線上開展無機化學實驗教學的實踐與思考
——以“Cr(III)系列配合物的合成與分裂能的測定”為例

孫長艷，李文軍，路麗英，董彬，周花蕾

北京科技大學化學與生物工程學院化學系，北京 100083

2020年一場突如其來的新冠肺炎疫情席卷全國，給人們的生活、工作和學習都帶來了深遠的影響。在教育部“停課不停學”的要求下，在線教學全面走入人們的視野[1,2]。據官方報道，截止5月8日，全國在線開學的普通高校共計1454所，參加在線課程學習的學生達23億人次[3]。在MOOC和微課堂等前期探索的基礎上，借助雨課堂、騰訊課堂等網上教學平臺，理論課的在線教學很快都開展得有聲有色[4,5]。在線教學的優勢也相繼被挖掘出來，這一教學模式的變革讓人們對于“精準教學”“個性化教學”有了更多的期待。但是，一些操作性強的實踐類課程在從線下轉為線上時就遇到了重重的障礙。如何保質保量地完成教學任務，實現人才培養目標，成為教師們深入探討的問題[6]。我校的無機化學實驗課程就是這樣一門操作性很強的實踐性課程，該課程的教學目的是讓學生加深對無機化學基本概念和基本原理的理解，掌握規范的實驗操作步驟和正確的儀器使用方法，培養學生嚴謹的科學態度和創新能力，全面提高學生的科學素養。借助微瑞虛擬仿真實驗平臺和自己拍攝的演示實驗視頻，通過雨課堂+騰訊會議+微信群的形式，構建了線上實驗教學課堂。在這里以“Cr(III)系列配合物的合成與分裂能的測定”為例介紹線上開展實驗課的全過程，為同行們實施線上實驗教學提供參考。

1 教學設計

互聯網技術的高速發展，使得線上師生的交流與線下相比毫不遜色，甚至還更加便捷。對于實驗課，線上教學最大的障礙是學生缺乏實驗過程的切身體驗，為此，我們選取了虛擬仿真實驗平臺和拍攝演示實驗視頻兩種方式作為補充。圖1是開展線上實驗課的整體框架。

圖1 開展線上實驗課的整體框架

從圖1可以看出，雨課堂+騰訊會議+微信群的組合模式覆蓋了課前–課中–課后的每一個教學環節，為師生的互動交流提供了充分的保障。通過雨課堂，課前教師可以將講義、課件、習題等資料推送到學生手機，讓學生提前預習；課堂上可以隨機點名、實時答題、彈幕互動；課后提供回放，學生可以反復觀看，教師也可以根據后臺提供的數據了解學生學習情況，記錄平時成績。應該說這是一個功能很強大的線上教學平臺，為實現“精準教學”提供了可能。美中不足的是沒有語音交互功能，所以我們選擇了騰訊會議作為補充。微信群主要用于平時的溝通交流，有點類似線下的答疑，但是比線下的答疑更靈活，幾乎不受時間、空間的限制。教師在實驗室拍攝的演示實驗視頻讓學生對整個實驗過程有了清晰的認識，而虛擬仿真實驗平臺用來讓學生體驗實驗過程。接下來我們以“Cr(III)系列配合物的合成與分裂能的測定”為例介紹實驗課的開展。

2 教學活動的開展

“Cr(III)系列配合物的合成與分裂能的測定”實驗是在學生學完配合物的晶體場理論之后同步開展的實驗，其目的是加深學生對晶體場理論的理解，培養學生用理論解決實際問題的能力。鞏固稱量、固液取用、加熱、減壓過濾、沉淀洗滌、固體干燥等基本操作，學習紫外-可見分光光度計的原理和使用，掌握分裂能的測定方法。具體的教學活動開展過程如下。

2.1 課前準備

在實驗課開課之前，我們通過微信群和學生進行了充分的溝通，讓學生了解上課的形式，熟悉虛擬仿真實驗平臺的使用。

課前預習是通過雨課堂完成的。教師把實驗講義、演示實驗視頻等資料提前上傳到雨課堂里，發布預習任務。本實驗我們制作了兩段演示視頻，一段是配合物的制備(15分鐘，如圖2所示)，一段是分裂能的測定(16分鐘)。演示實驗充分地展示了實驗的所有細節，并且配上了完整的解說，學生可以根據需要反復觀看。更重要的是，演示實驗可以彌補虛擬仿真平臺的不足，讓學生清楚地了解操作的細節。

圖2 演示實驗Cr(III)配合物的制備視頻截圖

在發布預習任務時，教師將預習要求和預習問題同時發布在雨課堂里，學生根據要求自主預習，提前寫好預習實驗報告，并且完成預習問題(圖3)。

圖3 預習要求和預習問題示例

2.2 課上交流

我校無機化學實驗課教學采取的是研究型教學模式。在課堂上，教師僅僅是引導者，對于有實驗步驟的常規實驗，教師的任務是設置問題，引導學生思考，通過討論找出實驗的關鍵影響因素，從而加深學生對實驗的理解，完成知識的傳授和能力的培養；而對于綜合性的設計實驗，需要學生自己查閱資料，提前設計實驗方案，課上教師和學生一起討論方案的可行性，最后通過實驗驗證。這樣的授課模式讓學生成為課堂的主體，極大地激發了他們的學習熱情和求知欲，培養了學生的探索精神和創新能力。

本次實驗課教師主要設計了以下問題：

(1) 什么是分裂能？

(2) 分裂能受哪些因素的影響？

(3) 怎么測定分裂能？

(4) 怎么制備配合物？

整個課程通過以上問題串連起來，在通過騰訊會議的授課過程中，教師逐一提出上述問題，根據學生的回答情況進行引導和總結。因為前期學生已經進行了預習，而且這些問題中的一部分在預習問題中出現過，所以學生都有了比較充分的準備。在討論前兩個問題的過程中，完成了對實驗原理-晶體場理論部分的回顧和復習；在討論測定分裂能的問題時，加入了對紫外-可見分光光度計原理和操作的介紹，并通過拍攝的演示視頻帶領學生體會操作過程(圖4)；在討論制備配合物的問題時，除了傳統的加熱回流方法以外，還進行適當的擴展：介紹水熱溶劑熱法以及微波法，讓學生了解學科發展前沿。接著，和學生一起對實驗中的關鍵操作進行討論并總結如下：

圖4 紫外-可見分光光度計的使用視頻截圖

(1) 制備K3[Cr(C2O4)3]時，一定要將燒杯拿離電爐，否則反應太激烈；

(2) 減壓抽濾時，要用母液轉移固體；

(3) 制備K[Cr(EDTA)]時，要調節pH 3–5；

(4) 吸收光譜前，一定要做基線；

(5) 兩個樣品池，靠外面的放樣品，靠里面的放去離子水。

然后，指導學生在虛擬仿真實驗平臺上練習。因為學生對平臺的使用已經比較熟悉，再加上已經看過了演示實驗視頻，所以學生的操作都比較順利，即使遇到問題，學生也可以通過騰訊會議的屏幕分享展示給老師和同學尋求幫助。

最后，組織學生對本次實驗進行反思和總結。本次實驗涉及配合物的制備和分裂能的測定兩部分，學生反映配合物的制備還是希望有機會在線下真正操作，這樣更能真切地體會到成就感；而分裂能的測定部分學生對于線上教學的模式予以了認可。線上教學學生可以反復觀看教師拍攝的講解視頻，能在虛擬仿真實驗平臺上重復練習，雖然不是親手操作，但是學生感覺對儀器的使用反而掌握得更好。

2.3 課后擴展

配合物是無機化學的前沿熱點研究領域之一，關于新型配合物的制備及其在光學材料、電學材料、磁學材料、催化材料、氣體分離和存儲等方面的應用研究是人們關注的重點。要求學生在提交實驗報告時，通過查閱資料，以配合物的制備和應用研究為主要內容，寫一份調研報告，督促學生關注學科前沿。

3 教學效果與反思

無機化學實驗課程線下授課時，課程的考核成績全部來源于平時成績，包括操作(30%)、預習(20%)、實驗報告(40%)和小組評議(10%)。此次線上授課，除了操作，其他環節的計分情況沒有改變。為了和線下教學的實驗報告情況進行比較，我們沒有使用虛擬仿真實驗平臺的實驗報告系統，而是讓學生自己書寫實驗報告并上傳。為了考查學生對實驗操作的掌握情況，課程結束前我們專門組織了一次線上考試。30分試題的考查平均分達到了27分，表明學生對實驗操作的掌握情況良好。實驗報告的書寫情況與線下教學幾乎沒有差別，這也進一步說明線上授課沒有影響教學效果。我們又對參與課程的936名學生進行了無記名問卷調查，從學生的反饋情況來看，94%的學生認為線上教學效果好(其中42%的學生認為效果很好)，75%的學生認為虛擬仿真實驗平臺有助于操作訓練，89%的學生希望進實驗室進行實際操作。

通過一個學期的線上授課實踐，我們認為在以后的實驗課程教學中，線上線下混合式教學將會是一個很好的發展方向。一方面可以充分利用虛擬仿真實驗平臺、MOOC等網上資源，讓學生的學習不受時空限制，更加靈活，而且學生可以通過人機互動模式在線自主實驗，通過虛擬仿真實驗環境的代入感，突破實驗資源的限制，能夠反復練習，提高學生實驗的積極性，增強學生的自主學習能力；另一方面線下的實際操作可以強化學生對操作細節的認識，獲得最真實的實踐體驗，培養良好的實驗習慣。但是如何充分利用線上線下兩種教學形式的優勢，加強師生互動交流，提高學生學習的積極性和主動性，實現人才培養目標，還需要在以后的教學實踐中加強探索。