混合式教學在反應速率和活化能測定中的應用及體會

曾秀瓊，蔡吉清，徐孝菲，委育秀，李寧

化學國家級實驗教學示范中心(浙江大學)，杭州 310058

化學是一門實驗科學，化學實驗不但可以讓學生更好地理解和掌握化學原理，而且可以培養(yǎng)學生的綜合實驗能力，因此很多高校都把大學化學實驗或者普通化學實驗設(shè)置成通識課程，并不斷探索教學內(nèi)容和教學模式的改革[1–4]。反應速率和活化能測定是一個非常經(jīng)典的基礎(chǔ)化學實驗，涵蓋了一系列的化學動力學概念，能讓學生直接觀察到濃度、溫度以及催化劑對化學反應速度的影響。雖然實驗操作非常簡單，但是涉及眾多的實驗原理和繁瑣的數(shù)據(jù)處理，使得課堂講解既費時又費力。此外，該實驗堪稱基礎(chǔ)化學實驗中數(shù)據(jù)處理最耗時、實驗報告最難寫的，因為要經(jīng)過上百次包含分數(shù)、倒數(shù)和對數(shù)等的運算，還要繪制3個線性圖。雖然已有利用計算機軟件用于該實驗處理的報道[5–9]，但是學生很難自己掌握，還是只能用計算器算、用坐標紙畫，不但數(shù)據(jù)結(jié)果的準確度很低，而且時間成本很高。為了提高課堂教學的效率和質(zhì)量、引導學生運用計算機處理技術(shù)，將線上線下混合式教學應用于本實驗中，取得了非常好的教學效果，受到了學生的高度肯定和歡迎。

1 教學分析

1.1 實驗原理

本實驗是讓學生理解影響化學反應速率的因素，掌握反應速率及其活化能測定的原理及方法，掌握實驗數(shù)據(jù)處理及作圖的方法。

實驗方法中通常測定的是K2S2O8和KI反應(式(1)，為主反應且為慢反應)的反應速率及活化能，利用Na2S2O3和的反應(式(2)，為次反應且為快反應)來指示主反應的進度，從而獲得主反應的反應時間。由于很多教材都詳細介紹了本實驗的原理[10,11]，這里就不再詳細展開，而只是簡單表述一下。根據(jù)主反應和次反應的關(guān)系，式(1)的反應速率可以用式(3)表示。

將式(3)進一步演變，可以得到式(4)。根據(jù)式(4)可知，通過控制K2S2O8和KI兩個變量，能夠獲得式(3)中的反應級數(shù)m和n。如表1所示，當只改變K2S2O8濃度時，先測定反應時間，根據(jù)式(3)可以得到ν，再以lgν對作圖得到一條直線，其斜率即為反應級數(shù)m。同樣，只改變KI濃度時，以lgν對lg[I-]作圖可以得到反應級數(shù)n。

表1 K2S2O8濃度對反應速率的影響

當保持K2S2O8和KI濃度不變時，測定不同溫度下的反應時間而獲取相應的反應速率常數(shù)，再根據(jù)式(5)以lnk對1/T作圖，可以得到一條直線，通過其斜率可以求得活化能。

1.2 學情分析

在浙江大學，本實驗在面向大一本科生的普通化學實驗課程里開設(shè)。普通化學實驗每學年選課學生超過1900人次，教學班達到60多個(每班配任課教師和研究生助教各一位)。由于絕大部分大一本科生缺乏化學實驗基礎(chǔ)，再加上我校化學實驗課是單獨開設(shè)，使得學生對于本實驗的理論知識相對欠缺。傳統(tǒng)教學設(shè)計中，為了講解本實驗涉及的基本原理、演示用計算機數(shù)據(jù)處理及作圖等，任課教師需要講解1個多小時，留給學生實驗時間就不充裕了，因此學生只能忙于照搬教材完成規(guī)定內(nèi)容。此外，以這種模式完成的教學，勢必造成學生課前看不明白、課中聽不明白、課后寫不明白的不良狀況。

1.3 教學策略

為了解決傳統(tǒng)教學中存在的問題，探索線上線下混合式教學。制作了2個教學視頻，分別為實驗講座視頻和數(shù)據(jù)處理及作圖技術(shù)視頻，這些視頻事先發(fā)布到浙江大學信息化教學平臺“學在浙大”課程章節(jié)里，學生可以隨時觀看和學習(圖1)。從圖1還可知，學生線上學習的積極性非常高，全班31名學生，從2020年9月14日開學至2020年12月16日這13周時間里，累計訪問量高達1.17萬次，扣除國慶假期以及秋學期考試周，每位學生周訪問量達到30多次，說明線上教學資源為學生利用片段時間進行短時或者反復學習提供了便捷。值得注意的是，學習分析圖中峰值基本出現(xiàn)在周末或者上課當天，說明學生利用周末通過線上資源進行課前預習，而實驗結(jié)束當天還會通過線上資源進行課后鞏固。

圖1 “學在浙大”的相關(guān)章節(jié)信息(左)及課程訪問統(tǒng)計(右)

2 混合式教學的設(shè)計及應用

2.1 課前準備

(1) 以教學視頻支撐課前教學。在實驗講座視頻里，教師先拋出一系列的問題，吸引學生開始專注本次講座；再通過一道化學動力學習題吸引學生思考本實驗原理；最后再通過一步步的公式推導，讓學生理解式(1)和式(2)的關(guān)系及實驗設(shè)計(圖2)。講座視頻里，教師不是從頭講到尾，而是精心設(shè)計了不少問題，讓學生時時思考、緊跟講座節(jié)奏，這樣不但強化了學生觀看視頻的注意力，而且提升了學生分析和解決問題的能力。調(diào)查表明，所有學生通過線上學習都能提前掌握實驗原理及實驗操作。

圖2 實驗講座視頻的部分截圖

(2) 以預習考試檢查學生線上學習。為了督促學生有效地自主預習，每次實驗都設(shè)置了預習考試。學生課前需要登錄“浙大化學實驗教學中心”微信公眾號完成線上預習考試，考試內(nèi)容以實驗講義和教學視頻內(nèi)容為主。學生考完后，不但能立即查看成績，而且在一定時間內(nèi)可以查看錯題，以便學生能根據(jù)預習考試結(jié)果知曉課前學習情況，并能及時補救或者完善。任課教師能夠查看學生成績及班級錯題情況，以便課堂講解時能有針對性地引導學生分析錯題(圖3)。

圖3 預習考試的部分截圖

2.2 課中實施

(1) 講解時引導學生思考。通過課前線上學習，學生帶著充足的知識儲備進入實驗室，因此課堂講解不需花費很多時間。教師以提問或小組討論形式引導學生自覺思考，講解時間由原來的1個多小時縮短到20分鐘左右，同時也提高了學生課堂互動的積極性。

(2) 實驗時鼓勵學生探究。講解時間縮短加上對實驗內(nèi)容胸有成竹，很多學生能順利地提前完成實驗。針對這種情況，教師鼓勵學生自主開展一些小探究。比如，有學生將表1中的KNO3和K2SO4以等體積水代替，測試離子強度變化對反應速率有何不同。

2.3 課后數(shù)據(jù)處理及分析

課后完成實驗報告時需要計算的數(shù)據(jù)多達70個，還要將結(jié)果作圖。如果用計算器的話，不但需要進行包括分數(shù)、倒數(shù)和對數(shù)等復雜運算，而且只要輸錯一個數(shù)字，后面結(jié)果全部出錯。此外，將計算器得到的結(jié)果再抄寫到實驗報告上，又是一個繁瑣細致的勞動。為了減輕學生完成報告的負擔、提高報告的質(zhì)量，錄制了一個計算機處理數(shù)據(jù)及作圖技術(shù)的教學視頻，發(fā)布到“學在浙大”供學生線上學習(圖1)。由于Excel是最常見的計算機處理軟件，因此本次講座是Excel版本。當然學生掌握此技術(shù)后，再采用其他軟件處理數(shù)據(jù)也是很方便的。

如圖4所示，教師先演示如何輸入編程公式得到表1中各組分混合后的起始濃度(見圖4a中黃色部分)；再演示如何利用“插入散點圖”和“增加趨勢線”將圖4b中的黃色數(shù)據(jù)擬合成直線，并獲得線性方程式和R2，從而獲得m和n；最后利用圖4c中的不同溫度下反應速率常數(shù)作圖，根據(jù)直線斜率求出活化能。本次數(shù)據(jù)處理時涉及很多編程公式，這里只簡單列舉幾個：混合后[KI]0= 0.2*B2/SUM(B2 :B7)、反應速率=B5/2/B6、lg[KI]0= LOG10(B3)、1/T(K-1) =1/(273 + B3)，公式中的大寫字母及后面數(shù)字表示該數(shù)據(jù)所處位置，編輯時可以直接選中該數(shù)據(jù)即可，同一列下面的數(shù)據(jù)處理時只要下拉上一行計算結(jié)果即可。從圖4的3個EXCEL表格還可知，本實驗需要計算得到的數(shù)據(jù)有70個。

圖4 數(shù)據(jù)處理及作圖視頻的部分截圖

該視頻中除了講授編輯公式及作圖方法，教師還演示了有效位數(shù)的取舍、坐標軸刻度的調(diào)節(jié)、坐標軸名稱的插入、字體字號的調(diào)節(jié)等，使得最后圖形美觀、有效數(shù)字規(guī)范。對于得到的數(shù)據(jù)處理結(jié)果和圖形，學生不用重新抄寫或畫到紙質(zhì)報告上，既可以打印出來上交，也可以網(wǎng)上提交(圖1)。

3 混合式教學的體會

(1) 學生的體會。本次線上線下教學模式受到了學生的高度稱贊。學生一致認為，實驗講座視頻幫助他們重新整理了化學動力學知識點，進一步掌握了反應速率常數(shù)及活化能的概念；數(shù)據(jù)處理及作圖視頻幫助他們完成第一次用計算機處理數(shù)據(jù)及作圖，很好地掌握了公式輸入、數(shù)據(jù)調(diào)整和作圖等。學生們紛紛在實驗感想里表達了對這種教學方式的肯定，以下摘自部分學生的實驗感想：“活化能測定實驗是我目前接觸過操作最簡單的實驗，但它卻是我處理實驗報告最久的一個實驗。你根本不會想到，一個化學老師竟然會教你用Excel作圖”“老師從編程計算數(shù)據(jù)講解到制作圖形，十分有條理。尤其在對數(shù)據(jù)的形式以及散點圖的調(diào)整兩個方面十分精細”“老師細致的講解讓我們這群Excel的小白從入門到精通，同時Excel的學習對我們之后的學習生涯也幫助良多”“這的確是我非常非常需要的一項技能，學會后1個月內(nèi)我在大學物理實驗中已經(jīng)運用了三次這個視頻傳授給我的方法去作圖，為我節(jié)省了大量的時間，提供了極大的便捷”。

(2) 教師的體會。應用混合式教學后，任課教師體會到課堂講解輕松多了、學生實驗順利多了、數(shù)據(jù)處理的出錯率幾乎沒有了、實驗報告的質(zhì)量高多了、批改報告的心情愉悅多了。值得一提的是，由于學生可以網(wǎng)上提交數(shù)據(jù)處理及作圖文件，任課教師只需檢查輸入的編程公式是否正確，而不需用計算器一個個核算學生的處理結(jié)果了，大大提高了批改報告的效率。

4 結(jié)語

反應速率及活化能測定是基礎(chǔ)化學實驗中實驗原理最難懂、處理數(shù)據(jù)最繁瑣、實驗報告最難寫的一個實驗，應用線上線下混合式教學取得了很好的效果，學生不但深刻掌握了實驗原理，而且精通了運用Excel軟件處理數(shù)據(jù)的能力，提高了實驗教學的質(zhì)量。實踐證明，混合式教學能充分調(diào)動學生自主學習的熱情，激發(fā)學生的學習潛力，培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維和技能，使實驗教學更加高效地開展。我們將積極響應教育部的金課計劃，繼續(xù)探索新時代大學化學實驗教學模式的改革[12–15]，為培養(yǎng)高素質(zhì)人才而不斷努力。