苗金玲, 范迎菊，范大偉，朱沛華，楊紅曉

(濟(jì)南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，山東 濟(jì)南 250022)

化學(xué)是一門理論與實踐并重的學(xué)科，實踐教學(xué)對化學(xué)化工類的學(xué)生的培養(yǎng)至關(guān)重要。無機(jī)及分析化學(xué)實驗是化學(xué)化工有關(guān)專業(yè)的必修課，課程內(nèi)容包括元素及其化合物的性質(zhì)驗證和應(yīng)用、無機(jī)和分析化學(xué)的基本操作、定性定量分析方法和相關(guān)原理的應(yīng)用[1]。本門課的目標(biāo)是加深學(xué)生對無機(jī)及分析化學(xué)理論相關(guān)知識的理解，鍛煉學(xué)生的實驗操作技能，同時培養(yǎng)學(xué)生的綜合分析能力，啟發(fā)他們的創(chuàng)新意識[2]。此外，本課程一般是化學(xué)化工類本科生接觸的第一門實驗課，課程的學(xué)習(xí)效果直接關(guān)系到學(xué)生后續(xù)課程的學(xué)習(xí)積極性，甚至是對專業(yè)的熱愛度。

隨著互聯(lián)網(wǎng)時代的發(fā)展，當(dāng)代大學(xué)生的學(xué)習(xí)和交流方式已發(fā)生了翻天覆地的變化，他們已經(jīng)習(xí)慣了通過網(wǎng)絡(luò)獲取信息，不滿于形式單一的線下教學(xué)；希望主動獲得知識，而不是被動接受知識；希望學(xué)到的知識更加鮮活實用，而非陳舊跟不上時代。因此，為了保證學(xué)生學(xué)習(xí)的主體地位，處于主導(dǎo)地位的教師必須進(jìn)行全方位的教學(xué)改革，以適應(yīng)時代的發(fā)展，保證課程教學(xué)質(zhì)量。多年來，我校的無機(jī)及分析化學(xué)實驗教學(xué)也在不斷的進(jìn)行調(diào)整[3-5]，目前我們分別在教學(xué)模式、教學(xué)方法和教學(xué)內(nèi)容三方面進(jìn)行了改革，實現(xiàn)了線上線下結(jié)合、多法并舉，內(nèi)容鮮活的教學(xué)體系，取得了良好的教學(xué)效果。

1 改革教學(xué)模式，創(chuàng)建線上資源，實現(xiàn)混合式教學(xué)

1.1 線上資源建設(shè)

傳統(tǒng)的實驗教學(xué)，一般都是線下教學(xué)。我們認(rèn)為，單純的線下教學(xué)存在三個方面的不足：①預(yù)習(xí)效果差。實驗課不同于純理論課，預(yù)習(xí)是實驗課的重要環(huán)節(jié)，預(yù)習(xí)效果直接關(guān)系到實驗是能夠否順利進(jìn)行。傳統(tǒng)教學(xué)，學(xué)生通過實驗課本上的文字資料，雖然可以明白實驗要做什么，但往往不明白怎么做和為什么這樣做。另外，紙質(zhì)實驗預(yù)習(xí)報告書寫和批改需要花費大量時間，導(dǎo)致教師不能及時掌握學(xué)生預(yù)習(xí)效果。②課堂教學(xué)，學(xué)生沒有消化和反思時間。線下教學(xué)一般是教師當(dāng)堂講解實驗內(nèi)容、演示基本操作，然后指導(dǎo)學(xué)生實際動手操作。但是，在這種教學(xué)模式下，學(xué)生聽完講解、看完演示后，沒有消化和反思時間，直接動手操作，往往導(dǎo)致學(xué)習(xí)效果不盡人意。③實驗報告反饋不及時。線下教學(xué)實驗報告通常需要課代表收齊后，交給教師，教師再全部批閱完后，統(tǒng)一發(fā)放給學(xué)生，整個過程花費時間長，導(dǎo)致反饋不及時，不利于學(xué)生及時修正錯誤。鑒于這些原因，線上和線下混合式教學(xué)模式成為不二選擇。目前線上課程資源很多，但適用性不強(qiáng)。因此。我們創(chuàng)建了適合自己學(xué)校特點的課程資源。線上內(nèi)容包括課程介紹、講解視頻、操作視頻、教學(xué)資料、有針對性的預(yù)習(xí)題、作業(yè)、拓展資源和課程宣傳片等。教學(xué)視頻內(nèi)容言簡意賅，深入淺出，針對實驗內(nèi)容和和操作方法的講解能夠有效幫助學(xué)生對難點、重點問題的理解；視頻長度一般在 10 min 內(nèi)，符合學(xué)生的認(rèn)知特點，能夠滿足不同學(xué)生學(xué)習(xí)的需求。學(xué)生可以通過電腦或手機(jī)端隨時學(xué)習(xí)課程內(nèi)容，實現(xiàn)個性化學(xué)習(xí)。

1.2 混合式教學(xué)設(shè)計

線上線下相結(jié)合的教學(xué)模式，我們已經(jīng)應(yīng)用兩屆，克服了線下單一教學(xué)模式的不足，取得了良好的教學(xué)效果。線上線下結(jié)合教學(xué)模式如圖1所示。我們的具體做法是：①課前。教師將實驗講解和操作視頻設(shè)置為任務(wù)點，發(fā)放有針對性的預(yù)習(xí)題和相應(yīng)的實驗報告模板，學(xué)生需完成90%以上的觀看任務(wù)，才能進(jìn)行預(yù)習(xí)題的解答；預(yù)習(xí)題的解答需要早于線下實驗 24 h 完成；預(yù)習(xí)題均為選擇題，線上平臺自動批改，學(xué)生提交即可得到反饋。通過這樣的方式學(xué)生明白了實驗內(nèi)容，也了解了如何進(jìn)行實驗，同時教師通過學(xué)生的答題情況也掌握了學(xué)生的預(yù)習(xí)情況。②課中(線下)。教師根據(jù)學(xué)生實驗預(yù)習(xí)題的解答情況，調(diào)整教學(xué)側(cè)重點，選擇性的進(jìn)行課堂講解和實驗操作的現(xiàn)場演示，或者采用翻轉(zhuǎn)課堂，由學(xué)生講解和討論的方法，加深學(xué)生對實驗內(nèi)容和方法的認(rèn)識。之后學(xué)生進(jìn)行實驗操作，教師巡回指導(dǎo)。由于預(yù)習(xí)充分，學(xué)生實驗操作過程中手忙腳亂的情況明顯較少。③課后學(xué)生利用線上提供的實驗報告模板完成實驗報告，在下次課 48 h 前在線提交實驗報告，實驗報告可以手寫，拍照上傳，有條件的同學(xué)，可以提交電子版的實驗報告，實現(xiàn)因材施教。課后教師在電腦端或手機(jī)端隨時進(jìn)行實驗報告的批改，學(xué)生可同步了解自己實驗報告的不足，而引以為戒。除了這些內(nèi)容外，線上課程還推送了課程拓展資源，開設(shè)了討論模塊，供有需要的同學(xué)參考和參與。

圖1 線上線下結(jié)合教學(xué)模式實施方案

我們的混合式教學(xué)，線下為主，線上為輔；線上指導(dǎo)線下教學(xué)。學(xué)生通過線上學(xué)習(xí)時間占到總學(xué)時的20%，支持學(xué)生完成課前的預(yù)習(xí)和課后的實驗報告提交。為幫助學(xué)生充分預(yù)習(xí)，我們設(shè)置的預(yù)習(xí)題都非常有針對性。比如，第一次實驗課，學(xué)生需要學(xué)習(xí)實驗室安全，我們設(shè)置了有關(guān)滅火器正確使用、電爐燒傷、強(qiáng)酸堿灼傷后的正確處理有關(guān)的題目，如表1所示。

表1 與實驗安全有關(guān)的預(yù)習(xí)多選題

再比如，溶液的配制實驗需要學(xué)生實驗前計算出配制各種溶液取用試劑的量，并明白不同類型溶液的配制需要選用哪些儀器進(jìn)行。針對這些要求設(shè)置了相應(yīng)的預(yù)習(xí)題，如表2所示。對于第一次寫實驗報告的同學(xué)來說，寫實驗報告是很有挑戰(zhàn)性的事情，學(xué)生普遍反映書寫實驗報告繁瑣，重點內(nèi)容把握不到位，數(shù)據(jù)處理不全面。鑒于此，我們創(chuàng)建了定性實驗、定量實驗、制備實驗、綜合實驗的報告模板，學(xué)生只需要在模板中填寫實驗具體得到的現(xiàn)象、數(shù)據(jù)和結(jié)果即可完成實驗報告，通過實驗?zāi)０?，學(xué)生學(xué)會了不同類型報告的書寫方法，有助于他們將來的學(xué)習(xí)。雖然線上教學(xué)時長短，但通過實驗預(yù)習(xí)題答題情況，可以及時掌握學(xué)生的預(yù)習(xí)效果，從而有針對性的安排線下教學(xué)內(nèi)容；實驗報告的線上提交，保證我們及時了解學(xué)生對實驗的掌握程度，從而進(jìn)行有針對性的教學(xué)總結(jié)，可以說線上教學(xué)有效地指導(dǎo)了線下教學(xué)。

表2 溶液配制實驗有關(guān)試劑用量和儀器選擇的預(yù)習(xí)測試題

2 改革教學(xué)方法，多措并舉，打造高效課堂

以往的教學(xué)過程我們主要采取課堂講授的教學(xué)方法，方法單一，學(xué)生易疲勞，影響教學(xué)效果。為了解決此問題，根據(jù)每個實驗內(nèi)容的特點，我們設(shè)置了不同的教學(xué)方法，對于首次接觸的實驗內(nèi)容和操作我們采取傳統(tǒng)的教師主講的BOPPPS教學(xué)法，包括引入、闡述學(xué)習(xí)目標(biāo)、前測(學(xué)生預(yù)習(xí)題的解答) 、學(xué)生參與(講解和演示，學(xué)生聽講討論)、后測(學(xué)生操作)、總結(jié)。對于那些實驗中的操作學(xué)生已經(jīng)熟悉的實驗和設(shè)計實驗，采用翻轉(zhuǎn)課堂的方法，由學(xué)生以小組為單位講解，教師引領(lǐng)討論的方法完成理論學(xué)習(xí)；需要應(yīng)用復(fù)雜儀器的實驗，請助教幫忙，進(jìn)行朋輩教學(xué)。助教為本級已做過實驗的同學(xué)或是高年級的學(xué)生，事實證明同輩間的交流更順暢有效，學(xué)生非常歡迎。對于操作步驟較多的實驗我們采用分組實驗的方法，兩人一組，協(xié)同完成實驗。相較于傳統(tǒng)的授課方式，翻轉(zhuǎn)課堂增加了學(xué)生的參與度，正如學(xué)生所說“翻轉(zhuǎn)課堂促進(jìn)了他們對問題的探索和思考，鍛煉了他們的交流表達(dá)能力和創(chuàng)新思維”。最受歡迎的是朋輩教學(xué)，相較于與老師之間交流，學(xué)生更愿意與同輩交流，這種教學(xué)方法可以使教的和被教的都受益。我校的基礎(chǔ)化學(xué)實驗室，與大多數(shù)高校一樣建設(shè)非常完善，儀器和試劑都充足，完全可以實現(xiàn)單人單組實驗。但在教學(xué)過程中，我們發(fā)現(xiàn)學(xué)生缺乏合作精神，常常以自我為中心，為培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊合作能力，我們抽取3個實驗進(jìn)行小組實驗，通常是2～3人為一組，小組成員通過協(xié)商確定自己的任務(wù)，合力完成實驗，實驗數(shù)據(jù)共享，在實驗過程中學(xué)生基本都能進(jìn)行積極交流，付起自己的責(zé)任，協(xié)助其他小組成員完成整個實驗。

3 改革教學(xué)內(nèi)容，適應(yīng)時代發(fā)展

無機(jī)及分析化學(xué)實驗屬于基礎(chǔ)實驗，有些實驗內(nèi)容成熟但偏陳舊，與學(xué)科前沿脫節(jié)，與現(xiàn)實生活聯(lián)系小。為讓學(xué)生了解學(xué)科前沿和實驗方法實用性，我們對部分實驗內(nèi)容了進(jìn)行了改進(jìn)。

3.1 增加安全教育環(huán)節(jié)，增強(qiáng)學(xué)生安全意識

實驗室安全關(guān)系到每個學(xué)生的人身安全，教育部每年都會部署高校實驗室安全檢查專項行動。為切實做好學(xué)生的實驗室安全教育工作，增強(qiáng)學(xué)生安全意識，我們增加了實驗安全教育環(huán)節(jié)，要求學(xué)生在第一次進(jìn)入實驗室之前，必須通過學(xué)校開發(fā)的實驗室安全考試系統(tǒng)，如圖2所示。在線完成安全知識、安全手冊、安全標(biāo)示和安全視頻的學(xué)習(xí)，通過安全考試，成績95分以上才準(zhǔn)許進(jìn)入實驗室上課。進(jìn)入實驗室后，指導(dǎo)教師也會現(xiàn)場演示實驗服、滅火器、滅火毯、防毒面具、全身淋洗器、洗眼器、醫(yī)用急救箱和通風(fēng)櫥的使用方法，并組織學(xué)生進(jìn)行疏散演練，防患于未然，保證學(xué)生的實驗安全。

圖2 實驗室安全教育平臺

3.2 改進(jìn)三草酸合鐵(III)酸鉀的制備和組成分析實驗的內(nèi)容，與學(xué)科前沿接軌

三草酸合鐵(III)酸鉀的制備和組成分析實驗是經(jīng)典的無機(jī)化學(xué)實驗。三草酸合鐵(III)酸鉀合成方法有多種，其中以硫酸亞鐵銨為原料的反應(yīng)均需要用雙氧水作為氧化劑[1]，將Fe(II)氧化為Fe(III)。雙氧水現(xiàn)在屬于易制毒化學(xué)試劑，其購買和儲存受到限制，為避免使用雙氧水我們將硫酸亞鐵換成硫酸鐵銨。其次為減少空氣污染，我們將易揮發(fā)具有刺激性氣味的沉淀劑氨水換成了KOH，改進(jìn)后的合成反應(yīng)如式(1)-(3)。

+NH3+2K2SO4+H2O

(1)

(2)

(3)

首先利用硫酸鐵銨與氫氧化鉀的反應(yīng)得到氫氧化鐵，然后與氫氧化鉀和草酸反應(yīng)得到的草酸氫鉀反應(yīng)，得到三草酸合鐵(III)酸鉀。合成流程圖如圖3所示。改進(jìn)后學(xué)生報告的合成產(chǎn)率為30%～60%，與未改進(jìn)前，沒有顯著差別，說明對合成的改進(jìn)是成功的。

圖3 改進(jìn)后三草酸合鐵(III)酸鉀的合成流程圖

除了實驗步驟的改進(jìn)，我們對產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)表征也做了改進(jìn)，原先化合物的結(jié)構(gòu)表征是首先通過定性實驗確定配合物的內(nèi)外界，再利用高猛酸鉀氧化還原滴定法確定化學(xué)式?？紤]到現(xiàn)在對于能得到單晶的配合物的結(jié)構(gòu)普遍是通過元素分析和X-射線單晶衍射技術(shù)進(jìn)行確定，為讓學(xué)生的認(rèn)知與學(xué)科前沿接軌，我們增加了元素分析和單晶結(jié)構(gòu)分析的內(nèi)容。通過測試的進(jìn)行學(xué)生明白了元素分析測試有哪些模式，明白了怎樣的數(shù)據(jù)才是合格的，知道了如何挑選適合X-射線單晶衍射實驗的單晶樣品，掌握了利用Diamond軟件繪制晶體結(jié)構(gòu)圖和分析結(jié)構(gòu)的方法。當(dāng)立體結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)在學(xué)生面前時，學(xué)生表現(xiàn)的非常興奮，直觀認(rèn)識了中心離子Fe(III)是如何與草酸根配位，形成八面體形結(jié)構(gòu)的。本實驗的改進(jìn)，不僅促進(jìn)了學(xué)生對對理論知識的掌握，也加深了他們對學(xué)科前沿的認(rèn)知。

3.3 改進(jìn)水硬度的測試實驗，使其更接近生活

水硬度，指水中Ca2+、Mg2+離子的含量。在我國水硬度表示方法通常有兩種，一種是以碳酸鈣含量計，單位是mg/L；另一種的單位是度，即 1 L 水中鈣鎂含量相當(dāng)于 10 mg CaO為1度。長期飲用高硬度的水，會引起心血管、神經(jīng)、泌尿造血等系統(tǒng)的病變。因此我國的《生活用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，飲用水的總硬度不超過 450 mg/L(即8度)[6]，世界衛(wèi)生組織推薦最佳飲用水硬度是 170 mg/L。水的總硬度測試實驗是經(jīng)典的分析化學(xué)實驗，測定對象是自來水。但現(xiàn)在學(xué)生們卻很少有人飲用自來水，他們飲用的可能是礦泉水、桶裝水、直飲水或直接取的泉水，自來水主要用于洗滌。為更貼近學(xué)生的生活，我們對實驗水源進(jìn)行了改進(jìn)，要求學(xué)生以宿舍為單位取水，水源不限。這樣的改進(jìn)把測試權(quán)交到了學(xué)生自己手中。事實證明，學(xué)生的主動性被充分調(diào)動起來，大家取的水有飲用水、也有湖水和泉水。表3中是部分學(xué)生的測試結(jié)果。濟(jì)南是著名的泉城，擁有72名泉，在有自來水之前，居民一直飲用泉水，即使現(xiàn)在，也有很多居民喜歡飲用泉水。學(xué)生測試用泉水均來自居民飲用水取水點，從測試看，泉水的硬度普遍高于自來水，但在飲用水國家標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)，單就硬度來看，是可以飲用的。這樣的改進(jìn)，既增加了實驗的趣味性，又增加其實用性，受到學(xué)生的積極響應(yīng)。

表3 學(xué)生測得的部分水硬度(以CaCO3計，mg/L)

4 結(jié)語

為適應(yīng)時代的發(fā)展，保證學(xué)生學(xué)習(xí)的主體地位和教師的主導(dǎo)地位，以及課程的學(xué)習(xí)效果，我們對無機(jī)及分析實驗教學(xué)進(jìn)行了多方位改革，建立了線上線下結(jié)合的混合式教學(xué)模式。根據(jù)教學(xué)內(nèi)容特點，采用了BOPPPS、翻轉(zhuǎn)課堂、朋輩教學(xué)和小組合作四種不同的教學(xué)方法，教學(xué)內(nèi)容中增加了安全教育環(huán)節(jié)、改進(jìn)了部分實驗內(nèi)容，增強(qiáng)了實驗的科學(xué)性和實用性，取得良好的教學(xué)效果。