曾秀瓊，徐孝菲，委育秀，蔡吉清

化學(xué)國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心(浙江大學(xué))，杭州 310058

化學(xué)是一門實(shí)驗(yàn)/實(shí)踐學(xué)科，化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)在培養(yǎng)高素質(zhì)大學(xué)生中起著舉足輕重的作用。為了更好地提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)積極性，強(qiáng)化學(xué)生綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，各高校都開展了一系列的教學(xué)改革，特別是探索了互聯(lián)網(wǎng)+的教學(xué)模式，其中線上線下混合式教學(xué)發(fā)揮了重要作用[1-5]。

綜合性化學(xué)實(shí)驗(yàn)的開展能培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和全方位實(shí)驗(yàn)技能[6-9]。但在教學(xué)實(shí)踐中，由于綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目涉及知識點(diǎn)較多、操作較為復(fù)雜，指導(dǎo)教師往往要花很多時間來講解理論或者演示操作，使得學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)的時間很少。近3年多來，我校依托多個互聯(lián)網(wǎng)+平臺，在綜合性化學(xué)實(shí)驗(yàn)中開展了一些教學(xué)實(shí)踐，通過融入課程思政元素、強(qiáng)化課前自主學(xué)習(xí)、縮短講解時間、增加自主實(shí)驗(yàn)等，提高了學(xué)生的整體素質(zhì)和綜合創(chuàng)新技能，取得了較好的效果。下面以水泥熟料分析實(shí)驗(yàn)為例進(jìn)行說明。

1 教學(xué)分析

1.1 教學(xué)內(nèi)容與目標(biāo)

重量分析和配位滴定是化學(xué)分析實(shí)驗(yàn)中的重要組成，其中綜合性實(shí)驗(yàn)“水泥熟料分析”對水泥熟料進(jìn)行的全組分分析[10-12]，就是重量分析和配位滴定的一個典型實(shí)例。我校采用的分析方法源自國標(biāo)，所涉及的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和項(xiàng)目很多[13]，概括如下：采用NH4Cl-強(qiáng)酸法分解水泥熟料試樣；采用常壓過濾分離不溶物和試液；將不溶物高溫灰化并恒重以測定SiO2含量；pH 1.8-2.0時，以磺基水楊酸為指示劑，用EDTA標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定試液得到鐵含量；采用返滴定法測定鋁含量，定量加入過量的EDTA標(biāo)準(zhǔn)溶液，再以CuSO4標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行返滴定；pH 13時，以鈣黃綠素-甲基百里酚蘭-酚酞(簡稱CMP)混合物為指示劑，用EDTA標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定試液得到鈣含量；pH 10時，以酸性鉻藍(lán)K-萘酚綠B (簡稱K-B)混合物為指示劑，用EDTA標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定試液測定鈣和鎂的總量。

通過這個實(shí)驗(yàn)可達(dá)成以下實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)：掌握重量分析法測定水泥中SiO2含量原理和基本操作；鞏固和掌握配位滴定法的原理和指示劑的工作原理；理解酸度控制、掩蔽劑和滴定方式等因素在多種離子共存時分別測定中的應(yīng)用；掌握沉淀生成、過濾、洗滌、灰化、灼燒等重量分析的基本操作；通過復(fù)雜樣品的分析和測定，培養(yǎng)學(xué)生綜合分析問題和解決問題的能力。

1.2 學(xué)情分析

本實(shí)驗(yàn)屬于我校“基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)I”課程(3學(xué)分)里的教學(xué)項(xiàng)目，該課程面向低年級化學(xué)專業(yè)本科生開設(shè)，以16-18名學(xué)生為1個教學(xué)班，配置1位指導(dǎo)教師和1位研究生助教。學(xué)生有一定的化學(xué)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，但由于實(shí)驗(yàn)課獨(dú)立開課，使得他們的理論部分還是相對欠缺。

在以往的教學(xué)實(shí)踐中，為了講解涉及的基本原理和基礎(chǔ)知識，并演示水柱制作和馬弗爐操作等，指導(dǎo)教師需要講解近2學(xué)時，留給學(xué)生實(shí)驗(yàn)時間不到4學(xué)時，因此學(xué)生只能忙于照搬教材完成必做實(shí)驗(yàn)，使得學(xué)生不但無法真正掌握“三基”知識，而且顧不上開展探究實(shí)驗(yàn)。

此外，原始數(shù)據(jù)及其處理結(jié)果直接反映了學(xué)生實(shí)驗(yàn)水平，也是評價實(shí)驗(yàn)成績的一個重要指標(biāo)，因此個別學(xué)生會產(chǎn)生篡改實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的念頭或者行為。

1.3 教學(xué)策略

針對以上教學(xué)問題和學(xué)情分析，建設(shè)了數(shù)字化教學(xué)資源，分課前、課中和課后開展混合式教學(xué)；開發(fā)了基于微信公眾號的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)提交及評分模塊，使實(shí)驗(yàn)成績評價更加科學(xué)和高效。

2 混合式教學(xué)設(shè)計(jì)

2.1 科學(xué)思維與科學(xué)精神培養(yǎng)

以設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)科學(xué)思維和科學(xué)精神。提前布置探究性或者設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，如，水泥中其他微量離子測定、試液中鐵鋁鈣鎂含量的其他測定方法、試液中硅酸含量的測定等，讓學(xué)生自行分組分工，提前查閱資料、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，利用課堂時間以團(tuán)隊(duì)形式完成。

以如實(shí)記錄和規(guī)范操作培養(yǎng)科學(xué)素養(yǎng)。指導(dǎo)教師注重對學(xué)生進(jìn)行多方引導(dǎo)，一則要求學(xué)生堅(jiān)持實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度，如實(shí)記錄和處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；二則鼓勵學(xué)生對不良數(shù)據(jù)及結(jié)果進(jìn)行分析，找出問題源泉、找到解決方法，領(lǐng)會“失敗是成功之母”的真諦。此外，指導(dǎo)教師還向?qū)W生傳授水泥質(zhì)量關(guān)系國計(jì)民生和水泥檢測數(shù)據(jù)一定不能造假等觀念，讓學(xué)生樹立強(qiáng)烈的社會責(zé)任感。

2.2 線上學(xué)習(xí)資源建設(shè)及應(yīng)用

以教學(xué)視頻輔助教學(xué)。本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目涉及到的知識點(diǎn)很多，2018年以重量分析原理、配位滴定原理和實(shí)驗(yàn)操作為單元制作了以下三個講座視頻(圖1)，以便學(xué)生根據(jù)自身情況，按菜單選擇觀看和學(xué)習(xí)：水泥熟料測定原理、重量分析法原理；水泥熟料中二氧化硅及鐵鋁鈣鎂含量的測定、重量分析法的基本操作；滴定分析法及其指示劑變色的基本原理、EDTA的結(jié)構(gòu)及其分析特征。由于后續(xù)教學(xué)中不斷有學(xué)生反映對濾紙準(zhǔn)備、水柱制作、沉淀包裹等操作掌握不好，因此在2020年夏學(xué)期又補(bǔ)拍了這幾個微視頻。

圖1 相關(guān)的教學(xué)視頻

所有這些教學(xué)視頻都發(fā)布在“中心網(wǎng)站”和“學(xué)在浙大”等教學(xué)信息平臺，以便統(tǒng)計(jì)和監(jiān)督學(xué)生的線上學(xué)習(xí)情況(圖2)。

圖2 發(fā)布的教學(xué)視頻及線上學(xué)習(xí)情況統(tǒng)計(jì)

以問題引導(dǎo)學(xué)生預(yù)習(xí)。為了引導(dǎo)學(xué)生有目的地觀看教學(xué)視頻并進(jìn)行知識歸納，在新編講義里特意編寫了相關(guān)的思考題，要求學(xué)生觀看后簡略回答。如，(1) 定量濾紙和定性濾紙的區(qū)別有哪些？(2) 什么是恒重？如何進(jìn)行恒重操作？(3) 簡述重量分析法的原理及基本操作。(4) 簡述配位滴定法的基本原理。(5) 為何不能直接測定鎂離子？(6) 為何采用返滴定法測定鋁離子？(7) 如何實(shí)現(xiàn)多種離子共存時的分別測定。

以線上練習(xí)卷鞏固預(yù)習(xí)情況。為了督促學(xué)生自主有效地學(xué)習(xí)，每次實(shí)驗(yàn)都設(shè)置了課前練習(xí)卷。學(xué)生課前自行登錄“浙大化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心”微信公眾號(以下簡稱中心公眾號)完成線上練習(xí)，此部分題目以實(shí)驗(yàn)講義和教學(xué)視頻內(nèi)容為主，大部分為單選題，不計(jì)入總評成績。學(xué)生提交后，不但能立即查看成績，而且可以查看錯題，這樣學(xué)生能根據(jù)練習(xí)卷情況及時知曉課前學(xué)習(xí)的掌握情況。時間設(shè)置為15分鐘，共20題。

2.3 課中實(shí)施

以線上考試卷檢查預(yù)習(xí)情況。線下課堂教學(xué)時，首先召集學(xué)生登錄中心公眾號完成線上考試卷?？荚嚲黼y度大于練習(xí)卷，以多選題為主。提交后能查看成績和錯題，進(jìn)一步強(qiáng)化學(xué)生對知識的掌握。時間設(shè)置為8-10分鐘，共20-25題。

以問題強(qiáng)調(diào)重點(diǎn)和難點(diǎn)。通過課前準(zhǔn)備，學(xué)生已經(jīng)掌握了相關(guān)的“三基”知識，因此指導(dǎo)教師不需把實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)步驟重新講一遍，更不需要演示實(shí)驗(yàn)操作，而是通過設(shè)計(jì)一些更有針對性的問題，以提問或小組討論等互動形式強(qiáng)調(diào)關(guān)鍵步驟以及安全要點(diǎn)等，這樣可以節(jié)省大量的講解時間，講解時間由原來的1個多小時縮短到20分鐘左右。

以自主實(shí)驗(yàn)和探究提高創(chuàng)新能力。學(xué)生開始自主實(shí)驗(yàn)，教師和助教巡查。若學(xué)生對實(shí)驗(yàn)操作或?qū)嶒?yàn)步驟有疑問，可以自行走到教學(xué)一體機(jī)前，觀看教學(xué)視頻或者課件，也可以和教師或助教討論。由于講解時間縮短、對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和操作胸有成竹，學(xué)生不但能從容地順利完成實(shí)驗(yàn)，而且還有時間實(shí)施課前設(shè)計(jì)好的探究方案。

以線上數(shù)據(jù)提交和評分強(qiáng)化如實(shí)記錄及過程考核。學(xué)生實(shí)驗(yàn)結(jié)束并整理實(shí)驗(yàn)臺后，線上提交實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。學(xué)生登錄中心公眾號，在系統(tǒng)對話框里依次提交實(shí)驗(yàn)的原始數(shù)據(jù)，再經(jīng)教師或助教檢查后線上簽退，才能離開實(shí)驗(yàn)室(圖3)，這樣可以讓學(xué)生形成如實(shí)記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的習(xí)慣。

圖3 “數(shù)據(jù)提交及評分”和“簽入簽出”系統(tǒng)

2.4 成績評價與課后鞏固

對于課后的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，不要求學(xué)生再抄一遍實(shí)驗(yàn)原理或者實(shí)驗(yàn)過程，而是注重?cái)?shù)據(jù)處理與分析、對實(shí)驗(yàn)過程的體會、對探究實(shí)驗(yàn)的思考等方面。如本實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生依照國家標(biāo)準(zhǔn)評價水泥熟料試樣的質(zhì)量，提出對測定方法的完善方案等。

對于指導(dǎo)教師而言，由于有了“線上數(shù)據(jù)提交及評分”模塊，可以很方便地評價學(xué)生的原始數(shù)據(jù)及結(jié)果。對于水泥熟料分析實(shí)驗(yàn)，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)報(bào)告中需要給出SiO2、Fe2O3、Al2O3、CaO和MgO這5個組分的百分含量，使得傳統(tǒng)的批改工作量很大，教師需要逐個核算并分項(xiàng)給分。開發(fā)“線上數(shù)據(jù)提交及評分”模塊后，該模塊能根據(jù)學(xué)生提交的原始數(shù)據(jù)自動給出各個組分含量及其測定的準(zhǔn)確度和精密度，并根據(jù)模塊預(yù)設(shè)的準(zhǔn)確度和精密度的評分標(biāo)準(zhǔn)給出分項(xiàng)得分及總分(圖4)。預(yù)設(shè)的評分標(biāo)準(zhǔn)可以通過后臺進(jìn)行修改，以適應(yīng)不同水泥試樣。說明一下，學(xué)生提交原始數(shù)據(jù)后看不到模塊顯示的數(shù)據(jù)結(jié)果和評分，這樣也能考查學(xué)生在完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告中數(shù)據(jù)處理部分的細(xì)致程度。

圖4 系統(tǒng)導(dǎo)出的數(shù)據(jù)結(jié)果及評分

3 教學(xué)效果與評價

混合式教學(xué)開展以來，得到了學(xué)生很高的評價。對于基礎(chǔ)扎實(shí)的學(xué)生來說，既避免了長時間課堂講解的無趣，又有更多課堂時間進(jìn)行探究性實(shí)驗(yàn)或者鉆研實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問題；對于基礎(chǔ)薄弱的學(xué)生來說，可以反復(fù)或者重點(diǎn)觀看教學(xué)視頻，在課前把不懂之處弄懂。學(xué)生普遍反映，這種授課方式具有獨(dú)特的優(yōu)勢，線上學(xué)習(xí)省去了以往課堂教學(xué)中冗長的講解，同時以視頻的形式觀看實(shí)驗(yàn)講解或操作更能留下更深刻的印象，再加上課前練習(xí)卷的鞏固，能達(dá)到非常不錯的效果。特別是有同學(xué)評價到，看了水柱的制作視頻，明白了如何能高效地進(jìn)行常壓過濾，達(dá)到了事半功倍的課堂效果。

通過開展線上線下混合式教學(xué)，學(xué)生整體素質(zhì)提高了，學(xué)生自主學(xué)習(xí)積極性高漲了。教師們對這種混合式教學(xué)也給予了很高的評價，他們普遍認(rèn)為能有空暇開展更多的師生互動和啟發(fā)式提問，批改實(shí)驗(yàn)報(bào)告輕松多了，評定實(shí)驗(yàn)成績公平科學(xué)多了。

4 結(jié)語

為了積極響應(yīng)教育部加強(qiáng)思政建設(shè)和金課建設(shè)的號召、適應(yīng)互聯(lián)網(wǎng)+的快速發(fā)展、改革化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)模式，在綜合性化學(xué)實(shí)驗(yàn)中開展了線上線下混合式教學(xué)。通過融入科學(xué)思維與科學(xué)精神等思政元素、建設(shè)教學(xué)視頻等數(shù)字化資源、開發(fā)線上考試系統(tǒng)及“線上數(shù)據(jù)提交及評分”模塊等多種模式，取得了很好的教學(xué)效果。我們將總結(jié)并借鑒同行們的成功經(jīng)驗(yàn)，繼續(xù)探索新時代下的化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，為培養(yǎng)德智體美勞的高質(zhì)量人才而努力[14,15]。