宿艷，張永策，潘玉珍，楊成，王雪，黎原，姜文鳳

大連理工大學(xué)化工學(xué)院，遼寧 大連 116024

分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)所面對的學(xué)習(xí)對象是大學(xué)一年級學(xué)生，通過對學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)分析和調(diào)查問卷分析，發(fā)現(xiàn)學(xué)生的化學(xué)知識(shí)基礎(chǔ)參差不齊，但是他們思維活躍、求知欲旺盛，對于傳統(tǒng)的以課堂教師講授為主的教學(xué)方式普遍不感興趣，更喜歡具有挑戰(zhàn)性的學(xué)習(xí)任務(wù)[1,2]；而且，作為移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的“數(shù)字原住民”，他們見證了信息化的蓬勃發(fā)展，更喜歡主動(dòng)學(xué)習(xí)場景豐富的學(xué)習(xí)資源[3]。因此，教師應(yīng)該充分挖掘?qū)W生現(xiàn)有潛能，采取適合學(xué)生特點(diǎn)的課程教學(xué)模式和有效的教學(xué)方法組織教學(xué)，揚(yáng)其長避其短，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的主觀能動(dòng)性，充分發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的主體作用，實(shí)現(xiàn)課程教學(xué)目標(biāo)。

本文通過建設(shè)“思政引領(lǐng)、項(xiàng)目牽引、虛實(shí)結(jié)合、平臺(tái)支撐”的“四輪驅(qū)動(dòng)”教學(xué)資源，有效解決實(shí)驗(yàn)教學(xué)形式單一、學(xué)習(xí)資源有限、學(xué)習(xí)時(shí)空受限大而導(dǎo)致的價(jià)值引領(lǐng)薄弱、學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力培養(yǎng)不足的問題。通過應(yīng)用“預(yù)研先導(dǎo)→問題思辨→實(shí)操探究→前沿引領(lǐng)→賽學(xué)結(jié)合”的“五步法”教學(xué)設(shè)計(jì)，將預(yù)習(xí)上升為預(yù)研，為打造高效課堂奠定基礎(chǔ)，培養(yǎng)學(xué)生初步具備應(yīng)用研究能力。通過建立全過程、多維度的考核評價(jià)體系，對實(shí)驗(yàn)教學(xué)全過程的信息進(jìn)行綜合分析評價(jià)，從多環(huán)節(jié)、多維度考查學(xué)生的學(xué)習(xí)投入、學(xué)習(xí)成果和差異化能力，促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，提升學(xué)習(xí)內(nèi)驅(qū)力。

1 教學(xué)資源建設(shè)

本課程建設(shè)了“思政引領(lǐng)、項(xiàng)目牽引、虛實(shí)結(jié)合、平臺(tái)支撐”的“四輪驅(qū)動(dòng)”教學(xué)資源。思政案例，培養(yǎng)學(xué)生堅(jiān)韌的科學(xué)品質(zhì)，形成本課程的動(dòng)力引擎[4]；實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，擴(kuò)展課程的廣度和深度，提高解決復(fù)雜化學(xué)問題的能力[5]；在線課程，提供預(yù)研、安全規(guī)范操作的資源支撐[6]；教學(xué)管理平臺(tái)，高效管理實(shí)驗(yàn)教學(xué)全過程[7]。

1.1 思政案例建設(shè)

為了使學(xué)生獲得熱愛化學(xué)、崇尚科學(xué)的情感和價(jià)值觀，建成了課程思政案例庫。在實(shí)驗(yàn)授課過程中引入思政元素，使“引導(dǎo)有抓手、融入有依據(jù)”，潤物無聲地實(shí)現(xiàn)課程的價(jià)值引領(lǐng)功能，實(shí)現(xiàn)課程育人目標(biāo)，形成本課程的動(dòng)力引擎。

1.2 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)

為擴(kuò)展課程的廣度和深度，驅(qū)動(dòng)學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐，建設(shè)了創(chuàng)新性、環(huán)境友好和方法改進(jìn)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。為此，改進(jìn)方法滯后實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目2個(gè)，更新環(huán)境不友好實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目1個(gè)，增加綜合性和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目9個(gè)。將新開發(fā)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目編入實(shí)驗(yàn)教材，在高等教育出版社出版新形態(tài)教材《基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)》1部、數(shù)字課程教材《分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)》1部。

1.3 在線開放課程建設(shè)

為解決學(xué)生個(gè)性化能力差異，縮短學(xué)生從低階到高階的認(rèn)知過程，建設(shè)了在線開放課程，為學(xué)生掌握實(shí)驗(yàn)原理和基本操作搭建自主學(xué)習(xí)平臺(tái)。建成1門課程“分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)”上線愛課程中國大學(xué)慕課中文平臺(tái)、1門英文課程“Analytical Chemistry Experiment”上線愛課程中國大學(xué)慕課國際平臺(tái)，包括知識(shí)點(diǎn)視頻32個(gè)、虛擬實(shí)驗(yàn)8個(gè)、測試題200道，為學(xué)生提供預(yù)研和安全規(guī)范操作的資源支撐。

1.4 教學(xué)平臺(tái)建設(shè)

為高效管理實(shí)驗(yàn)教學(xué)全過程，自主研發(fā)三個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理平臺(tái)[7](圖1)，有利于實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果的循環(huán)優(yōu)化。移動(dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，可以實(shí)時(shí)跟蹤學(xué)生的實(shí)驗(yàn)行為，課前的預(yù)習(xí)測試幫助教師掌握學(xué)生預(yù)習(xí)情況，課中的電子報(bào)告記錄學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作情況，課后的教學(xué)反饋全過程管理實(shí)驗(yàn)教學(xué)；虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，可以“以虛補(bǔ)實(shí)、以虛促實(shí)”，彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源不足，學(xué)生可以完成因涉及有毒有害藥品、或因涉及眾多大型貴重儀器而無法實(shí)操的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目；安全準(zhǔn)入平臺(tái)，可以強(qiáng)化學(xué)生安全意識(shí)，通過在課前完成安全資源學(xué)習(xí)、安全準(zhǔn)入測試，保障學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中的安全規(guī)范操作。

圖1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)

2 課程教學(xué)設(shè)計(jì)

下面以“鄰二氮菲分光光度法測鐵”實(shí)驗(yàn)為例，講述本課程的教學(xué)設(shè)計(jì)。

為深入貫徹因“材”施教、鼓勵(lì)“個(gè)”性、兼顧“多”數(shù)的思想，本實(shí)驗(yàn)實(shí)行分層次教學(xué)。基礎(chǔ)班注重基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，學(xué)生只完成教學(xué)大綱既定的實(shí)驗(yàn)“鄰二氮菲分光光度法測鐵”。高階班注重拓展課程深度，學(xué)生完成結(jié)合實(shí)際、具有一定挑戰(zhàn)度的課題項(xiàng)目“抗氧化物質(zhì)含量測定試劑盒”，本課題是由2019年第六屆卓越杯大學(xué)生化學(xué)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)競賽獲獎(jiǎng)作品轉(zhuǎn)化而來。教學(xué)中，通過“預(yù)研先導(dǎo)、問題思辨、實(shí)操探究、拓展應(yīng)用、賽學(xué)結(jié)合”的“五法聯(lián)動(dòng)”進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)并組織實(shí)施。同時(shí)，借助本課程已在愛課程平臺(tái)上線的教學(xué)資源“分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)”，實(shí)施線上線下混合式教學(xué)(圖2)，學(xué)生線上預(yù)研、報(bào)告提交、考評測試，線下實(shí)操探究、數(shù)據(jù)分析、交流互動(dòng)和教學(xué)評價(jià)等。

圖2 線上線下混合式教學(xué)設(shè)計(jì)樣例

2.1 預(yù)研先導(dǎo)

實(shí)驗(yàn)課前，通過系列線上學(xué)習(xí)完成從預(yù)習(xí)到預(yù)研的延伸。教師通過QQ群分別在線布置實(shí)驗(yàn)課題“鄰二氮菲分光光度法測鐵”和“抗氧化物質(zhì)含量測定試劑盒”，引導(dǎo)學(xué)生通過愛課程平臺(tái)在線學(xué)習(xí)本課程的教學(xué)資源，包括實(shí)驗(yàn)視頻、虛擬實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)動(dòng)畫、思政案例等，使學(xué)生掌握實(shí)驗(yàn)的基本原理和基本操作，進(jìn)而提高課堂利用率和實(shí)操效果，完成對基本實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的預(yù)習(xí)；學(xué)生通過閱讀指定實(shí)驗(yàn)文獻(xiàn)，在線檢索相關(guān)文獻(xiàn)，了解物性，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，并通過QQ群提交，完成對拓展實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的預(yù)研。預(yù)研先導(dǎo)的實(shí)施培養(yǎng)了學(xué)生自主探究能力，使學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中能夠真正“動(dòng)起來”。此外，在進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室前，學(xué)生還應(yīng)該完成在線安全準(zhǔn)入測試，要求學(xué)生安全考核的準(zhǔn)確率必須為100%，提高學(xué)生的安全環(huán)保意識(shí)，保障課堂的實(shí)操效果，并為目標(biāo)達(dá)成度的實(shí)現(xiàn)奠定基礎(chǔ)。

2.2 問題思辨

實(shí)操前，教師根據(jù)學(xué)生提交的實(shí)驗(yàn)方案，研判預(yù)研效果，并圍繞實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，開展師生間、生生間的互動(dòng)討論，幫助學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際，注重提升學(xué)生的思考和思辨能力，使課堂“活起來”。例如，在預(yù)研方案中，涉及到金屬離子標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度的有效數(shù)字保留問題，經(jīng)過與學(xué)生深入探討，使學(xué)生明白在化學(xué)分析實(shí)驗(yàn)中濃度應(yīng)保留四位有效數(shù)字，而在分光光度法等儀器分析實(shí)驗(yàn)中一般保留三位有效數(shù)字。

同時(shí)，注重教書和育人相統(tǒng)一，將育人元素貫穿于課程教學(xué)全過程。例如，在“抗氧化物質(zhì)含量測定試劑盒”實(shí)驗(yàn)中，由于實(shí)驗(yàn)的分析檢測對象是茶飲品，因此由詩人黃庭堅(jiān)的著名詩句“茶甘酒美汲雙井，魚肥稻香派百泉”引出古人對茶的喜愛和我國茶文化的博大精深(圖3)，并引出茶葉的保健功能主要與茶多酚等還原性物質(zhì)的抗氧化能力有關(guān)，以及評價(jià)茶抗氧化能力的方法，使課程“引導(dǎo)有抓手、融入有依據(jù)”，潤物無聲地實(shí)現(xiàn)課程價(jià)值引領(lǐng)功能。

圖3 思政育人

2.3 實(shí)操探究

實(shí)操中，教師指導(dǎo)學(xué)生規(guī)范操作，強(qiáng)化安全環(huán)保意識(shí)，探究實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象；學(xué)生根據(jù)所學(xué)理論知識(shí)或設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行實(shí)際操作探究。例如，本實(shí)驗(yàn)中分別以鄰二氮菲(Phen)和三吡啶基三嗪(TPTZ)為顯色劑時(shí)(圖4)，由數(shù)據(jù)分析可知，TPTZ-Fe3+的最大吸收波長不與游離Fe3+的吸收峰相重合，因此選擇TPTZ為顯色劑時(shí)的準(zhǔn)確度更高。由實(shí)操探究培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作、融會(huì)貫通和解決實(shí)際問題能力。

圖4 鐵配合物的紫外-可見吸收光譜圖

實(shí)驗(yàn)過程中，針對全班同學(xué)共享數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，展開互動(dòng)討論，教師進(jìn)行思維引導(dǎo)，注重對學(xué)生個(gè)性化創(chuàng)新能力培養(yǎng)和對目標(biāo)達(dá)成度評價(jià)。例如，16位同學(xué)對綠茶、白茶和紅茶的抗氧化物質(zhì)含量測定實(shí)驗(yàn)中，其中一位同學(xué)的綠茶實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與其他組同學(xué)數(shù)據(jù)有顯著性差異，圍繞此問題，根據(jù)全班同學(xué)的共享數(shù)據(jù)展開問題討論(圖5、圖6)。部分同學(xué)能夠理論聯(lián)系實(shí)際，運(yùn)用分析化學(xué)理論課上學(xué)過的可疑值統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法，利用格魯布斯(Grubbs)檢驗(yàn)法檢驗(yàn)差異性大的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，借助統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)決定可疑數(shù)據(jù)的取舍問題。通過在實(shí)操探究中討論問題，幫助學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際，并能運(yùn)用理論知識(shí)指導(dǎo)實(shí)際操作。

圖5 抗氧化物質(zhì)含量測定數(shù)據(jù)(綠茶、白茶、紅茶)

圖6 師生互動(dòng)討論

2.4 前沿引領(lǐng)

實(shí)操后，學(xué)生以小組討論的形式開展實(shí)際課題研究，給出問題的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，注重對學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力的培養(yǎng)。例如：在“抗氧化物質(zhì)含量測定試劑盒”實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中，由茶葉中茶多酚能清除人體自由基，引出檢測自由基的最新研究進(jìn)展(圖7)，即用于檢測自由基過氧化亞硝基的比率型熒光探針，該探針能夠靶向活細(xì)胞的線粒體，可以對過氧化亞硝基進(jìn)行比率信號(hào)響應(yīng)，并生物成像。通過案例引導(dǎo)，鼓勵(lì)有興趣的同學(xué)查閱相關(guān)文獻(xiàn)，了解學(xué)科前沿。

圖7 前沿引領(lǐng)

2.5 賽學(xué)結(jié)合

課后，實(shí)驗(yàn)室全面開放，教師結(jié)合科研和競賽提出一些創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，也鼓勵(lì)學(xué)生結(jié)合生活、實(shí)際應(yīng)用等自主提出項(xiàng)目，指導(dǎo)學(xué)有余力的同學(xué)完成創(chuàng)新拓展實(shí)踐，并通過參加科技競賽等提升學(xué)生綜合能力。

3 課程考核評價(jià)

基于成果導(dǎo)向教育(Outcome-based education，OBE)的理念，本課程建立全過程、多層次考核評價(jià)體系，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)力，提升課程挑戰(zhàn)度。從考核內(nèi)容方面來看，注重對學(xué)生能力考核，為此增加方案設(shè)計(jì)、應(yīng)用分析、團(tuán)隊(duì)協(xié)作等觀測點(diǎn)，突出對創(chuàng)新能力和科學(xué)素養(yǎng)的考核，激勵(lì)學(xué)生思辨、創(chuàng)新和呈現(xiàn)等能力，提升挑戰(zhàn)度。從考核評價(jià)方式來看，注重多元化的考核，為此采用過程性與終結(jié)性結(jié)合、線上線下結(jié)合、定性定量結(jié)合、師評生評結(jié)合等多元化的全過程評價(jià)方式，全面評定學(xué)生綜合運(yùn)用知識(shí)和解決實(shí)際問題的能力。具體考核標(biāo)準(zhǔn)為如下。

課程總成績由平時(shí)成績(70%)和期末成績(30%)組成。平時(shí)成績根據(jù)過程考核評定，主要觀測點(diǎn)為查閱文獻(xiàn)、方案設(shè)計(jì)、操作規(guī)范、應(yīng)用分析及創(chuàng)新思維等能力，其中預(yù)研占15%、實(shí)操探究占60%、數(shù)據(jù)分析討論占25%。期末成績根據(jù)綜合應(yīng)用知識(shí)能力評定，主要觀測點(diǎn)為對實(shí)驗(yàn)理論、實(shí)驗(yàn)方法及安全操作規(guī)范等的掌握情況。

對應(yīng)課程目標(biāo)和畢業(yè)能力要求，對本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的目標(biāo)達(dá)成度進(jìn)行考查(圖8)。分層次實(shí)驗(yàn)教學(xué)結(jié)果表明，相比于傳統(tǒng)教學(xué)的基礎(chǔ)班，高階班學(xué)生在方案設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)分析、問題思辨等方面成績都明顯高于傳統(tǒng)教學(xué)的基礎(chǔ)班，學(xué)生對朗伯比爾定律、參比溶液選擇等知識(shí)點(diǎn)的理解加深，學(xué)習(xí)主動(dòng)性有所提升。學(xué)生反饋和調(diào)查問卷顯示本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的目標(biāo)度能較好達(dá)成，學(xué)生表現(xiàn)出想學(xué)愛學(xué)，能力得到整體提升。

圖8 學(xué)生知識(shí)-能力-素養(yǎng)考核及達(dá)成情況

4 結(jié)語

通過建設(shè)“思政引領(lǐng)、項(xiàng)目牽引、虛實(shí)結(jié)合、平臺(tái)支撐”的“四輪驅(qū)動(dòng)”教學(xué)資源，并在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中實(shí)施“五步法”教學(xué)設(shè)計(jì)，學(xué)生在方案設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)分析、問題思辨、自主探究等方面的能力整體得到提升，安全環(huán)保理念和科學(xué)素養(yǎng)也顯著改善。近幾年，學(xué)生在國家級等各類化學(xué)創(chuàng)新設(shè)計(jì)賽中獲獎(jiǎng)12項(xiàng)。師生互進(jìn)實(shí)現(xiàn)了教學(xué)相長。團(tuán)隊(duì)教師在教學(xué)創(chuàng)新大賽等比賽中獲獎(jiǎng)16項(xiàng)，其中線上線下“五法聯(lián)動(dòng)”混合式教學(xué)設(shè)計(jì)榮獲第二屆全國高?；旌鲜浇虒W(xué)設(shè)計(jì)創(chuàng)新大賽三等獎(jiǎng)；相關(guān)成果發(fā)表實(shí)驗(yàn)教學(xué)論文21篇，獲得教學(xué)軟件著作權(quán)15個(gè)。新的教學(xué)體系和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目固化為1部新形態(tài)實(shí)驗(yàn)教材、1部數(shù)字課程教材，均在高等教育出版社出版。分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程分別在愛課程中國大學(xué)慕課中文平臺(tái)和國際平臺(tái)上線，18所高校利用本課程開展SPOC教學(xué)，一學(xué)年的選課人數(shù)達(dá)2.1萬，位列化學(xué)類實(shí)驗(yàn)課程前列。形成的課程體系和教學(xué)設(shè)計(jì)受到廣泛關(guān)注，團(tuán)隊(duì)教師應(yīng)邀在全國性的教學(xué)會(huì)議作大會(huì)報(bào)告9次，起到廣泛的示范引領(lǐng)作用。