曾秀瓊，蔡吉清，徐孝菲，委育秀，李寧

化學(xué)國家級實驗教學(xué)示范中心(浙江大學(xué))，杭州 310058

化學(xué)是一門實驗科學(xué)，化學(xué)實驗不但可以讓學(xué)生更好地理解和掌握化學(xué)原理，而且可以培養(yǎng)學(xué)生的綜合實驗?zāi)芰?，因此很多高校都把大學(xué)化學(xué)實驗或者普通化學(xué)實驗設(shè)置成通識課程，并不斷探索教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)模式的改革[1–4]。反應(yīng)速率和活化能測定是一個非常經(jīng)典的基礎(chǔ)化學(xué)實驗，涵蓋了一系列的化學(xué)動力學(xué)概念，能讓學(xué)生直接觀察到濃度、溫度以及催化劑對化學(xué)反應(yīng)速度的影響。雖然實驗操作非常簡單，但是涉及眾多的實驗原理和繁瑣的數(shù)據(jù)處理，使得課堂講解既費時又費力。此外，該實驗堪稱基礎(chǔ)化學(xué)實驗中數(shù)據(jù)處理最耗時、實驗報告最難寫的，因為要經(jīng)過上百次包含分數(shù)、倒數(shù)和對數(shù)等的運算，還要繪制3個線性圖。雖然已有利用計算機軟件用于該實驗處理的報道[5–9]，但是學(xué)生很難自己掌握，還是只能用計算器算、用坐標(biāo)紙畫，不但數(shù)據(jù)結(jié)果的準(zhǔn)確度很低，而且時間成本很高。為了提高課堂教學(xué)的效率和質(zhì)量、引導(dǎo)學(xué)生運用計算機處理技術(shù)，將線上線下混合式教學(xué)應(yīng)用于本實驗中，取得了非常好的教學(xué)效果，受到了學(xué)生的高度肯定和歡迎。

1 教學(xué)分析

1.1 實驗原理

本實驗是讓學(xué)生理解影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素，掌握反應(yīng)速率及其活化能測定的原理及方法，掌握實驗數(shù)據(jù)處理及作圖的方法。

實驗方法中通常測定的是K2S2O8和KI反應(yīng)(式(1)，為主反應(yīng)且為慢反應(yīng))的反應(yīng)速率及活化能，利用Na2S2O3和的反應(yīng)(式(2)，為次反應(yīng)且為快反應(yīng))來指示主反應(yīng)的進度，從而獲得主反應(yīng)的反應(yīng)時間。由于很多教材都詳細介紹了本實驗的原理[10,11]，這里就不再詳細展開，而只是簡單表述一下。根據(jù)主反應(yīng)和次反應(yīng)的關(guān)系，式(1)的反應(yīng)速率可以用式(3)表示。

將式(3)進一步演變，可以得到式(4)。根據(jù)式(4)可知，通過控制K2S2O8和KI兩個變量，能夠獲得式(3)中的反應(yīng)級數(shù)m和n。如表1所示，當(dāng)只改變K2S2O8濃度時，先測定反應(yīng)時間，根據(jù)式(3)可以得到ν，再以lgν對作圖得到一條直線，其斜率即為反應(yīng)級數(shù)m。同樣，只改變KI濃度時，以lgν對lg[I-]作圖可以得到反應(yīng)級數(shù)n。

表1 K2S2O8濃度對反應(yīng)速率的影響

當(dāng)保持K2S2O8和KI濃度不變時，測定不同溫度下的反應(yīng)時間而獲取相應(yīng)的反應(yīng)速率常數(shù)，再根據(jù)式(5)以lnk對1/T作圖，可以得到一條直線，通過其斜率可以求得活化能。

1.2 學(xué)情分析

在浙江大學(xué)，本實驗在面向大一本科生的普通化學(xué)實驗課程里開設(shè)。普通化學(xué)實驗每學(xué)年選課學(xué)生超過1900人次，教學(xué)班達到60多個(每班配任課教師和研究生助教各一位)。由于絕大部分大一本科生缺乏化學(xué)實驗基礎(chǔ)，再加上我?；瘜W(xué)實驗課是單獨開設(shè)，使得學(xué)生對于本實驗的理論知識相對欠缺。傳統(tǒng)教學(xué)設(shè)計中，為了講解本實驗涉及的基本原理、演示用計算機數(shù)據(jù)處理及作圖等，任課教師需要講解1個多小時，留給學(xué)生實驗時間就不充裕了，因此學(xué)生只能忙于照搬教材完成規(guī)定內(nèi)容。此外，以這種模式完成的教學(xué)，勢必造成學(xué)生課前看不明白、課中聽不明白、課后寫不明白的不良狀況。

1.3 教學(xué)策略

為了解決傳統(tǒng)教學(xué)中存在的問題，探索線上線下混合式教學(xué)。制作了2個教學(xué)視頻，分別為實驗講座視頻和數(shù)據(jù)處理及作圖技術(shù)視頻，這些視頻事先發(fā)布到浙江大學(xué)信息化教學(xué)平臺“學(xué)在浙大”課程章節(jié)里，學(xué)生可以隨時觀看和學(xué)習(xí)(圖1)。從圖1還可知，學(xué)生線上學(xué)習(xí)的積極性非常高，全班31名學(xué)生，從2020年9月14日開學(xué)至2020年12月16日這13周時間里，累計訪問量高達1.17萬次，扣除國慶假期以及秋學(xué)期考試周，每位學(xué)生周訪問量達到30多次，說明線上教學(xué)資源為學(xué)生利用片段時間進行短時或者反復(fù)學(xué)習(xí)提供了便捷。值得注意的是，學(xué)習(xí)分析圖中峰值基本出現(xiàn)在周末或者上課當(dāng)天，說明學(xué)生利用周末通過線上資源進行課前預(yù)習(xí)，而實驗結(jié)束當(dāng)天還會通過線上資源進行課后鞏固。

圖1 “學(xué)在浙大”的相關(guān)章節(jié)信息(左)及課程訪問統(tǒng)計(右)

2 混合式教學(xué)的設(shè)計及應(yīng)用

2.1 課前準(zhǔn)備

(1) 以教學(xué)視頻支撐課前教學(xué)。在實驗講座視頻里，教師先拋出一系列的問題，吸引學(xué)生開始專注本次講座；再通過一道化學(xué)動力學(xué)習(xí)題吸引學(xué)生思考本實驗原理；最后再通過一步步的公式推導(dǎo)，讓學(xué)生理解式(1)和式(2)的關(guān)系及實驗設(shè)計(圖2)。講座視頻里，教師不是從頭講到尾，而是精心設(shè)計了不少問題，讓學(xué)生時時思考、緊跟講座節(jié)奏，這樣不但強化了學(xué)生觀看視頻的注意力，而且提升了學(xué)生分析和解決問題的能力。調(diào)查表明，所有學(xué)生通過線上學(xué)習(xí)都能提前掌握實驗原理及實驗操作。

圖2 實驗講座視頻的部分截圖

(2) 以預(yù)習(xí)考試檢查學(xué)生線上學(xué)習(xí)。為了督促學(xué)生有效地自主預(yù)習(xí)，每次實驗都設(shè)置了預(yù)習(xí)考試。學(xué)生課前需要登錄“浙大化學(xué)實驗教學(xué)中心”微信公眾號完成線上預(yù)習(xí)考試，考試內(nèi)容以實驗講義和教學(xué)視頻內(nèi)容為主。學(xué)生考完后，不但能立即查看成績，而且在一定時間內(nèi)可以查看錯題，以便學(xué)生能根據(jù)預(yù)習(xí)考試結(jié)果知曉課前學(xué)習(xí)情況，并能及時補救或者完善。任課教師能夠查看學(xué)生成績及班級錯題情況，以便課堂講解時能有針對性地引導(dǎo)學(xué)生分析錯題(圖3)。

圖3 預(yù)習(xí)考試的部分截圖

2.2 課中實施

(1) 講解時引導(dǎo)學(xué)生思考。通過課前線上學(xué)習(xí)，學(xué)生帶著充足的知識儲備進入實驗室，因此課堂講解不需花費很多時間。教師以提問或小組討論形式引導(dǎo)學(xué)生自覺思考，講解時間由原來的1個多小時縮短到20分鐘左右，同時也提高了學(xué)生課堂互動的積極性。

(2) 實驗時鼓勵學(xué)生探究。講解時間縮短加上對實驗內(nèi)容胸有成竹，很多學(xué)生能順利地提前完成實驗。針對這種情況，教師鼓勵學(xué)生自主開展一些小探究。比如，有學(xué)生將表1中的KNO3和K2SO4以等體積水代替，測試離子強度變化對反應(yīng)速率有何不同。

2.3 課后數(shù)據(jù)處理及分析

課后完成實驗報告時需要計算的數(shù)據(jù)多達70個，還要將結(jié)果作圖。如果用計算器的話，不但需要進行包括分數(shù)、倒數(shù)和對數(shù)等復(fù)雜運算，而且只要輸錯一個數(shù)字，后面結(jié)果全部出錯。此外，將計算器得到的結(jié)果再抄寫到實驗報告上，又是一個繁瑣細致的勞動。為了減輕學(xué)生完成報告的負擔(dān)、提高報告的質(zhì)量，錄制了一個計算機處理數(shù)據(jù)及作圖技術(shù)的教學(xué)視頻，發(fā)布到“學(xué)在浙大”供學(xué)生線上學(xué)習(xí)(圖1)。由于Excel是最常見的計算機處理軟件，因此本次講座是Excel版本。當(dāng)然學(xué)生掌握此技術(shù)后，再采用其他軟件處理數(shù)據(jù)也是很方便的。

如圖4所示，教師先演示如何輸入編程公式得到表1中各組分混合后的起始濃度(見圖4a中黃色部分)；再演示如何利用“插入散點圖”和“增加趨勢線”將圖4b中的黃色數(shù)據(jù)擬合成直線，并獲得線性方程式和R2，從而獲得m和n；最后利用圖4c中的不同溫度下反應(yīng)速率常數(shù)作圖，根據(jù)直線斜率求出活化能。本次數(shù)據(jù)處理時涉及很多編程公式，這里只簡單列舉幾個：混合后[KI]0= 0.2*B2/SUM(B2 :B7)、反應(yīng)速率=B5/2/B6、lg[KI]0= LOG10(B3)、1/T(K-1) =1/(273 + B3)，公式中的大寫字母及后面數(shù)字表示該數(shù)據(jù)所處位置，編輯時可以直接選中該數(shù)據(jù)即可，同一列下面的數(shù)據(jù)處理時只要下拉上一行計算結(jié)果即可。從圖4的3個EXCEL表格還可知，本實驗需要計算得到的數(shù)據(jù)有70個。

圖4 數(shù)據(jù)處理及作圖視頻的部分截圖

該視頻中除了講授編輯公式及作圖方法，教師還演示了有效位數(shù)的取舍、坐標(biāo)軸刻度的調(diào)節(jié)、坐標(biāo)軸名稱的插入、字體字號的調(diào)節(jié)等，使得最后圖形美觀、有效數(shù)字規(guī)范。對于得到的數(shù)據(jù)處理結(jié)果和圖形，學(xué)生不用重新抄寫或畫到紙質(zhì)報告上，既可以打印出來上交，也可以網(wǎng)上提交(圖1)。

3 混合式教學(xué)的體會

(1) 學(xué)生的體會。本次線上線下教學(xué)模式受到了學(xué)生的高度稱贊。學(xué)生一致認為，實驗講座視頻幫助他們重新整理了化學(xué)動力學(xué)知識點，進一步掌握了反應(yīng)速率常數(shù)及活化能的概念；數(shù)據(jù)處理及作圖視頻幫助他們完成第一次用計算機處理數(shù)據(jù)及作圖，很好地掌握了公式輸入、數(shù)據(jù)調(diào)整和作圖等。學(xué)生們紛紛在實驗感想里表達了對這種教學(xué)方式的肯定，以下摘自部分學(xué)生的實驗感想：“活化能測定實驗是我目前接觸過操作最簡單的實驗，但它卻是我處理實驗報告最久的一個實驗。你根本不會想到，一個化學(xué)老師竟然會教你用Excel作圖”“老師從編程計算數(shù)據(jù)講解到制作圖形，十分有條理。尤其在對數(shù)據(jù)的形式以及散點圖的調(diào)整兩個方面十分精細”“老師細致的講解讓我們這群Excel的小白從入門到精通，同時Excel的學(xué)習(xí)對我們之后的學(xué)習(xí)生涯也幫助良多”“這的確是我非常非常需要的一項技能，學(xué)會后1個月內(nèi)我在大學(xué)物理實驗中已經(jīng)運用了三次這個視頻傳授給我的方法去作圖，為我節(jié)省了大量的時間，提供了極大的便捷”。

(2) 教師的體會。應(yīng)用混合式教學(xué)后，任課教師體會到課堂講解輕松多了、學(xué)生實驗順利多了、數(shù)據(jù)處理的出錯率幾乎沒有了、實驗報告的質(zhì)量高多了、批改報告的心情愉悅多了。值得一提的是，由于學(xué)生可以網(wǎng)上提交數(shù)據(jù)處理及作圖文件，任課教師只需檢查輸入的編程公式是否正確，而不需用計算器一個個核算學(xué)生的處理結(jié)果了，大大提高了批改報告的效率。

4 結(jié)語

反應(yīng)速率及活化能測定是基礎(chǔ)化學(xué)實驗中實驗原理最難懂、處理數(shù)據(jù)最繁瑣、實驗報告最難寫的一個實驗，應(yīng)用線上線下混合式教學(xué)取得了很好的效果，學(xué)生不但深刻掌握了實驗原理，而且精通了運用Excel軟件處理數(shù)據(jù)的能力，提高了實驗教學(xué)的質(zhì)量。實踐證明，混合式教學(xué)能充分調(diào)動學(xué)生自主學(xué)習(xí)的熱情，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)潛力，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維和技能，使實驗教學(xué)更加高效地開展。我們將積極響應(yīng)教育部的金課計劃，繼續(xù)探索新時代大學(xué)化學(xué)實驗教學(xué)模式的改革[12–15]，為培養(yǎng)高素質(zhì)人才而不斷努力。