微課模式在“無機及分析化學實驗”中的實踐

苑立博 胡樂乾 李 波 謝文磊

(河南工業大學 化學化工學院,河南 鄭州 450001)

“無機及分析化學實驗”是一門新興實驗室課程,區別于傳統“無機化學實驗”和“分析化學實驗”課程,此課程涉及“無機化學實驗”和“分析化學實驗”相關實驗的整合,綜合性較強[1,2]。以我校為例,“無機及分析化學實驗”是我校工科類專業,如材料工程、環境工程、制藥工程和化學工程與工藝等專業的基礎化學實驗課程,也是本科生的第一門實驗課程,是驗證無機及分析化學理論知識與技術的專門實驗課程。期望學生通過該實驗課程的學習,能夠掌握基本的化學實驗操作技能,掌握常見無機化合物的制備、分離、定性及定量分析方法,同時加深對化學基本原理和基礎知識的理解和掌握,養成良好的實驗習慣,樹立實事求是、嚴謹務實的科學作風,為學生進一步學習后續實驗課程和培養初步的科研能力打下基礎,該課程是高校培養應用型工科人才的重要實踐教學環節。隨著工程教育專業認證的程度不斷加深,越來越多的學校將“無機化學實驗”和“分析化學實驗”合并為“無機及分析化學實驗”,但隨之而來的問題是實驗內容的簡單合并,沒有合適的教材,造成授課內容不能與時俱進、學生缺乏興趣等問題,致使該門實驗課程無法取得應有的教學效果。作者長期從事“無機化學實驗”“分析化學實驗”的教學工作,在實驗課程的教學管理工作中積累了一些關于此類實驗課程的體會和認識,現針對該課程中的一些實踐及應用問題進行探討。

1 “無機及分析化學實驗”課程教學目前存在的問題

“無機及分析化學實驗”主要面向非化學專業的工科本科生,是他們的第一門化學實驗課程,一般在第一學期開設,是“無機化學實驗”和“分析化學實驗”內容的有機融合,目的是使相關專業的學生掌握基礎的化學技能,能夠利用相應的化學實驗技能去解決和本專業相關的化學問題,培養基本的化學實驗能力[3,4]。目前該門實驗課程的受眾面非常廣泛,幾乎所有與化學相關的工科專業都要開設,因此如何把該門課程的基礎知識、實驗技能和前沿動態傳遞給新一代的大學生,具有重要的現實意義。

但目前“無機及分析化學實驗”的教學過程中仍然存在一些問題。主要表現為以下幾個方面:(1)實驗內容學習難度較大。由于“無機及分析化學實驗”課程是此類專業本科階段的第一門化學實驗課程,學生在高中階段基本沒有受過專門的化學實驗訓練,且此門課程涉及的知識面較廣,實驗內容多且綜合性較強,同時又需要將實驗內容和理論課程對應的知識點聯系在一起,在課時與實驗條件均受到限制的條件下,學習難度較大。(2)實驗授課方式僵化?；瘜W的飛速發展為我們提出了大量需要實驗來解決的全新科學問題,但目前的實驗內容所包含的重復型、驗證型實驗過多,實際應用型實驗及拓展型實驗較少。同時受到傳統教學方式的影響,“無機及分析化學實驗”所涵蓋的實驗內容多數是理論課講授知識點的實驗驗證,現行的授課模式多為學生實驗前預習、教師講授實驗原理與演示實驗規范操作、學生獨立或分組完成預定實驗、學生撰寫實驗報告與教師評估等,其間學生實驗中所遇到的問題和所能得出的實驗結果往往都有確定答案,學生在做實驗之前已經預知了實驗結果,導致缺乏實驗興趣和深度思考,難以達到培養學生利用實驗技能解決化學相關問題的能力。(3)缺乏現代教學觀的考核方式。目前我?！盁o機及分析化學實驗”課程仍采取兩人一組的實驗方式,成績大部分取決于實驗報告的書寫,對于學生實驗過程中的考察無法直觀的體現,成績并不能完全體現學生的實驗能力。這種較為單一的評價方式造成了教師評價學生的實驗效果時受到了一定的限制,無法達到以學生的“學”為導向的現代教學觀。(4)實驗室安全教育無法充分保證。實驗室安全教育是實驗室安全管理的重要內容之一,是保障高校實驗室安全的重要措施和關鍵所在。由于“無機及分析化學實驗”大多數學校在第一學期開課,學生在此之前沒有進入實驗室開展化學實驗的經歷,對實驗室的安全操作規范及安全設備沒有直觀的認識。教師在第一次授課時往往采用傳統的授課模式講述實驗室安全要求及安全設備,缺乏直觀的演示,學生理解不深,容易產生安全隱患。

2 微課模式在“無機及分析化學實驗”課程中的應用

針對實驗課程出現的問題,微課的應用對解決這些問題提供了一些新的思路。微課的學時較短,一般不超過10分鐘,學生可以充分利用碎片化時間進行學習[5]。同時教學知識點較少,主題突出、重點突出、形式簡化,便于利用現代信息化手段進行傳播[6]。微課的核心即課堂教學視頻,對于實驗課程來說,主要是指關鍵實驗步驟的演示。

作者在“無機化學實驗”“分析化學實驗”的教學過程中對相應的實驗教材進行了比較、歸納與總結,針對“無機及分析化學實驗”課程的特點及出現的問題,重新編排了課程內容,制定了相應實驗課程的教學執行大綱,組織教研室老師錄制了實驗內容,并編寫了新版的實驗課程教材[7],將相應實驗素材放在超星學習通中供學生提前預習,同時以微課二維碼的形式插入到新版實驗教材中,為教學實踐改革奠定了良好的基礎。

2.1 梳理課程內容,構建“無機及分析化學實驗”課程新體系

“無機及分析化學實驗”不僅僅是“無機化學實驗”和“分析化學實驗”的簡單合并,還同時涉及兩門實驗課程的交叉融合。因此作者對相應實驗內容進行了重新梳理,選取了比較具有代表性的實驗,現就典型的代表性實驗加以說明:(1)氯化鈉的提純及純度分析。此實驗通常作為無機化學的入門實驗,要求學生掌握玻璃儀器的用途及使用方法、玻璃儀器的洗滌、常壓過濾、減壓過濾、蒸發濃縮等常規基本操作,在“無機及分析化學實驗”實際教學過程中引入了純度分析等初級化學分析的手段和方法,同時鍛煉了學生無機化學實驗和分析化學實驗的基本操作,為后續的實驗打好基礎。(2)三草酸合鐵(Ⅲ)酸鉀的合成及組成分析。此實驗為綜合類實驗,前期采用間接法,以硫酸亞鐵銨為原料合成三草酸合鐵(Ⅲ)酸鉀。對學生的基本操作尤其是如何在控溫條件下滴加過氧化氫溶液的操作要求比較嚴格,同時在前期合成三草酸合鐵(Ⅲ)酸鉀的基礎上,直接引入氧化還原滴定法,利用高錳酸鉀的滴定反應,測定所得產品中草酸根離子和鐵離子的含量,分析所得產品的含量。此實驗既訓練了學生無機化學實驗的基本操作,又訓練了學生氧化還原滴定的基本操作及實際產品測定中的數據處理能力,是“無機化學實驗”與“分析化學實驗”的有機結合。(3)食用醋酸含量的測定。我校長期致力于糧食產品加工領域的基礎理論及工程技術研究,食品科學與工程專業為我校特色專業,很多學生畢業后從事食品生產、加工等行業。因此在實驗教學環節中,將食品和化學結合起來,增加了食用醋酸含量的測定這個實驗,在學生前期學習過氫氧化鈉、鹽酸等化學品的酸堿滴定后,訓練學生酸堿滴定法在食品行業中的實際應用,既保留了化學分析的本質,又與我校優勢特色學科相結合,吸引了學生的學習興趣,獲得了較好的實驗效果。(4)可溶性硫酸鹽總量的離子交換法測定?；瘜W分析中的滴定分析在以往的教學中往往是教師準備好相應的溶液,學生進行滴定練習,對樣品的前處理涉及較少,不利于學生后期實驗能力的培養。此實驗引入了科研、實際樣品處理中經常使用的離子交換色譜法處理樣品,將通過陰離子樹脂交換得到的含有氫離子的溶液收集,再用事先標定的氫氧化鈉標準溶液進行滴定,從而計算出溶液中所含的硫酸根離子濃度。此實驗既鍛煉了同學們柱層析的實際操作,又和酸堿滴定融合在一起,同時訓練了處理實際樣品數據的能力。(5)微量鎳的萃取與分離測定。無機化學的理論課程通常都會講授利用丁二酮肟和鎳離子生成鮮紅色配合物的方法鑒定鎳離子,但對于復雜樣品中存在干擾離子情況下鎳離子的鑒定和分離往往涉及較少。此實驗利用不同pH值對丁二酮肟鎳配合物的影響,通過調節pH值的方法對鎳離子進行富集和萃取,最后通過分光光度法測定微量鎳離子的含量,使學生初步了解復雜物質分離、分析的常見操作,標準曲線的繪制以及常見分析儀器的使用。通過對實驗內容的梳理,調整老舊并且與實際應用脫節的實驗,引入和無機及分析化學理論知識密切相關且具有一定實際應用價值的代表性實驗,降低了實驗課程的學習難度,同時提高了學生處理實際問題的能力。

2.2 積極引入微課,合理利用碎片化時間

如何合理地利用學生的碎片化時間,使理論課所學內容和實驗課程結合,培養學生的實驗能力及創新能力,是目前實驗課程教學的一個難點。微課是一類區別于傳統單一資源類型的教學課例、教學課件的新型教學資源,對于實驗課來說,微課可視化程度較強,內容直觀,有利于激發學生的學習興趣,提高實驗課程學習的積極主動性。為了充分利用微課的這些優點,作者組織教研室相應老師錄制了實驗的微課視頻。以配位滴定法測定水的硬度為例,首先,通過PPT講解了配位滴定的實驗原理、配位滴定指示劑變色的原理、為什么使用固體指示劑、固體指示劑的使用量、測定水中鈣離子、鎂離子的原理及方法、最終的數據處理等。其次,錄制配位滴定法測定水的硬度的實驗視頻,通過實驗視頻講解配位滴定的基本操作、注意事項及典型實驗現象演示,供同學們在課前預習。最后,將錄制的視頻通過二維碼的形式插入到教科書中,學生掃描后即可隨時隨地觀看實驗視頻,不受時間和地點的限制,最大程度地合理化利用碎片時間。通過微課這種“短視頻”的形式,教師可以極大地豐富教學資源與教學手段,學生也可以充分利用碎片時間,讓學生可以對實驗進行深度思考,提高學生的學習興趣,真正達到培養學生利用實驗技能解決問題的能力。同時微課的“短視頻”模式中極其豐富的視頻資源可以將虛擬實驗室引入到學生腦海中,學生在進入實驗之前就可以對未接觸過的實驗儀器和實驗操作有比較充分的了解,很大程度上解決了實驗室的安全隱患問題。

2.3 多元化評價學生學習效果

為考核學生實驗的操作能力及綜合利用所學化學知識,解決本專業實際問題的能力,作者嘗試將以往的考核方法進行優化,由以往重實驗報告的考核模式向過程考核模式過渡。以“無機及分析化學實驗”課程為例,最后的總成績包括課前實驗預習成績、實驗過程成績、實驗結果成績、考核實驗成績。(1)課前實驗預習成績:在課程開始前,由授課老師將相應課程的微課視頻、知識點、測驗題目導入到學習通平臺中,要求學生在相應實驗開始之前完成預習內容,根據視頻的完成度及測試題目的完成情況由系統直接給出相應的分數。通過這樣的模式,授課教師可以及時掌握學生對實驗內容的掌握情況,同時根據發現的問題可以有針對性地調整授課內容。(2)實驗過程成績:根據實驗完成情況給出相應的成績,包括但不限于產品的質量、純度;移液、滴定操作的規范性;分析天平的使用;試劑取用的規范性;廢液的回收;實驗的安全防護、實驗記錄等。(3)實驗結果成績:主要考查學生實驗報告書寫的規范程度及數據處理。包括產品的產率計算、有效數字的保留、偏差的計算、工作曲線的繪制等。(4)考核實驗成績:選取比較有代表性的實驗,單人單組完成。此項內容完整地考察了整個無機及分析實驗的全過程,包括是否有數據記錄本、分析天平稱取樣品操作是否規范、讀數時天平門是否關閉、稱量瓶是否放在托盤中間、稱完天平盤上是否有藥品、稱量是否超時、定量轉移操作是否正確、容量瓶定容是否超刻度、容量瓶是否搖勻、移液時是否潤洗移液管、是否大拇指堵移液管口、移放液操作是否規范、是否按順序加試劑、是否浪費試劑、滴定時滴定操作是否規范、是否滴定過量或不到終點、滴定管有無氣泡或漏水、記錄與讀數是否一致、實驗結果的準確度及精密度、實驗報告格式及相關數據表格是否規范、有無缺項,實驗數據計算及有效數字表達是否正確、有無涂改數據行為等。通過分類細化考核學生實驗的過程,能更加直觀地反映學生對無機及分析化學實驗基本操作的掌握情況,評判更加合理。以我校應用化學專業21級某班為例,引入過程化考核后,學習通中視頻資源所占的比例超過50%,明顯提高了學生進行實驗學習的吸引力,學生對微課視頻的平均觀看時長145分鐘(圖1),學生成績優秀比例上升9個百分點,實驗技能及實驗興趣有了明顯的提高。通過多元化的考核方式,從多角度考查學生的實驗能力與分析解決問題的能力,更能體現以學生的“學”為導向的現代教學觀。

圖1 學習通中各種資源的比例及學生觀看時長

2.4 鼓勵教學與科研相結合

教書育人離不開科研平臺的支持,很多同學參與教師科研項目的興趣很高,但是由于學校提供的科研平臺有限,某種程度上打擊了學生后期參與化學相關實驗的積極性。因此如何使教學和科研有效的結合,培養學生探索式的學習能力對于培養專業化學人才具有重要的意義。在“無機及分析化學實驗”的基礎上,鼓勵學生在教師的指導下查閱相關文獻,尋找和本專業相關的化學研究前沿熱點問題,通過基本的化學實驗手段,設計相關實驗,以提高學生對化學實驗的興趣,培養學生的創新能力和科研探索能力。通過參與教師的科研項目,打破傳統按照實驗步驟照本宣科的驗證式實驗模式,開展了一部分探索式實驗,鼓勵學生參與業余科研,使學生在相關的實驗中初步掌握了科研實驗的基本思維和研究方法,培養了相應的科研精神,也更加符合“科教融合”的現代教育觀。經過一學期的試點,以我?；瘜W專業為例,大二時接近一半的同學主動進入教師科研實驗室開展業余科研,取得了較好的效果。

3 總結與展望

在互聯網時代,如何利用學生的碎片化時間進行學習,是現代教師需要思考的一個問題,而微課的出現為我們提供了新的思路。通過運用現代化的教學方式指導教學過程,使實驗教學展現出多元化、精準化和智能化,提高了學生對化學實驗的主動創造性。通過多元化的考核及評價方式,更好地評價了學生對基本實驗操作的掌握程度,以及利用基本的化學實驗手段去解決實際問題的能力,從而為后續的實驗課程和職業發展打下堅實的基礎。同時微課模式在無機及分析化學實驗中的應用,也為在類似實驗課程中的推廣提供了一些新的思路。