多維度信息化無機化學實驗的資源構建與教學實踐探索

馬驍飛，馬亞魯，高洪苓

1天津大學理學院，無機化學教學團隊，天津 300354

2化學化工國家級實驗教學示范中心(天津大學)，天津 300354

3化學化工國家級虛擬仿真實驗中心(天津大學)，天津 300354

無機化學是天津大學化工、制藥、食品、生物、應化、材料、環境、生命、藥學、化學等十余個涉化類專業的大一新生的第一門化類基礎課。每學年上下兩學期開出，受眾學生1300余人。針對學生個體間的化學基礎、理論與實驗聯系能力和實驗操作水平差異很大，以及學習元素化學重死記硬背、輕理解運用等問題，我們在無機化學理論教學環節中，注重無機化學原理內容與演示實驗相結合；元素化學內容與操作實驗及化學原理相結合。在多年的教學實踐中，無機化學教學團隊積累了豐富的實驗資源，一定程度上解決了學生個體的差異化問題，提高了教學質量和效率[1]。

無機化學課堂教學的教師也是無機化學實驗課程的指導教師，較方便地實現了課程與實驗相結合的系列教學改革。依托化學化工國家級實驗教學示范中心(天津大學)平臺，無機化學教學團隊構建了無機化學實驗的綜合性電子資源，涵蓋了課堂演示實驗的視頻和講義、在線開放的實驗視頻與講義、實驗安全教育視頻、虛擬仿真實驗的制作、測試題庫、美麗化學視頻等方面，并在教學實踐中進行了以下幾個方面的探索。

1 演示實驗資源的信息化建設與應用

課堂演示實驗是一種直觀教學活動，在我們傳統的無機化學課堂上，課堂演示是必不可少的教學環節。面對師生人身安全考慮和教學場所的環境要求，無機化學課堂演示也逐漸淡出課堂。如何將生動形象的演示實驗再現課堂，給學生直觀體驗呢？演示實驗經歷了由課堂實物演示到課下演示并制作成視頻資源的演變，由開始的 flash動畫到后來的實物實驗視頻，而且視頻的可視性逐步提高；載體由課堂演示，到移動硬盤或U盤在課堂放映，再到云平臺課堂下載后觀看。目前的演示實驗資源(如圖 1所示)可以在線課程平臺上發布，供學生課前學習。天津大學第五版的無機化學教材為新形態教材，在教材的相關內容處提供了二維碼，方便學生通過微信掃描二維碼隨時觀看演示實驗資源。演示實驗的演變過程，可謂是信息化教學發展的一個縮影。

圖1 信息化演示實驗資源的應用

我們與超星公司合作開發信息化演示實驗資源60余項，涵蓋無機化學課程各個章節，特別是原本不方便在課堂上進行的演示實驗，現在也可以實現線上演示。比如“氫、鈉、汞等原子光譜實驗”“用電磁鐵裝置定性地測定 Fe2(SO4)3和 K4[Fe(CN)6]的磁性”“用靜電起電器測定水和四氯化碳的極性”“火山爆發(重鉻酸銨加熱分解)”等演示實驗，大大擴展了演示實驗的內容。學生在學習過程中隨時可以了解與課程相關知識點對應的實驗現象，保障了課堂與實驗環節的無縫對接。同時學生可以根據個人情況自主選擇學習內容和頻次以彌補個人基礎知識上的不足。

目前，我們將演示實驗的視頻和一些礦物圖片等資源發布到中國大學MOOC平臺，與無機化學課程配套并同步，供本校師生和社會學員在線學習使用，不斷更新的演示實驗資源彌補了無機化學在線教學中缺少實驗環節的不足[2]。新形態教材也是演示實驗資源的有效載體，對資源建設與積累起到了促進作用。新冠疫情時期，由于線下實驗無法開展，這些演示實驗資源在幫助學生理解化學原理和元素、化合物性質方面發揮了更大的作用。2016年我們還積極參與“十三五”高等教育科學研究重大攻關課題——無機化學在線開放課程群的資源建設(16ZG004-13)。天津大學為無機化學在線開放課程群貢獻了22個演示實驗視頻和39張礦物圖片資源，與全國兄弟院校分享優質在線資源。

2 無機化學實驗MOOC資源建設與應用

無機化學實驗作為一門獨立課程，以無機物的驗證、測定和制備實驗為載體，訓練學生實驗基本操作和技能，培養實事求是的科學態度、良好的科學素養、科學的思維方法及綜合運用所學知識分析問題和解決問題的能力，為后續的課程和實驗教學打下良好基礎。

2.1 無機化學實驗在線課程資源的建設

我們與智慧樹合作，將化學實驗的基礎儀器操作和教學實驗內容錄制成教學視頻，將實驗原理、關鍵步驟和注意事項等進行詳細講解，共計17個信息化教學實驗項目，與線下實驗課程內容一一對應(見表1)；此外，還有3個創新實驗項目，來自于卓越杯化學新實驗設計賽的獲獎作品，作為實驗拓展資源。這些信息化實驗課程分為兩個學期在中國大學MOOC平臺上線，供學生學習使用。每個實驗內容包括：20分鐘左右的視頻講解、實驗講義、實驗課件PPT、單元測試、單元作業和期末考試(僅供社會學員使用，對于本校學生則需進行線下實驗的操作測試)等在線資源。每個視頻講解包括實驗目的、基本原理、基本操作、實驗過程、實驗現象和操作錯例等內容。表1詳細列出了天津大學在中國大學MOOC平臺所開設的“無機化學實驗 (上、下)”的實驗內容。

表1 中國大學MOOC平臺所開設的“無機化學實驗(上、下)”的實驗內容匯總

2.2 利用在線課程資源開展混合式實驗教學

混合式教學是一條有效補齊基礎知識差異、提高學生實驗技能、培養實驗素養的新途徑。2019年天津大學“無機化學實驗(上、下)”在線開放課在中國大學MOOC平臺上線，并利用慕課堂智慧教學工具在本校無機化學實驗教學中開展混合式教學模式探索。學生可以在課下重復觀看實驗內容和實驗操作微課視頻，直至理解和掌握；師生還可以在平臺上答疑解惑和討論。這種課下預習與課上實踐操作環節相結合的混合式教學模式，既可以滿足學生個性化的學習需求，又可以體現出以學生為中心的教育理念。

圖2列出了無機化學實驗混合式教學模式。先導課明確課程要求和說明平臺使用方法。學生在線學習實驗視頻，視頻中適時插入預習思考題，以備學生思考后作答。預習后在線完成單元測試(客觀題)和單元作業(主觀題)，前者系統自行批改、后者教師在線批改；每部分各占總評成績10%。學生們課前預習工作基本都能完成，并寫出規范的預習報告。指導教師通過教學平臺進行答疑，根據自學統計數據，很容易追蹤學生課下預習實驗的進度、完成情況以及存在的問題。在實驗課上，通過慕課堂智慧教學工具進行5分鐘的課前測，然后是師生互動，主要針對實驗中容易出現的問題和實驗原理與學生討論，大約25分鐘。課上完成實驗操作和實驗記錄，課后在預習報告的基礎上整理出完整實驗報告并上交，實驗報告成績占總評成績50%。期末線下考試占總評成績20%，主要考核學生綜合運用知識的能力，無機化學實驗(上)采用平衡原理綜合實驗來測試，無機化學實驗(下)采用混合離子的鑒定實驗來評價。對于單元測試、單元作業和課前測累積占總評成績30%，主要是為督促學生自主學習、過程學習、高效完成實驗預習。

圖2 無機化學實驗進行混合式教學的模式

對元素化學的驗證性實驗采用開放實驗。學生經網上通過預習，預約時間，按時到開放實驗室進行實驗?？紤]到元素化合物的多樣性，反應之間的關聯度高，鼓勵學生在教學內容之外，利用實驗室的藥品可自行設計書本上沒有的反應實驗，進行一些創新設計實驗，加深對元素化合物性能的理解。學生仍要完成線上自學過程，單元作業中體現學生的自己設計方案。

在教學實踐中，我們有意識地強化制備實驗內容，增強典型單元操作的反復訓練與掌握，學生對實驗結果有期待感和成就感。七個制備實驗分別是去離子水、硫酸亞鐵銨、三草酸合鐵(III)酸鉀、二氯化一氯五氨合鈷(III)、五水合硫酸銅、硫代硫酸鈉(理科)、磷系列化合物(理科)的制備。在線實驗視頻資源中基本覆蓋了加熱(包括水浴加熱)、溶解、傾瀉、過濾(包括減壓過濾、熱過濾)、離心、蒸發、濃縮、結晶、干燥等基本操作，有利于學生在實驗過程中進行基本實驗和單元操作的能力訓練。

2.3 教學效果

(1) 解決差異化教學難題。

由于地域差異和高考改革等因素影響，不同地區在高中階段開設化學課的情況不同，學生的化學基礎也不盡相同。學生高中的基礎和實驗操作基本情況差別很大，從實驗進度就可以明顯得到體現，比如：去離子水制備實驗(4學時)，有的學生2個學時就能完成所有實驗任務，而有的學生2個學時勉強把陽柱、陰柱和混合柱安裝連接完成。在線實驗課程資源的建立，學生可以根據自己基礎知識和理解能力進行自主學習，解決了差異化實驗教學難題。

(2) 提升預習效果和課堂效率。

重復性的實驗操作演示由線下搬到線上，由課上遷移到課前，由課本的文字變成了鮮活的視頻，而且學生有時間消化理解或者反復學習，實驗的預習效果和效率大大提升。實驗課上，節約的講解時間轉化為互動討論，提高了學生對實驗的理解、與知識點的結合以及自己設計實驗方案的實踐。指導教師將實驗重點或難點設計成思考題，讓學生就問題展開討論，強化實驗內容的認識和理解。

(3) 學生能力提升。

觀看視頻預習、課堂展開討論以及考核評價體現出學生參與教學活動的積極性、自主學習能力、完成實驗操作的水平、實驗創新與交流表達的能力都得到顯著提高。

3 實驗室安全信息化資源建設與應用

化學是以實驗為基礎的學科，實驗課是化學教學過程中不可缺少的重要環節。實驗室的安全有序管理是無機化學教學正常進行的基本保證，應強化實驗中心教師信息化安全意識，提高實驗室安全管理及服務水平。在天津大學資產處的推動下，已建成實驗室有毒易燃氣體遠程監控報警聯動裝置和實驗場所監控系統，完善化學藥品采購、使用(臺賬)和回收全流程網絡信息化管理，對實驗管理的信息化建設無疑可以提高實驗教學安全的保障水平。

對入校新生進行化學實驗室安全教育，是化學教師的責任[3]。實驗中心教師主動收集素材，自己拍攝、學會剪輯、配音 DIY制作了新版的“實驗室安全教育”，將難于用語言精確表述的實驗安全操作和實驗室安全技術等教學內容制作成教學微視頻。在無機化學實驗的先導課上，對全部化類專業新生進行化學實驗的安全培訓。在安全教育過程中，介紹化學實驗室的防火、防爆、防毒、防灼傷燙傷、防觸電等安全防護措施，包括噴淋、洗眼器的使用、實驗事故應急方法。我們將化學試劑的取用、存放以及化學基本單元的正確操作攝錄下來，并將近年來的化學實驗室突發事件分類剪輯制成教學短片，將事故危害和后果展示給學生，并分析事故發生原因。目的在于教育學生要嚴格遵守實驗操作規范，清除不安全因素，避免各類事故的發生。此外，要求學生通過天津大學資產處網上實驗室安全準入考試，為學生進入實驗室提供安全保障。信息化實驗室安全資源鼓勵、引導學生運用所學化學知識去消除實驗安全隱患，認真對待實驗過程，保障實驗安全、高效地進行。

4 虛擬仿真實驗教學資源的建設與應用

借助國家級化學化工虛擬仿真實驗教學中心(天津大學)平臺，在無機化學實驗教學應用中，構建“虛實結合、相互補充”的虛擬仿真實驗教學項目。例如，在“[CoCl(NH3)5]Cl2配合物的制備、水合反應速率及活化能的測試”實驗中，需要用到濃氨水和濃鹽酸，不得不采用微型實驗裝置，但是仍然會在實驗室中存在刺激性氣味；而且由于得到的產品數量較少，在后面的水合反應速率及活化能的測試實驗中，只能在兩個溫度下測定，限制了實驗內容的拓展。通過編寫虛擬仿真實驗“腳本”，與歐倍爾公司對接，將“腳本”轉化為能夠滿足實驗教學要求的虛擬仿真實驗。拓展虛擬仿真實驗教學內容，實現參與虛擬仿真實驗教學的評價、互動等工作。該虛擬仿真實驗(圖3)已經供應用化學(理)專業的學生課前預習使用。實驗測定在不同溫度下測定水合反應速率，用線性擬合方法確定活化能；并與實體實驗的結果對比，并分析評價，實現虛實結合。接下來該虛擬仿真實驗將供更多專業的學生使用。教學實踐證明，虛擬仿真實驗不能完全代替線下實驗，但是可以作為線下實驗的有效補充。

圖3 虛擬仿真實驗案例

5 結語

以學生為中心，借助現代化的實驗教學手段，無機化學實驗教學資源的信息化建設在我校不斷完善，并自成體系，逐步實現了天津大學無機化學實驗教學資源“數字化、網絡化、智能化”。將現代教育技術與經典實驗操作有機結合，優化無機化學實驗教學；培養了學生的實驗創新能力，我校在“卓越杯”和全國大學生化學新實驗設計賽中連創佳績，所開發的實驗視頻資源又可以反哺信息化實驗資源，補充到MOOC資源庫中供學生使用。在新冠病毒防疫時期，線下實驗難以開展，這些信息化實驗教學資源對于學生的無機化學學習起到了雪中送炭的重要作用。最后，我們想通過構建支撐國家級在線開放課、在線實驗課、國家級實驗教學中心和虛擬仿真中心(或項目)為一體的信息化大平臺，將無機化學課堂教學和實驗環節有效結合，全面提升人才培養質量。