賈莉，馬鍇果，徐金榮，趙浩，朱志偉

（北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院，化學(xué)國家級實驗教學(xué)示范中心，北京 100871）

0 引言

光譜法在基礎(chǔ)研究和應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)用廣泛［1］。光譜法實驗是化學(xué)類本科生實驗教學(xué)的重要組成部分，掌握分析儀器的基本組成、工作原理及分析方法是其重要教學(xué)目標，也是高水平化學(xué)人才的必備素質(zhì)［2］。目前，我院開設(shè)的光譜法實驗教學(xué)仍采用教師課前講解和學(xué)生動手完成實驗的傳統(tǒng)教學(xué)模式，實驗內(nèi)容設(shè)置以驗證性實驗為主。但隨著實驗項目的開設(shè)，學(xué)生普遍反映實驗形式照方抓藥，內(nèi)容缺乏多樣化和趣味性，學(xué)生參與實驗的積極性不高。以實驗報告為主的成績評定方式，也忽略了實驗過程的重要性，并不能真實地反映學(xué)生對光譜分析技術(shù)的掌握情況。因此，豐富和拓展實驗內(nèi)容，改革和創(chuàng)新教學(xué)模式，勢在必行。

目前，國內(nèi)外都有報道學(xué)生動手搭建實驗儀器并進行儀器應(yīng)用拓展的大學(xué)化學(xué)實驗［3-8］。此教學(xué)模式在提高學(xué)生實驗興趣、培養(yǎng)創(chuàng)新能力方面發(fā)揮了重要的作用，且與光譜法實驗教學(xué)的需求相契合。因此，將此教學(xué)模式引入我院本科生光譜法實驗教學(xué)體系。但如何在不增加原有課時且不減少原有實驗內(nèi)容的前提下，將這一獨特的教學(xué)模式引入實際教學(xué)過程，以促進傳統(tǒng)教學(xué)模式的改革和創(chuàng)新，還是值得探索的。本文以熒光光譜法實驗為例，介紹了如何將自制儀器及應(yīng)用拓展的實驗?zāi)K與經(jīng)典實驗項目“飲料中硫酸奎寧的定量測定”內(nèi)容相結(jié)合［9］，以實現(xiàn)激發(fā)學(xué)生的實驗興趣、培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實際和動手能力的作用，從而改善教學(xué)效果。

1 教學(xué)設(shè)計思路

針對傳統(tǒng)實驗教學(xué)過程中存在的問題以及目前的實驗教學(xué)需求，在吸收國內(nèi)外關(guān)于光譜法實驗教學(xué)改革經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，根據(jù)學(xué)生的層次和能力，對傳統(tǒng)的熒光光譜法實驗教學(xué)進行了重新設(shè)計。實驗教學(xué)過程是以學(xué)生為中心，以合理的課時安排和完善的實驗體系為前提，將自制儀器及應(yīng)用拓展、實際樣品測定的實驗?zāi)K引入常規(guī)實驗教學(xué)，拓展實驗內(nèi)容的深度和廣度。采用線上線下相結(jié)合的混合式教學(xué)模式，延伸實驗教學(xué)的時間和空間，為拓展實驗內(nèi)容的開展創(chuàng)造條件。在教學(xué)過程中，分層次、分階段逐步培養(yǎng)學(xué)生的綜合實踐動手能力，注重過程性評價，形成多元化的評價體系，并以問卷反饋來追蹤學(xué)生對教學(xué)效果的評價。通過改革和創(chuàng)新教學(xué)模式，使實驗教學(xué)將理論知識學(xué)習(xí)、動手實踐和研究探索相結(jié)合，更好地實現(xiàn)教學(xué)目標。

2 教學(xué)設(shè)計的實施

2.1 教學(xué)內(nèi)容

在實驗內(nèi)容的設(shè)計上，力求將基本操作技能和綜合創(chuàng)新能力的培養(yǎng)相結(jié)合，促進學(xué)生理論與實踐的融會貫通。原有的經(jīng)典實驗“飲料中硫酸奎寧的定量測定”以常規(guī)實驗開展，以訓(xùn)練和學(xué)習(xí)基本實驗技能為主。在此基礎(chǔ)上，增加了自制儀器及應(yīng)用拓展、實際樣品測定的拓展實驗?zāi)K。此模塊作為學(xué)生綜合實踐動手能力的進階，以探究型實驗開展，具體內(nèi)容包括：①利用樂高積木、LED 燈珠、硅光電二極管和簡單電子器件搭建簡易熒光光度計，繪制標準曲線并測定未知樣品［10-11］；②自制熒光光度計的性能評價及應(yīng)用拓展［11］；③利用自制儀器或商用儀器測定實際飲料湯力水中的奎寧含量。通過探究型實驗，激發(fā)學(xué)生實驗興趣，加強學(xué)生創(chuàng)新能力和綜合分析能力的培養(yǎng)。

原有經(jīng)典實驗用已知濃度的硫酸奎寧溶液作為飲料樣品讓學(xué)生進行測定，以檢驗學(xué)生實驗數(shù)據(jù)的準確性。然而學(xué)習(xí)熒光光譜法不是為了學(xué)而學(xué)，而是要將其作為工具運用起來，以解決實際問題。所以，在探究實驗中增加了實際飲料樣品中奎寧含量的測定，讓學(xué)生在解決實際問題的過程中體驗學(xué)以致用的樂趣并從中獲得成就感和自信心。

2.2 教學(xué)模式

（1）基于北京大學(xué)教學(xué)網(wǎng)，進行線上線下混合式教學(xué)。利用北京大學(xué)教學(xué)網(wǎng)作為學(xué)習(xí)平臺來有效地組織學(xué)習(xí)資源，在教學(xué)網(wǎng)相應(yīng)課程中建立了熒光光譜法實驗板塊，開展了線上線下混合式實驗教學(xué)。課前，通過翻轉(zhuǎn)課堂的形式讓學(xué)生進行在線預(yù)習(xí)和測試，以增加課堂動手實踐機會，為拓展實驗內(nèi)容的順利開展創(chuàng)造條件。課中，通過常規(guī)實驗與探究型實驗來擴展知識的實際應(yīng)用。課后，通過追蹤學(xué)生在課前、課中、課后等環(huán)節(jié)的表現(xiàn)和問卷反饋來綜合評價學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，并配合微信討論群來完善實驗教學(xué)過程。整體的教學(xué)設(shè)計如圖1 所示。

圖1 教學(xué)設(shè)計

（2）優(yōu)化在線教學(xué)資源，激發(fā)學(xué)生主動學(xué)習(xí)的意識。為彌補大學(xué)一年級學(xué)生理論知識方面的欠缺，激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的意識，滿足各層次學(xué)生的學(xué)習(xí)需求，提供了多樣化的在線教學(xué)資源，內(nèi)容包括導(dǎo)學(xué)資源和學(xué)習(xí)資源兩部分。①導(dǎo)學(xué)資源為學(xué)生提供課前學(xué)習(xí)指導(dǎo)［12］，具體包含學(xué)習(xí)目標、重難點、學(xué)習(xí)任務(wù)和成績評定方式等內(nèi)容，見表1。學(xué)生在導(dǎo)學(xué)資源的引導(dǎo)下，完成在線學(xué)習(xí)任務(wù)，了解實驗流程。②學(xué)習(xí)資源分為微視頻、預(yù)習(xí)測試題、往年實驗數(shù)據(jù)、拓展實驗講義和MOOC資源等。微視頻對熒光光譜法的基本原理、實驗基本操作和儀器操作流程的重難點進行了講解和演示。以預(yù)習(xí)測試題來以考促學(xué)，幫助學(xué)生查漏補缺，更好地掌握學(xué)習(xí)內(nèi)容。學(xué)生通過分析往年實驗數(shù)據(jù)，提出減小實驗誤差的方案，為能夠在實驗中獲得準確的結(jié)果做準備。以目標為導(dǎo)向，編寫了探究型實驗部分的講義，幫助和引導(dǎo)學(xué)生進行拓展實驗內(nèi)容的探究。MOOC學(xué)習(xí)資源供學(xué)有余力的學(xué)生更加全面深入地學(xué)習(xí)熒光光譜法的相關(guān)理論知識，并拓寬視野。

表1 熒光光譜法實驗導(dǎo)學(xué)資源

（3）分層次、分階段教學(xué)，滿足學(xué)生的不同需求。由于學(xué)生的基礎(chǔ)和興趣有所差異，在實際教學(xué)過程中探索采用層次分明、階段性強的教學(xué)形式，來滿足不同層次學(xué)生的個性化需求，以充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，從而更有效地實現(xiàn)教學(xué)目標［12-14］。

課前，將學(xué)習(xí)資源分為必學(xué)和選學(xué)兩部分。其中觀看微視頻、完成測試題目和往年實驗數(shù)據(jù)分析為必做，納入實驗教學(xué)內(nèi)容和評價體系，MOOC資源為選學(xué)內(nèi)容。通過為學(xué)生提供多樣化的選擇，來滿足不同學(xué)生對知識的不同需求。課中，實驗內(nèi)容包括常規(guī)實驗和探究型實驗，常規(guī)實驗為必做，探究型實驗內(nèi)容學(xué)生3 選1。通過為學(xué)生提供自主選擇自由探究的機會，充分調(diào)動學(xué)生們的學(xué)習(xí)熱情，在學(xué)習(xí)過程中遇到困難也會全力以赴，取得更好的學(xué)習(xí)效果。

學(xué)生綜合實際動手能力的提升是一個循序漸進的過程。因此，整個實驗教學(xué)過程以加強基礎(chǔ)，注重能力，引導(dǎo)創(chuàng)新為指導(dǎo)，分4 個階段來引導(dǎo)學(xué)生進行學(xué)習(xí)和實踐：①通過在線預(yù)習(xí)、測試及書寫預(yù)習(xí)報告，完成基礎(chǔ)知識的學(xué)習(xí)和認知；②通過常規(guī)實驗，完成基本知識的應(yīng)用；③通過探究型實驗，完成知識的整合、運用和提高；④通過實驗報告，完成知識內(nèi)容的回顧與總結(jié)。

（4）注重教師引導(dǎo)，逐步培養(yǎng)學(xué)生綜合實踐動手能力。在教學(xué)過程中，教師作為引導(dǎo)者分階段逐步引導(dǎo)學(xué)生不斷研究、探索、獲取新知識。課前，通過教學(xué)網(wǎng)后臺提供的數(shù)據(jù)分析，及時把握學(xué)生的學(xué)習(xí)進度及知識掌握情況，便于明確實驗前集中講解的重難點。課中，學(xué)生通過課前預(yù)習(xí)和教師的課前講解環(huán)節(jié)對實驗內(nèi)容有了更加清晰的了解。因此，教師可以更有針對性地引導(dǎo)學(xué)生實驗，及時幫助學(xué)生解決實驗中遇到的問題。尤其在探究型實驗開展過程中，如何引導(dǎo)學(xué)生搭建出高性能的熒光光度計、如何以實驗數(shù)據(jù)來驗證儀器性能、如何促使學(xué)生充分發(fā)揮想象力來豐富自制儀器的應(yīng)用，這是考驗教師教學(xué)能力的重點和難點。通過教師的引導(dǎo)和幫助，使學(xué)生在追求精益求精的過程中搭建出高性能的儀器，在體驗工匠精神的同時，了解儀器性能對實驗結(jié)果的影響，使學(xué)生在實踐中逐步具備分析判斷、邏輯推理、根據(jù)實驗結(jié)果得出實驗結(jié)論的能力。課后，教師通過綜合學(xué)生的課堂表現(xiàn)、實驗報告等情況，利用微信群來解答學(xué)生實驗中存在的問題和疑惑，并及時調(diào)整教學(xué)方法、教學(xué)活動，為下一次混合式教學(xué)的開展做總結(jié)［15］。同時挑選優(yōu)秀實驗報告加入優(yōu)秀作業(yè)展，促進小組間的相互學(xué)習(xí)和改進提升。

2.3 考核評價

拓展實驗內(nèi)容的引入使實驗教學(xué)環(huán)節(jié)更加豐富，更有助于形成多元化的成績評價體系［16］。將課前在線預(yù)習(xí)和測試、課中常規(guī)實驗和探究實驗過程、課后討論及完成實驗報告等環(huán)節(jié)均納入成績評定的范圍，注重過程性評價，并細化每一部分的評分細則。改革后的考核評價方式，既有助于促進學(xué)生養(yǎng)成良好的實驗習(xí)慣，又有利于敦促學(xué)生積極探索實踐，同時也有助于教師引導(dǎo)、促進和診斷學(xué)生的學(xué)習(xí)，從而更有效地改進和提升教學(xué)［12］。

2.4 教學(xué)效果

此教學(xué)模式已經(jīng)應(yīng)用于2020 級學(xué)生的熒光光譜法實驗。經(jīng)過一學(xué)期的教學(xué)實踐表明，簡易熒光光度計搭建及應(yīng)用拓展的實驗?zāi)K非常適用于探究型實驗教學(xué)，大部分學(xué)生可以完成熒光光度計的搭建，并將其應(yīng)用于硫酸奎寧標準曲線的繪制，如圖2 所示。

圖2 學(xué)生熒光光譜法實驗結(jié)果

為進一步了解學(xué)生實驗的學(xué)習(xí)效果，獲得更多的反饋建議，以調(diào)查問卷形式，對參與此實驗的64 名學(xué)生進行了調(diào)研。調(diào)查問卷及統(tǒng)計結(jié)果如下：

關(guān)于實驗內(nèi)容，如圖3（a）所示，84%以上的學(xué)生認為拓展的實驗內(nèi)容可以增加實驗興趣、提高分析問題解決問題的能力，這也正是本實驗想要達到的效果。78%的學(xué)生認為搭建熒光光度計可更好地理解儀器結(jié)構(gòu)和工作原理，內(nèi)容具有靈活性和拓展性，盡管人數(shù)比例還不高，但是100%的學(xué)生樂意將此實驗推薦給學(xué)弟學(xué)妹，這也是對實驗內(nèi)容的肯定。

圖3 教學(xué)問卷統(tǒng)計結(jié)果

關(guān)于教學(xué)模式，如圖3（b）所示，96%的學(xué)生認為非常有必要采取線上線下混合式教學(xué)模式，而且教學(xué)中提供的學(xué)習(xí)資料豐富，滿足了學(xué)習(xí)需求。同時，這種教學(xué)模式有效增加了動手實踐及與教師溝通交流的機會。

關(guān)于學(xué)習(xí)收獲，對學(xué)生而言，80%以上的學(xué)生認為，通過此實驗的學(xué)習(xí)可以掌握相關(guān)理論知識，提高動手實踐能力。同時學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、團隊合作能力、分析問題和解決問題的能力也都得到了極大的鍛煉和提高。對教師而言，通過改變傳統(tǒng)的實驗教學(xué)模式，工作興趣得到了極大的提高。通過對教學(xué)資源的重新組織，實驗內(nèi)容的重新設(shè)計，對實驗本身有了更深層次的理解，對理論知識與實踐之間的聯(lián)系有了更好地掌握。

3 結(jié)語

以熒光光譜法實驗項目作為改革對象，引入儀器搭建及應(yīng)用拓展、實際樣品測定的實驗內(nèi)容，探索基于北京大學(xué)教學(xué)網(wǎng)的線上線下混合式實驗教學(xué)模式。教學(xué)內(nèi)容方面，新增探究型實驗?zāi)K，以拓展實驗內(nèi)容的深度和廣度。教學(xué)模式方面，建立了線上線下相結(jié)合的混合式教學(xué)模式，學(xué)生利用北京大學(xué)教學(xué)網(wǎng)提供的學(xué)習(xí)資源進行課前在線學(xué)習(xí)，以延伸實驗教學(xué)的時間和空間。通過分層次、分階段的實驗教學(xué)，逐步培養(yǎng)學(xué)生的實踐動手能力和自主創(chuàng)新能力。通過建立多元化評價體系，實現(xiàn)客觀、公正的成績評定。此實驗教學(xué)模式的改革與創(chuàng)新，對熒光光譜法實驗教學(xué)具有較好的適應(yīng)性和促進性。在此基礎(chǔ)上，還將此實驗教學(xué)模式成功應(yīng)用于紫外-可見光譜法和紅外光譜法實驗教學(xué)中，為化學(xué)實驗教學(xué)的改革和創(chuàng)新提供了有益經(jīng)驗。但在“互聯(lián)網(wǎng)+”環(huán)境下的實驗教學(xué)過程中，教師還需要不斷地提升自己的專業(yè)水準和綜合素質(zhì)，為實驗教學(xué)的改革和創(chuàng)新人才的培養(yǎng)發(fā)揮積極作用。