分析化學課程群建設探索

陳明麗，于永麗，楊婷，趙爽，楊春光，白俊杰，王建華

東北大學理學院化學系，沈陽 110819

教育為本，德育為先。人類社會需要通過教育不斷培養社會所需人才，需要通過教育來傳授已知、更新舊知、開掘新知、探索未知[1]。2019年，教育部印發了《關于一流本科課程建設的實施意見》，其中明確提出，要落實立德樹人根本任務，深入挖掘各類課程和教學方式中蘊含的思想政治教育元素，建設適應新時代要求的一流本科課程。提出了讓課程優起來、教師強起來、學生忙起來、管理嚴起來、效果實起來的系統部署[2]。

分析化學課程是化學專業學生的基礎課和核心課。東北大學分析化學教學團隊秉承以學生成才為中心的理念，在高度重視教學方法和教學理論的同時，更注重教師自身能力的培養和團隊建設。堅持新教師助教制度和團隊教師互相聽課的傳統，組建了由博士導師帶頭的教學團隊。教學團隊中老中青教師結合，年齡有梯度，教學方法和教學理論有傳承，這為分析化學教學改革的可持續發展提供了有力保障。在“互聯網+教育”的大背景下，教學團隊不斷地豐富和改進教學內容和教學模式。分析化學課程設計了開放式教學體系，開展線上線下混合+雙語教學模式，使學生從被動學習轉變為主動學習，達到對知識點的深入理解與靈活運用。開放式實驗教學體系依托中國大學MOOC(massive open online course)平臺和化學實驗室情景互動式虛擬仿真項目開展教學，使學生更加方便地學習和掌握實驗操作。化學安全教育仿真實驗是依據實驗室實際布局構建的一個高仿真度的、高交互操作的、全程參與式的、可提供實時信息反饋與操作指導的場景，可以使學生更直觀地“看見危險，做到安全”。此外，教學團隊將思政元素與分析化學課程內容進行有機融合，幫助學生樹立嚴謹求實的科學態度、恪守實事求是的基本原則，在提升專業知識水平和拓展思政理論知識的同時，開展社會主義核心價值觀教育、職業理想和職業道德教育。

1 以學生為中心，分析化學課程教學改革

在信息技術和互聯網高速發展的今天，傳統的線下教育模式不能適應高校教育內涵式發展和人才培養的新要求。MOOC、SPOC (small private online course)和翻轉課堂等新型的教育模式因打破了傳統課堂的局限，滿足了學生隨時隨地通過互聯網學習的需求，更容易被當代大學生所接受[3]。教育界有句名言：告訴我，我會忘記；演示給我，我會記住；讓我參與，我會理解。為了使學生全面系統地掌握分析化學的基本理論和定性定量分析方法、使學生樹立正確的量的概念、學會科學地處理分析實驗數據并對分析方法進行評價，分析化學課程采用了線上線下混合+雙語的教學模式(圖1)。

圖1 分析化學課程線上線下混合+雙語教學體系

2015年9月，分析化學教學團隊歷時兩年制作的分析化學MOOC在中國大學慕課網站上線，并于2017年被教育部評為首批國家精品線上課程。鑒于在線開放課程面向的群體廣、需求多樣性的特點，分析化學MOOC課程涵蓋理論知識和實驗課程兩大板塊內容。理論知識板塊共分11章，每章以知識點為中心，將教學內容化整為零，為學生提供時長為8–15分鐘的視頻教學單元，共計64個，視頻短小精練，知識點涵蓋廣，重點難點著重講解，脈絡清晰，體系明確，具有適當的知識擴展，易于學生接受。實驗課程板塊精選容量分析實驗、重量分析實驗和分光光度實驗等，制作了6個分析化學經典實驗操作視頻。視頻內容重點突出，覆蓋全面。

分析化學MOOC課程還設置了11個章節的習題庫，每一個題庫都具有相當數量的測試題，測試模式為隨機抽題，由系統自動評分。學生可以在自學一章后，及時進行查缺補漏，有助于構建完整的知識體系。通過設置公共討論區和教師討論區來實現教師與學生，以及學習者之間的零距離交流與討論，打破時間與空間的限制。此外，課程通過“過程跟蹤+期末測評”的多級測評，盡可能全面地對學習者給予評價，實現過程化學習、過程化監督。借鑒“翻轉課堂”的教學模式，在線下的課堂教學中，增加了討論課。教師在完成每章的講授之后，針對重點難點提出5–6個問題，學生自行分組討論。學生在對選題進行充分的調研之后，結合課上所學知識走上講臺，以PPT的形式向同學老師進行匯報和分享。討論課的設置不僅培養了學生團隊合作的精神、查閱文獻的能力，也鍛煉了學生利用所學知識處理和分析實際問題的能力。由于采取了混合教學模式，教師可以將在線教育技術有針對性地融入到線下的課堂之中，為學生提供了一個自主學習、自由探索的新平臺。

分析化學MOOC課程在中國大學慕課網站上線以來，對內，配合東北大學多個學院多個專業的分析化學教學，獲得了包括應用化學、生物工程、冶金工程、環境科學、礦物工程、安全工程、環境工程、資源循環科學與工程等在內的眾多本科專業學生的歡迎，課程被評為2017年第一批“東北大學校級慕課”“東北大學2016–2017學年度優秀網絡課程”；對外，課程服務于國內多所高校以及社會學習者，至今服務總人數逾4萬人次。

為提高學生的專業英語能力，拓展學生的國際化視野，自2018年，分析化學課程逐步開展雙語教學。課堂教學中采用全英文課件，授課中引入雨課堂平臺，學生可以實時接收老師的課件，方便學生的課后復習，并且針對英文授課的內容，采用了全英文的考試卷，幫助學生提高課程掌握程度。在完成每章學習后，進行課上測驗，測驗成績即時給出，使教師和學生及時了解課程學習情況，實行過程化學習。另外，東北大學分析化學國際化課程“Analytical Chemistry”于2020年6月在學堂在線平臺上線運行。通過國際化課程教學，教師在講授分析化學專業知識的同時，訓練學生的英語思維。經過雙語學習的訓練，使學生具有一定的學習全英文課程的能力，為將來進行更深入的專業學習打下了良好的基礎。在課堂學習之外，學生可以線上學習分析化學國際化課程，學習不受時間和地點的限制，拓展了學習的時間和空間。

課程運行中，團隊持續開展課程建設，發表多篇教學論文，編寫與課程配套的實驗教材1部，參與翻譯國際經典分析化學教材1部。以分析化學相關課程為依托，教學團隊組織設計的課程內容和改革方案，獲得2019年東北大學優秀本科教育教學案例評比一等獎兩項，獲得2018年東北大學教學成果一等獎和2020年遼寧省本科教學成果一等獎各一項。

2 理論聯系實踐，分析化學實驗課程建設

分析化學是一門實驗性學科，因此，要求學生在掌握理論知識的基礎上，必須正確掌握分析化學實驗的基本操作和實驗技能。傳統的實驗課教學存在以下缺點：教學形式單一刻板，學生的接受程度較差；部分學生對實驗課不重視，課前預習不認真；學生無法在課堂外了解和學習準確規范的實驗操作。為此，教學團隊改變傳統分析化學實驗教學模式，為學生創造主動學習的條件和環境，培養學生自主學習和獨立思考的能力。為開展實驗課的線上教學，教學團隊建設了分析化學實驗SPOC課程，該課程于2018年3月在中國大學慕課網站上線。2020年3月，分析化學實驗MOOC課程上線。課程內容主要包括化學實驗室安全知識、14個實驗操作和9個實驗課件視頻、實驗項目測驗等。依托線上課程，課程實行了混合教學，具體教學過程包括線上自學和線下混合教學(圖2)。在線上自學中，要求學生首先學習化學實驗安全知識，針對某個實驗項目，學習相關的視頻和課件，在此基礎上，撰寫實驗預習報告。對于學生線上學習的情況，教師通過網站后臺調取數據，并進行分析和總結；在線下混合教學中，學生首先在手機上登陸中國大學MOOC平臺，完成相關實驗項目的測驗(成績計入學生課程總成績)，然后教師和學生開展課堂討論，討論由學生主講最后學生動手開展實驗，教師查看學生的操作情況，給與必要的指導。

圖2 線上線下混合分析化學實驗教學體系

相比單一的線下教學，實行混合教學后，學生對實驗項目內容的理解更清楚，實驗操作技能掌握得也更好。多元化的教學手段提高了學生學習的興趣，線上學習滿足了學生利用碎片化時間進行預習和復習的需求，達到了使學生可以自主學習和長期學習的目的，使得實驗教學事半功倍。

3 化學安全教育，虛擬仿真項目的建設與實踐

化學實驗安全是全世界高校面臨的共性問題，提升化學實驗安全教育水平也是時代發展的必然要求。化學實驗室事故往往具有不可預知性、不確定性，防范和處理稍有不當就可能釀成悲劇。基于此，東北大學化學實驗教學中心以給學生上好第一節化學實驗課為目標，堅持“虛實結合、能實不虛”的原則，開發了化學實驗安全教育虛擬仿真軟件，并在2019年被教育部認定為國家級示范性虛擬仿真實驗項目。該項目通過沉浸式虛擬仿真學習和實景模擬操作，讓學生直觀地“看見危險，做到安全”(圖3)。化學實驗教學中心還開設了化學實驗安全教育(專業必修)、化學安全與防護(通識選修)兩門安全相關課程及虛擬仿真實驗教學項目，用于化學實驗安全教學。

圖3 虛擬仿真項目體系

化學實驗安全教育虛擬仿真項目設計了不同的教學單元，教學單元從環境到設備、從儀器到管理、從消防到逃生，面面俱到，點點兼顧。主要包括以下知識點：(1) 通過三維情景式虛擬仿真環境，對危險化學品進行介紹與學習。(2) 化學實驗室“三廢”處置，包括廢液、廢氣和廢固，尤其是化學相關“三廢”處理等知識的介紹。(3) 化學實驗裝置與安全，包括化學實驗中使用的有一定危險性的加熱設備和水電煤氣等內容。(4) 實驗室環境與管理，包括在虛擬仿真情景下對化學實驗室環境和相關器皿的認識等。(5) 綜合上述學習單元，在實景仿真環境下，逐個房間排查安全隱患，包括化學品的使用、儀器裝置的放置、安全設施的正確操作等，如果操作不當會有“爆炸”“著火”等嚴重后果。本單元是對學習內容的檢驗和考核，也是對操作不當引起后果的實景模擬警示。(6) 火災逃生、消防器材使用、實驗室滅火及安全自救等參數化虛擬實訓，在3D實景情況下模擬火災發生的危險情況，演練逃生和自救方法。

化學實驗安全教育虛擬仿真實驗項目，不僅給學生提供了演練的平臺，也給學生提供了更直觀的誤操作后果實景。例如，在虛擬仿真的逃生和操作單元中，最嚴重的誤操作后果有“爆炸”和“死亡”等三維實景虛擬情景。化學實驗安全教育項目貫穿整個學習過程，可學、可練、可測、可自學、可教學、可考評，環環相扣，讓使用者身臨其境、全程參與，既能體驗學習正確的操作方式，也能真實感受操作失誤造成的嚴重后果。在本校化學及20多個相關專業70個班級近2000名學生中進行了試用之后，受到教師與學生的高度評價。學生反映，過去的安全教育只是看與考，提不起興趣。現在的安全教育我們不但能夠參與，還能“動”起來；“我們不但是學習者，還是安全檢查員”；“身臨其境讓我們知道了過去身邊不注意的安全隱患，受益匪淺”。

4 立德樹人，分析化學課程學風和思政建設

2016年習近平總書記在全國高校思想政治工作會議上強調“要堅持把立德樹人作為中心環節，把思想政治工作貫穿教育教學全過程，實現全程育人、全方位育人[4]。”如何將分析化學課程與學科中的思政元素和相關素材進行有機融合，達到同向同行的協同效應是決定思政教育傳遞效果的關鍵因素。教學團隊利用分析化學學科相關的思政元素，與時俱進地開展學風建設，實行學術道德教育，加強學生學術道德素養的培養，為學生從事科學研究打下堅實的基礎。

4.1 堅持誠信教育，樹立良好學風

分析化學教學團隊將立德樹人融入課程教學中，在人才培養的各個環節，高度重視學風和學術道德建設，主導開展的學術誠信教學活動，在基層學術組織和黨支部持續開展了10多年。學術誠信教學活動以學習鄒承魯院士撰寫的《我的科學之路》為起點，通過學習、討論和實踐等多種方式，結合高年級學生在畢業設計/論文中的實際情況，不斷普及和強化學術誠信教育，達到對課程教學的最有力補充。學生在參加完學術誠信教學活動之后表示，鄒承魯院士勤奮的學習態度、扎實的知識基礎、獨特的創新思維和求真務實的品德使他們受益匪淺，并指引他們認真投入到科研當中。

4.2 分析化學課程思政實踐

在分析化學課程的授課過程中，教師通過口頭講授、PPT、視頻等種形式，將授課內容與社會主義核心價值觀教育、職業理想和職業道德教育相結合，從而將思政案例引入到課堂，使學生樹立正確的價值觀、人生觀和世界觀。在誤差與數據處理這一章中，涉及到有關絕對誤差、相對誤差等多個與測量值、真實值有關參數的概念。真實值是指物質本身具有的客觀存在的真實數值，由于真實值是很難得知的，因此通常將理論真值、計量學約定真值或相對真值當作真值使用。在本章的授課過程中，向學生講述了我國科學家梁樹權先生的事跡。1940年，梁樹權先生精心制備所有的試劑并采用重量法反復測定，確定鐵的原子量為55.850。在其發表論文的次年，國際原子量委員會根據該數值修訂了鐵的相對原子質量為55.85。通過對梁樹權先生事跡的介紹，一方面可以增加學生的文化自信，同時也向學生傳遞了堅持嚴謹求實的科學態度的重要性。

基于分析化學知識體系中蘊含的辯證哲學內容，引導學生以辯證思維思考和解決問題。以滴定分析實驗為例，要做到“透過現象看本質”。在滴定過程中，被滴定體系的顏色會隨著加入滴定劑含量的增加而發生變化，可以借助指示劑來判斷滴定終點。在以甲基橙為指示劑的酸堿滴定實驗中，觀察到溶液顏色在紅色與黃色之間的突變現象。其本質為在化學計量點附近，隨著溶液pH的變化，甲基橙的紅色醌式形體與黃色偶氮式形體濃度之比改變，從而導致溶液顏色的突變。此外，在做實驗的過程中，要求學生對廢液進行分類、分實驗項目收集。在實驗室劃分出廢液區并且定位標識，幫助學生建立廢液處置規范化意識和習慣，增強學生的環境保護和綠色發展意識，引起對家園生態文明建設的共同關注[5]。

5 科研反哺教學，全方位培養創新型人才

分析化學是一門實驗性學科，樣品的分析檢測是分析化學的重要實踐內容。以實際樣品為出發點，從樣品預處理到分析檢測，是一個完整的分離分析過程，對這個過程涉及的理論與技術的學習和掌握，是對分析化學課程內容的提煉和內化，是學以致用的重要體現。從2008年，基于科研項目和科研成果，教學團隊對應用化學專業的本科生開設了“樣品預處理方法與技術”課程，開設本課程的目的在于使學生在經過了化學基礎課學習之后，進一步學習和掌握分析化學有關的理論知識和實驗技能，掌握對復雜樣品、實際樣品進行分離和分析的手段，為將來從事和分析相關的科研和生產工作打下一個堅實的基礎。比如，該課程的實驗教學部分包括環境水樣中除草劑的分離測定，食品中防腐劑的分離測定等，使學生清楚地了解到針對某個種類的實際樣品，如何選擇合適的分離測定方法，并在目前存在的方法上如何去創新使其效率提高。

此外，基于我校分析化學團隊在流動分析領域的研究成果處于國際領先水平，結合流動分析領域的研究工作，選取在國內/國際同領域前沿方向的科研成果，為我校本科生開設了“現代分析化學專論”課程，課程涵蓋了流動注射分析，二代流動注射分析–順序注射和三代流動注射分析–順序注射-閥上實驗室等相關系列內容。以前沿科學研究為背景，講授以流動進樣為基礎的現代分析化學方法和理論，并開設了具有我校分析化學領域研究特色的實驗項目，該課程的設置在國內同類高校中屬于首例。

化學是一門實踐性很強的學科，創新型人才的培養更需要有高水平的實驗項目作為依托。近十年，分析化學教學團隊在本科生創新型人才培養方面不斷探索，注重學生個性化發展，同時強調對學生創新思維的訓練和綜合能力的培養。本科常規教學實驗多數是驗證性實驗，教學團隊為了使學生更加熟悉科研、走近科研，在分析化學實驗中增加了自主設計實驗。學生自行組隊，每組兩人，在教師擬定的備選實驗中選擇自己感興趣或者想進一步探索的實驗項目(氟苯胺的鄰、間、對三種異構體的分離及檢測條件的優化、原子吸收法測定水樣中Cd2+的含量并評價方法的準確度和精密度、原子熒光分光光度法測定水樣中的鉛和條件實驗、納米金修飾電極測定水合肼等)。選擇實驗項目后，學生通過查閱資料，了解實驗背景、目的及意義等，自主設計實驗方案。學生在完成實驗方案的設計后與指導教師進行討論，在方案可行、實驗室條件允許的情況下即可開展實驗。自主設計實驗的安排不僅提高了學生學習的積極性和主動性，而且通過讓學生全程參與選題、實驗方案的設計、實驗操作及實驗報告的撰寫過程，激發了學生對于科研的興趣，在實踐中實現對知識的內化和升華，培養學生創新思維和分析綜合的能力。

多年來，東北大學在本科生培養中實行高年級導師制，開展并實施大學生創新實驗項目，培養學生創新能力。這些舉措不僅豐富了教師培養學生的經驗，而且更適合當今社會對創新人才的需求。分析化學教學團隊圍繞著流動分析與聯用技術、微/納流控分析、生命分析化學、納米分析與傳感、樣品預處理理論與技術、光譜與成像分析等研究方向，通過言傳身教，指導本科生從事科學研究工作，鼓勵和支持學生積極參加不同類型、不同水平的科技競賽。

6 結語

以學生為中心，基于學生的學習需求所進行的教學模式改革，為學生提供了豐富多樣的學習資源，學生取得了最佳學習效果，實現了創新思維培養的目標。教學實踐結果表明，線上線下混合+雙語的教模式、虛擬仿真項目的引入、思政元素的自然滲透、多級考評的設置等，在滿足學生個性化學習的基礎上，極大地激發了學生學習的積極性和主觀能動性，為國家一流課程的內容建設提供了參考。