分析化學實驗多元化教學模式改革與實踐

武海，黃甜甜，曾巧，王華子，金曉艷，劉杰，凡素華

1阜陽師范大學化學與材料工程學院，安徽 阜陽 236037

2阜陽師范大學環境激素與生殖發育安徽省重點實驗室，安徽 阜陽 236037

分析化學實驗是將分析化學理論基礎應用于生活生產實際的橋梁，是化學、化工、生物、材料、醫學等專業的基礎實驗課[1]。分析化學實驗課程對培養學生的創新思維、提高實踐能力有著重要的作用[2]。當前大部分高校在分析化學實驗教學過程中，仍采用開設驗證性實驗培養學生基本操作、觀察實驗現象、總結實驗結果、解決預定性實驗問題的能力，很難達到培養學生創新性和綜合素質的目標[3]。而且，實驗課考核采用實驗報告成績和操作考查成績的方式進行，形式單一，較難激發學生實驗探究的動力[4]。因此，如何能驅動學生的主動性和科學研究的興趣、啟發學生思考和探索、活躍課堂學習氛圍，構建“以學生為中心”的教學模式是綜合素質人才培養的重點和難點。

基于信息技術和在線學習平臺(如雨課堂、超星學習通、釘釘課堂等)對高等教育的教學資源、教學方法與模式、教學環境和教授方式、學生學習方法、師生角色的改變等都產生了深遠影響[5]。本文利用信息技術構建分析化學實驗的多元化教學模式，采用微課和問題導向為主的在線課前預習，課中以討論式翻轉課堂和學習平臺進行隨機考查，課后采用設計型和科研型實驗拔高，以綜合成績考核形式進行驅動，促進學生集中注意力，提高學生自主學習的主動性，最終提升教師教學效果、增強學生綜合素質。

1 分析化學實驗課程教學現狀

1.1 學生課前預習缺乏主動性

目前，不僅僅是分析化學實驗課，還包括其他實驗課，約70%以上的本科生不能自主預習實驗。雖有預習報告的書寫要求，但大部分學生還是按照實驗教材機械地抄寫實驗原理和步驟，抄完后對實驗原理、過程及實驗可能出現的現象，仍然一知半解。而且，當前部分實驗課先于理論課開設，若在實驗前再不主動預習，基本上無法達到實驗課與理論課相輔相成的目標。這一現象也是當前高校實驗課最為常見而又亟待解決的難題。

1.2 教師課堂教學缺乏創新性

雖然信息化教學技術已經快速發展，但是大部分高校教師的教學過程仍采用傳統的教學方法。即實驗前教師講解原理、步驟、實驗現象和注意事項，學生根據教師安排或教材內容進行機械式操作，實驗結束后，學生當堂或課下處理實驗數據并提交報告。但此方法造成的問題是：部分學生不理解理論知識，不能解釋實驗現象，進而抄襲實驗報告。因此，這一傳統教學方法，仍以“教師為中心”，缺少啟發性和創新性，很難激發學生的學習興趣[6]。

1.3 實驗課缺少學科前沿和知識交叉

分析化學實驗大部分以驗證性和基礎性實驗為主，如酸堿滴定法中的有機酸摩爾質量的測定；食用醋中醋酸含量的測定；絡合滴定法中自來水硬度的測定；氧化還原滴定法中的化學需氧量的測定等等。這些實驗均屬于基礎性實驗，方法單一、不確定因素少、原理和結果明確，較難體現分析化學學科前沿，除了能鍛煉學生基本操作和熟悉基本原理之外，難以提升學生對分析化學在解決生活實際和社會熱點中的作用的認識。

1.4 實驗課考核方式單一

分析化學實驗課考核通常以實驗報告(70%)和操作考查(30%)為主，缺少過程考核，這使部分書寫工整、數據處理好的同學，即使操作不正確，也能得到很高的分數。而正是由于這樣的考核方式，使有些同學認為不用費很大力氣就能輕松通過實驗課考試。這造成了學生不主動預習、抄襲預習報告和實驗報告、篡改實驗數據、缺少主動性等不良現象。

2 分析化學實驗課多元化教學方法的建立與實踐

基于分析化學實驗課的現狀分析，想提升學生的主動性、激發學生對實驗探索的欲望，必須對現有實驗教學方法進行改革，緊密與現代教育技術相結合，采取先進的教學模式，實施綜合的實驗考核方式。

本文以分析化學實驗課教學實踐為基礎，利用“雨課堂”教學平臺和微課教學視頻，構建線上線下教學模式，采用以討論式翻轉課堂教學和綜合性課程考核方法，提出分析化學實驗課程的教學改革方法，以期實現對大學生綜合素養的培養目標，并使教學方法得到推廣。

2.1 基于不同類型的實驗作為教學內容

為多方位提升學生的綜合素質和創新能力，分析化學實驗以基礎性實驗學習化學分析的基本操作和基本理論，以設計型實驗提高分析問題和理論與實際結合的能力，以科研型實驗培養科研創新能力。如圖1所示，對于基礎性和設計型實驗采用線上課前發布任務(微視頻原理講解、思考題)和學生自主預習的方法為主，通過“雨課堂”網絡平臺監控學生預習情況。課堂翻轉互動，利用課堂測試、分組討論的方式評價學生預習效果，并歸納指導本次實驗的注意事項。在實驗課操作環節，通過教師一對一指導、實驗結果的批閱和實驗報告的完成，完全以學生為中心，教師指導為輔。課后總結也將在實驗報告批閱過程中體現，并在網絡平臺上反饋學生出現的優點、問題及需要改進的地方。

圖1 分析化學實驗多元化教學模式圖

自主選題的科研型實驗，教師將在學期開始時提供可供選擇的科研型實驗。但選題要注意學生的知識水平，通常分析化學實驗是大二上學期，在僅僅學習了無機化學或部分有機化學，并沒有學習儀器分析的情況下開展的。所以選題不能太復雜，以切合實際并帶有科研性質的題目為主。

2.2 基于微課的線上課前預習模式

為提高學生的實驗效率，教師在課前采用微視頻對實驗的基本操作和原理進行錄制，如玻璃儀器的洗滌方法；滴定管、容量瓶、移液管、電子分析天平的使用方法；紫外-可見光分光光度計的使用方法；實驗的原理及注意事項等。將這些微視頻上傳至“雨課堂”網絡平臺，發布教學任務。學生對相關視頻進行自主學習，教師利用雨課堂平臺監控學生的學習進度。

預習任務包含預習思考題。學生在看完視頻及相關理論知識后，將在預習報告上完成預習思考題。在傳統實驗教學中，學生撰寫預習報告時，通常是對照實驗教材抄寫實驗題目、目的、原理、實驗步驟等，很難達到自主預習的目的，只能機械式地做實驗。所以預習報告將以思考題的“問題”為導向，將實驗原理、實驗過程、實驗現象等編制成思考題，使學生無處可抄，不得不去思考和查資料，才能完成預習報告。該方法極大提高了學生的主動性。

2.3 基于翻轉課堂的課中教學模式

傳統教學的實驗課講授是教師講、學生聽的簡單過程，很難激發學生思考實驗的主動性。因此，結合課前在線預習環節，防止學生對預習思考題有抄襲或者預習不到位現象，翻轉課堂的教學模式起到至關重要的作用。翻轉課堂是將傳統授課過程師生角色互換，以學生講、教師聽和引導為主，構建生師、生生互動的教學模式[7,8]。實驗課課堂教學開始后，學生首先掃碼進入“雨課堂”測試環節，教師向全體學生發布主要圍繞實驗原理、思考題、重要實驗環節等設置的測試題，用于查驗學生的預習效果。為進一步防止學生無所謂的態度，該過程在實驗課成績考核過程所占的比例較大，使學生不得不重視預習效率。

課堂討論環節，由每小組出1–2人發言，就實驗意義、實驗原理、實驗可能的現象、錯誤率較高的思考題、實驗方法等展開討論。為了激發學生發言積極性，將對發言學生和發言正確而精彩的學生和所在組別進行加分，既提高學生興趣，又使其具有成就感。在討論過程中，教師對學生的討論進行方向上的引導，最后做出總結點評。一切就緒之后，開始實驗操作環節，教師和助教只需巡回觀察并糾正錯誤操作，由學生自主完成實驗，實驗結果由實驗老師批閱，最后完成實驗報告的書寫。基于前期的大量預習環節，為防止學生出現抄實驗書不思考，重復抄寫實驗步驟、原理等現象，實驗報告可以簡單由實驗題目、組別、實驗原理(由測定原理和指示劑指示原理的方程式代替)、實際實驗步驟、數據處理及計算過程、數據分析等內容組成。

2.4 基于應用軟件處理實驗的教學模式

學生處理實驗結果，通常是通過計算后，在實驗報告上進行畫表格，手工填寫數據，不利于培養學生與知識前沿、現代教育技術相結合的綜合能力。因此，在數據處理環節，鼓勵其利用Word軟件、Excel表格及計算公式、Origin數據及圖形繪制等軟件處理實驗報告及實驗數據。例如，對于平行測定3次的實驗數據表格可以用Word里面表格功能繪制；分光光度法測定鐵的綜合實驗利用Origin軟件繪制條件實驗和標準曲線圖；自主選題的科研型實驗利用Origin軟件繪制實驗結果圖，也可利用Excel軟件批量處理實驗數據等；成果匯報過程，采用Flash動畫軟件、PowerPoint等多媒體方式展示成果。該類教學方式適合部分有能力的學生，不強行要求，但是可以作為加分項激勵學生在學習過程中使用軟件處理實驗結果。

3 建立綜合性考核標準

為了改變實驗課考核方式單一現象，建立綜合的實驗課考核標準是完成以上教學模式的保障。學生除了以鍛煉自身能力為學習驅動力之外，最終成績也是其學習動力的重要驅動項，只有每一項內容都體現在成績考核之內，才能更自主地完成上述實驗。如表1所示，分別從課前預習、課中翻轉討論、結果處理、基礎性和科研型實驗報告等環節設置不同分數比例。從分值上可以看出，加大測試環節的目的是促進學生預習效果，防止抄襲和不主動學習等現象。加大科研型實驗的分值可以促進培養學生自主解決問題和創新的能力。

表1 分析化學實驗綜合考核標準

4 案例分析

4.1 基礎性實驗

我們以基礎性實驗中絡合滴定法的“自來水總硬度的測定”為例，闡述實驗課的開展過程。

課前預習環節：微課視頻包含兩部分，第一部分為水由于硬度變化給生產生活帶來危害的短視頻；第二部分為自來水硬度的檢測原理的課件講解錄屏。

發布學習任務為：(1) 觀看微課視頻；(2) 完成預習思考題；(3) 預習思考題有：1) 什么是水的硬度？2) 如何衡量水的硬度大小？3) 水的硬度高或低會給人類造成哪些影響，為什么？4) 如何檢驗水的硬度大小？5) 什么是永久硬度和暫時硬度？6) 絡合滴定法測定水的硬度原理是什么？相關的反應方程式是什么？7) 乙二胺四乙酸二鈉鹽(EDTA)標準溶液測定水硬度時的酸度如何控制？為什么要控制酸度？8) 水硬度滴定過程中選用的指示劑是什么？其變色原理？9) 如何防止其他金屬離子的干擾？10) 你認為實驗過程中需要注意哪些問題(至少列出3條)？

課堂互動環節：為促進和檢查學生預習情況，首先進行課堂在線測試。利用“雨課堂”課件發布測試題，如表2列出的部分題目，分別從了解、理解、掌握、思考挖掘、分析應用、能力創新等各方面進行測試。

表2 “自來水總硬度的測定”課堂測試題

課堂測試之后，針對幾個主要問題進行討論：

(1) 本實驗的原理是什么？

(2) 為什么要在pH約為10的條件下測定？

(3) 本實驗標定EDTA時應注意哪些問題？

(4) 如何提高本實驗的靈敏度和準確度？

(5) 每組闡述該實驗步驟，并簡述實驗過程加入的緩沖溶液、指示劑、掩蔽劑的作用和順序。

課后反饋環節：課后根據實驗報告，針對學生具體問題，提出批閱意見。同時在教學平臺提供共性問題。另外，把“雨課堂”平臺統計的預習、課堂測試、課堂討論等數據向全體學生展示。個別表現較差的學生，把其問題單獨發給學生，鼓勵其改正并爭取下次進步。

4.2 自主選題的研究型實驗

研究型實驗以提升學生科研創新素質和綜合能力為目標，鍛煉學生查閱文獻、總結研究進展、實驗設計、分析結果、科研繪圖、論文寫作等各方面的能力，從中得到科研探索的樂趣，培養學生創新意識，激發科研興趣。研究型實驗以自由組合2–3人一組，可以尋找學院其他老師作為指導老師，進入其科研室從事科研項目的研究，也可以根據老師提供的備選題目作為研究題目。根據大二學生的知識結構，此類題目不易太復雜，要求也不必太高，能完整地完成實驗內容、合適的實驗過程及結果、分析合理、寫作較為規范、會使用圖形軟件進行數據分析即可達到教學目標。例如，我們團隊在分析化學實驗課布置的科研型題目有：(1) 酸堿滴定法測定藥片中維生素C的含量；(2) 分析方法在材料化學專業中某材料性質研究中的應用；(3) 酸堿滴定法測定硅質耐火材料中硼元素的含量；(4) 定量分析方法在水質檢測中的應用；(5) 松花蛋中鉛含量的測定；(6) 工業廢水中鉛含量測定；(7) 氧化還原滴定法測定鐵；(8) 分光光度法測定頭發中鐵含量；(9) 潁州西湖水中總磷含量的測定；(10) 基于分光光度法測定食品包裝材料中甲醛含量的研究。

時間上將利用9周的時間(2周文獻調研、1周實驗設計、3周實驗、3周書寫科研型論文報告)。科研型實驗的時間通常不占用教學時間，屬于自主開放性實驗，由教師課外單獨指導。但是，將利用兩周的時間(8學時)進行成果展示、評價和總結，這有利于提高學生的成就感、促進學生的積極性和探索精神。

研究型實驗需要指導教師根據研究內容的不同進行個性化指導，對實驗設計、實驗室、實驗儀器、文獻查閱、圖形繪制、論文寫作等方面進行指導。在成果展示環節，選擇優秀的成果進行展示匯報，并表揚，使學生充滿成就感，并對科研充滿濃厚興趣。對需要改進的成果，引導其優化結果，并進一步調整，最后再給予其成績評定。

5 教學實施效果

經過課前預習、課中測試和討論的翻轉課堂模式，實現“以學生為中心”的教學目標，改變了學生“低頭”現象，增加了課堂互動氣氛，極大提高了學生的參與度和積極性。學生對實驗的意義、原理、實驗現象分析、結果與處理等具有深刻的理解，并同時增強了科學的嚴謹性和社會責任意識。通過設計型和開放型實驗，使學生的實驗實踐能力得到明顯增強；通過科研型實驗，培養了學生的科研創新能力，增加了他們對科研的興趣，積極投入到教師的科研項目中。分析化學教學團隊指導的大學生創新訓練項目中，分析化學專業的項目16項(國家級7項，省級9項)，學生參與發表的研究論文38篇(含SCI論文26篇)，學生獲得省部級以上比賽獎勵29項。過去三年，本科生考取碩士研究生212人，考取中國科學技術大學、東南大學、武漢大學、北京師范大學等分析化學碩士研究生36人，占考研錄取學生比例17%。

另外，學生對該多元化教學模式下的課程體現了很高的學習熱情。利用學習通平臺在線對我校2020級材料化學專業52人的問卷調查中，對分析化學實驗課“非常滿意”達到68.2%，“滿意”以上為97.7%。學生對分析化學實驗課教學方法進行了客觀積極評價，發表意見回復：認為翻轉課堂教學調動了他們的積極性、充分理解實驗、增強了互動性、教育理念新穎、可以提前預習、能集中注意力、提高操作的準確性、視頻能反復觀看，有助于理解等。

6 結語

以微課視頻、翻轉課堂、問題引導、線上和線下相結合的方式，依托基礎性實驗、設計型實驗和研究型實驗，建立分析化學實驗多元化教學模式，以學生為中心，激發學習主動性，提高實驗課培養效果。該教學模式分別從自主學習的主動性、自主設計實驗的能力、課堂討論的辨析和對知識的理解、文獻查閱和科研論文寫作等方面提高學生的嚴謹的科學態度和綜合素質，同時對大學化學類實驗課的教學方法創新和課程建設具有重要示范作用。