分析化學實驗智慧教學模式設計與應用

王秀云，宿艷，張永策，潘玉珍

大連理工大學化工學院，遼寧 大連 116024

1 分析化學實驗實施智慧教學模式的必要性

實驗教學是高等院校教學體系的一個重要環節，對于培養學生創新思維、拓展學生知識儲備、培養學生實踐能力及科學素質具有不可估量的作用。分析化學實驗是高等院校化學、化工、環境、生命類等專業的基礎實驗課程，授課的核心目標是使學生掌握基本操作技能，具備獲取知識的能力、分析問題的能力、解決問題的能力、實踐應用的能力及科研實驗的能力，因此對于學生發展創新思維，實現知識的內化與遷移具有舉足輕重的作用[1]。但是分析化學實驗教學卻面臨著新的分析方法不斷涌現與授課學時不斷縮減的矛盾，以及學生化學知識基礎參差不齊與教師對學生學情難以準確掌握的矛盾，導致在傳統的授課模式中教師疲于知識的傳授，無暇顧及學生的個體差異和個性化需求，而學生忙于機械照搬，“照方抓藥”，無暇進行思考探究，對實驗方案的設計不甚了解，無法實現對學生的創新思維能力、分析問題能力和解決實際問題能力的培養，難以達到新時代對創新型人才培養的要求。因此，在新的歷史時代背景下，高校實驗教學如何主動應時而變，轉變教育理念，滿足新時代創新型人才培養需求是實驗教學改革亟需解決的關鍵問題[2,3]。

智慧教學(intelligent teaching)是一種基于動態學習數據分析和“云平臺、互聯網和智能終端”等信息技術的教學模式，以滿足學習者的學習需要、激發學習者的創新潛能為目標，尊重學生的個體差異和個性化需求，其核心教育理念是“以學生為中心”，其技術特點是“教學決策數據化、學情診斷精準化、學習服務個性化、評價反饋即時化、交流互動立體化、資源推送智能化”[4]。智慧教學堅持信息技術與教育教學深度融合，對于轉變教育理念、推動高等教育內涵式發展、提高人才培養質量具有深遠意義[5]。因此，具有智能化、信息化特點的智慧教學是實現高校實驗教學改革跨越式發展的必然選擇。

基于信息技術的智慧教學對高等教育產生了深刻影響，在教學資源、教學方式、教學環境、學習方式等方面都為教學改革提供了改革途徑[6–8]。目前智慧教學模式在理論課的教學中應用較為廣泛，在實驗類課程中的應用主要為實驗資源的數字化、實驗管理或實驗操作的虛擬仿真方面[9,10]，對實驗教學全過程實施智慧教學的應用鮮有報道。對分析化學實驗課程實施智慧教學模式可為化學實驗類課程的教學改革提供一種新的思路。

2 分析化學實驗實施智慧教學模式的基礎

目前高校對智慧教學的研究還處于探索討論階段，尤其是在實驗教學中的創新應用還鮮有研究。究其原因，主要體現在以下兩個方面：其一，受多種因素制約，目前國內實驗教學信息化程度普遍比較落后。雖然近年來“雨課堂”等教學助手受到廣泛好評，但由于設計著眼點是理論教學，因此不具備實施實驗課程智慧教學的細節需求功能(如即時操作評價、電子報告等)，國內也尚無可支撐實驗智慧教學的平臺；其二，缺乏支撐實驗智慧教學實施的精品資源，無法實現課前內容導學這個關鍵教學環節。盡管中國大學慕課平臺上有幾門分析化學實驗或化學實驗慕課，但各慕課內容不盡相同，有些實驗內容缺乏線上教學資源。

作為首批國家級實驗教學示范中心，大連理工大學基礎化學實驗中心主動適應信息化、人工智能等新技術變革，教學團隊自主研發了移動端(手機、平板、電腦)智慧實驗教學平臺(微信公眾號moolsnet)，該平臺具有“在線預習–虛擬實驗–在線測試–實時操作評價–電子報告–教學數據反饋互動”六大模塊，集多元資源、高效教學、智能管理、學情分析和動態督學功能于一體，可為實驗智慧教學模式的實施提供載體支撐，可解決智慧教學無平臺的問題[11]。同時，中國大學慕課網上有我校的分析化學實驗慕課，該慕課具有微視頻、虛擬實驗、實驗操作演示、動畫、課件、題庫等多形態呈現的學習資源，可為智慧教學模式的實施提供資源支撐，解決智慧教學資源不足問題。因此，基于智慧教學平臺提供的載體支撐和精品數字化實驗慕課提供的教學資源支撐，本研究針對分析化學實驗課程進行了教學改革實踐，探索了智慧教學模式在分析化學實驗課程中的應用，以期扭轉實驗教學中“照方抓藥”思考不足的現象，提高分析化學實驗教學質量，助力“新工科”背景下的人才培養，為實驗課程的智慧教學提供實踐參考。

3 分析化學實驗實施智慧教學模式的設計與實踐探索

本研究提出的分析化學實驗智慧教學模式設計旨在實施個性化、互動化、智慧化的分析化學實驗教學，使學生學會學習、學會思考、學會創新。本設計以“注重能力、引導創新”為基本原則，以“以學生為中心”為核心理念，以“實時動態、全過程、多元化學習評價”為顯著特點，將信息技術與教育教學深度融合，從教學流程、教學內容、教學方式方法、考核評估等層面進行改革。教學流程模式層面，建立“以學生為中心”的教學循環優化體系，扭轉實驗教學中存在的授課學時不足、學生“照方抓藥”無暇思考探究的現象，基于智慧平臺數據信息功能實施個性化指導，實施因材施教。教學內容層面，增加研究性、創新性和綜合性的內容，注重具備“創新性”“高階性”和“挑戰度”的知識學習，培養學生深度思維、勇于創新的能力和精神。教學方式方法層面，融合多元教學方法，綜合運用各種學習資源激發學習興趣，變機械學習為主動探究，激發學生思考與創新欲望，培養學生“尋方制藥”的能力，提升知識的內化。學習考核評估層面，改變唯實驗報告結果的考評方法，建立多層次考核評估指標體系和考核方法，對實驗教學全過程的信息進行綜合分析評價，從多環節、多維度考查學生的學習投入、學習成果和差異化能力，促進學生自主學習，提升學習內驅力，具體舉措如下。

3.1 創新教學模式，建構循環優化的智慧教學流程

通過移動端智慧教學平臺的智能評價體系，將實驗教學推向全面信息化和智能化，建立一種“課前導學–學情分析–設計教學內容–隨堂測試–課中實時評價–個性化指導–課后電子報告–大數據分析–教學反思–導學內容再設計”的循環優化的智慧教學流程，達成培養學生科研、探究、實踐、創新、思辨等能力的培養(圖1)。課前，教師利用多元融合的數字學習資源引導學生進行課前自學。學生通過微視頻、虛擬實驗、動畫、課件、自測題等多形態呈現的教學資源，進行實驗內容的高效學習，掌握實驗方法步驟，完成知識傳遞過程。教師依據智慧教學平臺提供的學生學習情況和學習難點分析設計課中教學內容。課中，通過隨堂測試功能實時考核，即時掌握每一個學生的學習難點，對學生進行因材施教，開展個性化教學指導。指導包括實驗理論和規范操作兩個方面。智慧教學平臺提供的學習數據的實時動態分析結果，可以掌握每一個學生的學習情況和學習難點，因此，可以實施精準個性化指導，實現高效教學。同時，通過探究、點撥、解析等培養學生“尋方制藥”的創新能力，實現知識的內化和能力的提升。課后，學生通過開放實驗開展實踐應用活動，進行知識的延伸和情感的升華。最后學生完成電子報告，教師線上發布測評考核，并通過實驗教學數據的挖掘與分析，設計教學資源，提升學習效果，實現教學設計的全過程循環優化。

圖1 循環優化的智慧教學流程

3.2 創新教學內容，增加探究性、創新性和前沿性內容，豐富課程內涵

由于知識的傳遞過程在課前通過學生的自主學習已經完成，因此，課上的教學活動主要以培養學生探究能力和創新能力的頭腦風暴教學活動和操作技能練習為主。課上授課內容變實驗講解為實驗探究，深入分析實驗參數、實驗條件對實驗結果的影響，探討實驗改進的路線和方法，并將相關的學科前沿和科研熱點引入課堂，拓展學生的科研視野，培養學生的創新思維能力和科學研究能力。通過線上線下混合教學的融合，使教學由知識傳授轉變為傳授思考問題、分析問題、解決問題的方法。同時，注重課程思政，通過學科前沿滲透使分析化學教育富有生命力、感染力和時代感，在培養學生科學素養的同時激發學生的學習熱情，使學生獲得熱愛化學、崇尚科學的情感和價值觀，實現課程育人的目標。

以水硬度測定實驗為案例，具體授課方法如下。首先由“水土不服什么原因？”引入討論課題，以水硬度測定展開配位滴定應用討論，由淺入深，首先探討自來水硬度檢測的方法，探究檢測條件：為什么選緩沖溶液？為什么調控pH為10？為什么選用鉻黑T指示劑？為何一滴？為什么顏色突變可指示滴定終點？如何進行鈣硬度和鎂硬度的分別測定？測定條件如何改變？如果鈣硬度測定時沒有鈣試劑，如何利用鉻黑T指示劑指示終點？通過這一系列問題的探討，實現對基本理論的透徹理解。在此基礎上，將探討進階，開展山泉水未知水樣硬度檢測方法的討論，布置任務，讓學生思考泉水中常見的干擾離子有哪些？如何掩蔽？然后將學科前沿引入，提出更具挑戰性的問題：鼠腦中的鈣鎂離子含量該如何檢測？介紹鈣鎂離子活體檢測的方法[12]。通過這一系列的探討，讓學生學會如何超越和發現，培養學生“尋方制藥”的創新能力，使學生獲得更高層次思考問題和邏輯推理能力的培養。

3.3 創新教學方式方法，實施多種教學舉措，促進自主學習，達成能力培養目標

為了調動和激發學生學習的興趣，我們針對不同教學內容采用虛擬實驗、實踐探索、課堂演示、線上自學、視頻觀摩、基于問題的學習(PBL)、情景教學、隨堂測試和任務驅動等多元教學方法，具體做法如下。將“一學就會，一看就懂”的操作內容及實驗原理讓學生通過線上原理講解微視頻、實驗操作演示微視頻和虛擬實驗進行課前自主學習，將知識的傳遞在課前完成。慕課平臺上的講解視頻及課件，以及移動智慧教學平臺的實驗講義，細致深入地講解了實驗內容、實驗方案和實驗原理，學生通過自主學習可在課前掌握實驗設計方案。實驗操作演示微視頻具有可視化、形象化和直觀化的特點，學生能夠輕松完成技能操作的學習，學習效率很高。為了強化技能操作學習的效果，使學生掌握實驗方法和步驟，我們安排了課前虛擬實驗環節，讓學生通過虛擬的環境完成操作學習。為了促進學生的學習，在課上會進行隨堂測試，考查學生理論學習和技能操作學習的效果。線上自學環節一方面能夠培養學生自學能力，形成終身學習意識，另一方面可以培養學生基于信息解決問題的能力，使學生具備信息素養。

為了讓學生達到認知高級過程的教學目標，采取“翻轉課堂”教學方法，根據教學的難點和重點，以及學生提出的普遍問題設計課堂討論提綱，組織課堂討論，通過思考、討論、探究、分析、思辨、交流等活動，使知識內化[13]。根據學生表現出的認知缺陷靈活調整討論內容和進度，并進行適當講解，適時穿插介紹本學科的前沿，進一步拓展學生的知識面，激發學生的學習熱情和崇尚科學的情感。“讓學生學會思考比讓學生學會知識更重要”，因此在混合式課堂上，通過精心設計，引導學生主動參與學習，讓學生切身體會到在知識爆炸的時代，要具有通過自主學習而獲得新知識的能力，要學會如何超越和發現，從而實現對基本理論的透徹理解。在這個過程中，引入PBL教學方法，通過一系列的問題引發學生思考和探究。為了激發學生學習興趣，創設與生活密切相關的情境，適當引入科研前沿，使學生感受到“學有所用”，激發專業自豪感。同時，關注學科前沿，鍛煉批判性思維能力，提升對自我和學習的認知，使學生獲得更高層次思考問題和邏輯推理能力的培養。這些轉變學生由被動學習到主動學習的教學舉措，使師生之間能夠進行多維互動，可營造和諧師生關系，從而進一步提升了學生學習的內驅力，促進了學生的自主學習。

3.4 創新教學考評方法，管理教學全過程

擴大對學生評價的時間跨度，改變唯實驗報告結果的考評方法，建立多層次考核評估指標體系和考核方法，將評價延伸到整個學習過程，多維度考查學生的學習投入和學習成果，增加對學生學習過程的管理和要求，進行全方位教學跟蹤，將過程評價與終期評價相結合，引導學生改變學習觀。因此，采用移動實驗教學平臺對學生各個環節的學習過程都進行實時評價，并納入考核成績，以鼓勵學生自主學習，深入思考問題，提高思維能力。具體考評方法為：網上自學(10%)、實驗操作(40%)、虛擬實驗(5%)、電子報告(40%)，及創新思維探究(5%)。這種引導學生激發其內在動力自主學習及主動思考的學業評價模式，突出了過程評價與終期評價相結合的特點，與多元教學模式相得益彰。

3.5 實施效果

分析化學實驗實施智慧教學模式后學生的探究意識和探究興趣增強了。以2018級學生為例，30人的試點班中有24人次(80%)參加了開放實驗，并且還自帶了一些樣品，探究實際樣品的檢測方法。而其他班級參加開放實驗的人數比例不超20%。尤為值得一提的是，試點班有一名學生去緬甸旅游，發現當地居民飲用水渾濁，便采樣回來進行檢測。學生在結課一年后尚能在游玩中想到檢測水樣，表明學生形成了較強的探究意識。

4 結語

基于移動端智慧教學平臺開展的分析化學實驗教學改革，將信息技術與教育教學深度融合，將“以學生為中心”的理念貫穿于整個教學過程。通過信息化、智能化教學模式，提高學生自主學習的效率和信息素養，激發了學生的學習內驅力，有效提高了課堂的熱烈度、精彩度、達成度和學生的參與度、專注度。本研究探索的智慧教學模式設計，使教學突破了時間、空間和內容的限制，強化了知識的內化與延伸，注重知識轉化能力的提高，實現了個性化和互動化的教學效果。由于本研究應用的智慧教學平臺可在微信公眾號免費下載，且可根據需要自行編輯模塊內容，線上學習資源既可以依托中國大學慕課平臺，也可在該平臺自行發布，因此，本研究提出的智慧教學模式具有可推廣性。當然，構建的分析化學實驗智慧教學模式還需要經過教學推廣驗證，進行深入研究與實踐，并逐步改進和完善。