微生物发酵工艺进行了优化,以推进生产效率的提高和产业的应用发展。
1 发酵工程外界因素的影响
1.1 补料对发酵的影响
菌类的生长发酵所必须的因素都达标的同时,补料的及时准确的供给也是直接影响着菌类的发酵。补料的作用是及时的补充菌类生长发酵所需要的能源。例如在酵母菌的培养过程中,适当的补充营养物质会抑制乙醇的生成,从而避免了菌类的生长周期变长,产率下降等问题。在培养过程中准确的添加补料量可以有效的调节菌类的呼吸防止中间出现氧气的限制。这样做的办法很大程度上减少了酵母菌的发芽问题,同时促进酵母菌细胞的快速成熟,从而直接提高了酵母菌的产物的产量。在不断的利用先进设备进行检测的同时更好的了解菌类发酵过程中的动态信息从而更好的了解发酵过程中原料的需求情况。根据需求以及菌类种类的不同可以适当选择添加物的物理特征。例如添加液态物质,固态物质。
1.2 二氧化碳对菌类生长的影响
二氧化碳作为新陈代谢的最终产物直接影响到菌类的生存情况。当溶解在发酵液中的二氧化碳的浓度超过一定范围以后直接会对氨基酸、抗生素等出现抑制或者刺激现象。当菌类代谢产生的二氧化碳的浓度超过4%的时候,直接会影响菌类的糖代谢和呼吸速率。就算营养液中的氧气达到标准由于二氧化碳的浓度超过一定的范围也会直接影响到氨基酸的发酵问题。因此,在更快的提高发酵产率的同时也要考虑到产物二氧化碳的排放问题。在生产过程中,要考虑到二氧化碳随着液体深度压力变化的情况。为了更好的满足生产的需求常常采取减少通气量以及提高罐的压力来减少逃液,但是根据二氧化碳的性质这样做的在很大程度上增加了二氧化碳的含量从而直接影响菌类的生长。所以,在考虑到菌类生长发酵的同时也要考虑到二氧化碳浓度以及排泄的因素。
2 微生物发酵工艺优化的方法
2.1 正交试验设计法
正交试验设计法是一种数理统计方法,主要是通过正交表来进行多因素问题的分析,在研究得出结论以后可以通过直观分析或者是直接对比来确定微生物发酵的主要影响因素。该设计法在使用中具有工作量小、方法简单、效果好、效率高等特点,因此正交试验设计法是微生物发酵工艺优化的最常用方法。正交试验设计法在工业和农业生产中应用广泛,并且在其他科研领域也取得了显著的效果。该设计法曾被多名生物学家进行实际的优化应用,例如利用正交设计法对枯草芽孢杆菌的液体发酵进行优化,从而使发酵后杆菌的产量大大提高。
2.2 Plackett-Burman设计法
Plackett-Burman法主要针对因子数较多且未确定众因子相对于响应变量的显著影响,采用的试验设计方法。能够及时有效地筛选出对试验结果具有显著影响的关键因素。在通常情况下,使用Plackett-Burman设计法开展的N次试验最多能够研究(N-1)个因素,对每个因素取两个水平,通常是设低水平为原始培养条件,高水平为低水平的1.25倍,通过对各个因素两水平的差异与整体的差异进行对比分析来对因素显著性进行确定。需要加以注意的是,如果因素水平选取得不合适有可能导致Plackett-Burman试验结果无效,从而需要重新选取因素来进行再一次的试验;如果Plackett-Burman试验的模型有效,那么则可以确定对试验具有显著影响的因素,然后下一步可以通过开展响应面设计等方法来筛选出最优的条件。袁辉林等利用Plackett-Burman设计方法获得了预期结果。
2.3 响应面设计法
响应面设计法是一种统计方法,主要结合数学建模、统计分析、实验技术等方法经过试验设计进行数据的分析,并且通过多元二次回归方程进行函数关系的拟合,从而将工艺参数进行优化。该方法对于变量因素较多的微生物发酵有很好的参数优化效果,能够将各方面所需材料、发酵因素等进行准确的定量,从而保证微生物催化的顺利进行。响应面设计法的适用面较广,目前除了微生物发酵领域以外还遍布于生物学、医学、制药等多个方面,成为使用最广的微生物发酵优化工艺。
3 溶氧量对工程菌的影响
生物的生存发展都离不开氧气。氧气对于微生物来说也是一个关键因素。就拿葡萄糖的氧化分解来说,1mol的氧化糖彻底分解需要6mol的氧气。当菌类合成代谢产物是也需要消耗一定的氧气。根据计算,1mol的葡萄糖大概需要1.9mol的氧气。所以根据不同种类的细菌需要氧气的情况也各不相同,对于好样细菌来说生成产物所需要的氧气也就随之增加。但是由于菌类所需要的氧气并不是直接吸收大气中的氧气,而是吸收营养液中的溶解氧。但是大气中的氧气却很难溶解到水中。在外界压力为101.32kpa温度为25度的时候,氧气在水中的溶解度为0.26mol/L。在这个温度下氧气在发酵液中的溶解度确是0.20mmol/L,但随着菌类的新陈代谢的活动以及各种因素的影响,温度也会随之增加。随着温度的增加,溶解液中的氧气含量随之降低。因此为了更好的满足营养液中氧气的含量,必须及时的掌握培养液中的氧气含量的问题。通过不断补充氧气来弥补温度的增加营养液中氧气的降低。同样也可以采取一定的措施来控制液体的温度,把温度调整到酶的最适宜温度从而更大效率的提高产率。?
4 结论
随着科技的发展工程细菌的不断研究的深入,如何才会更好的实现菌类的最大效益的发酵也是每个企业所关心的话题。微生物发酵工艺对生物技术的发展有良好的推动作用,该技术在工业和农业方面都得到了广泛的应用,通过微生物发酵能够解决很多正常生产无法解决的问题。合理的运用微生物发酵并且不断进行工艺的优化能够提高生产的效率,推动发酵工程技术的不断前进和发展。在技术纯熟以后还可以广泛运用于医药、卫生、工业等多个领域,为这些领域的发展开辟一个新的纪元。?
参考文献
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[2] 朱秀清,王玲.微生物发酵高温豆粕菌种筛选及发酵工艺优化[J].食品与发酵工业,2012(04).