綜合性化學實驗的線上線下混合式教學
——以水泥分析為例

曾秀瓊，徐孝菲，委育秀，蔡吉清

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/實踐學科，化學實驗教學在培養高素質大學生中起著舉足輕重的作用。為了更好地提高學生自主學習積極性，強化學生綜合實驗能力，各高校都開展了一系列的教學改革，特別是探索了互聯網+的教學模式，其中線上線下混合式教學發揮了重要作用[1-5]。

綜合性化學實驗的開展能培養學生的創新意識和全方位實驗技能[6-9]。但在教學實踐中，由于綜合性實驗項目涉及知識點較多、操作較為復雜，指導教師往往要花很多時間來講解理論或者演示操作，使得學生自主實驗的時間很少。近3年多來，我校依托多個互聯網+平臺，在綜合性化學實驗中開展了一些教學實踐，通過融入課程思政元素、強化課前自主學習、縮短講解時間、增加自主實驗等，提高了學生的整體素質和綜合創新技能，取得了較好的效果。下面以水泥熟料分析實驗為例進行說明。

1 教學分析

1.1 教學內容與目標

重量分析和配位滴定是化學分析實驗中的重要組成，其中綜合性實驗“水泥熟料分析”對水泥熟料進行的全組分分析[10-12]，就是重量分析和配位滴定的一個典型實例。我校采用的分析方法源自國標，所涉及的實驗內容和項目很多[13]，概括如下：采用NH4Cl-強酸法分解水泥熟料試樣；采用常壓過濾分離不溶物和試液；將不溶物高溫灰化并恒重以測定SiO2含量；pH 1.8-2.0時，以磺基水楊酸為指示劑，用EDTA標準溶液滴定試液得到鐵含量；采用返滴定法測定鋁含量，定量加入過量的EDTA標準溶液，再以CuSO4標準溶液進行返滴定；pH 13時，以鈣黃綠素-甲基百里酚蘭-酚酞(簡稱CMP)混合物為指示劑，用EDTA標準溶液滴定試液得到鈣含量；pH 10時，以酸性鉻藍K-萘酚綠B (簡稱K-B)混合物為指示劑，用EDTA標準溶液滴定試液測定鈣和鎂的總量。

通過這個實驗可達成以下實驗目標：掌握重量分析法測定水泥中SiO2含量原理和基本操作；鞏固和掌握配位滴定法的原理和指示劑的工作原理；理解酸度控制、掩蔽劑和滴定方式等因素在多種離子共存時分別測定中的應用；掌握沉淀生成、過濾、洗滌、灰化、灼燒等重量分析的基本操作；通過復雜樣品的分析和測定，培養學生綜合分析問題和解決問題的能力。

1.2 學情分析

本實驗屬于我校“基礎化學實驗I”課程(3學分)里的教學項目，該課程面向低年級化學專業本科生開設，以16-18名學生為1個教學班，配置1位指導教師和1位研究生助教。學生有一定的化學實驗基礎，但由于實驗課獨立開課，使得他們的理論部分還是相對欠缺。

在以往的教學實踐中，為了講解涉及的基本原理和基礎知識，并演示水柱制作和馬弗爐操作等，指導教師需要講解近2學時，留給學生實驗時間不到4學時，因此學生只能忙于照搬教材完成必做實驗，使得學生不但無法真正掌握“三基”知識，而且顧不上開展探究實驗。

此外，原始數據及其處理結果直接反映了學生實驗水平，也是評價實驗成績的一個重要指標，因此個別學生會產生篡改實驗數據的念頭或者行為。

1.3 教學策略

針對以上教學問題和學情分析，建設了數字化教學資源，分課前、課中和課后開展混合式教學；開發了基于微信公眾號的實驗數據提交及評分模塊，使實驗成績評價更加科學和高效。

2 混合式教學設計

2.1 科學思維與科學精神培養

以設計實驗培養科學思維和科學精神。提前布置探究性或者設計性實驗項目，如，水泥中其他微量離子測定、試液中鐵鋁鈣鎂含量的其他測定方法、試液中硅酸含量的測定等，讓學生自行分組分工，提前查閱資料、設計實驗方案，利用課堂時間以團隊形式完成。

以如實記錄和規范操作培養科學素養。指導教師注重對學生進行多方引導，一則要求學生堅持實事求是的科學態度，如實記錄和處理實驗數據；二則鼓勵學生對不良數據及結果進行分析，找出問題源泉、找到解決方法，領會“失敗是成功之母”的真諦。此外，指導教師還向學生傳授水泥質量關系國計民生和水泥檢測數據一定不能造假等觀念，讓學生樹立強烈的社會責任感。

2.2 線上學習資源建設及應用

以教學視頻輔助教學。本實驗項目涉及到的知識點很多，2018年以重量分析原理、配位滴定原理和實驗操作為單元制作了以下三個講座視頻(圖1)，以便學生根據自身情況，按菜單選擇觀看和學習：水泥熟料測定原理、重量分析法原理；水泥熟料中二氧化硅及鐵鋁鈣鎂含量的測定、重量分析法的基本操作；滴定分析法及其指示劑變色的基本原理、EDTA的結構及其分析特征。由于后續教學中不斷有學生反映對濾紙準備、水柱制作、沉淀包裹等操作掌握不好，因此在2020年夏學期又補拍了這幾個微視頻。

圖1 相關的教學視頻

所有這些教學視頻都發布在“中心網站”和“學在浙大”等教學信息平臺，以便統計和監督學生的線上學習情況(圖2)。

圖2 發布的教學視頻及線上學習情況統計

以問題引導學生預習。為了引導學生有目的地觀看教學視頻并進行知識歸納，在新編講義里特意編寫了相關的思考題，要求學生觀看后簡略回答。如，(1) 定量濾紙和定性濾紙的區別有哪些？(2) 什么是恒重？如何進行恒重操作？(3) 簡述重量分析法的原理及基本操作。(4) 簡述配位滴定法的基本原理。(5) 為何不能直接測定鎂離子？(6) 為何采用返滴定法測定鋁離子？(7) 如何實現多種離子共存時的分別測定。

以線上練習卷鞏固預習情況。為了督促學生自主有效地學習，每次實驗都設置了課前練習卷。學生課前自行登錄“浙大化學實驗教學中心”微信公眾號(以下簡稱中心公眾號)完成線上練習，此部分題目以實驗講義和教學視頻內容為主，大部分為單選題，不計入總評成績。學生提交后，不但能立即查看成績，而且可以查看錯題，這樣學生能根據練習卷情況及時知曉課前學習的掌握情況。時間設置為15分鐘，共20題。

2.3 課中實施

以線上考試卷檢查預習情況。線下課堂教學時，首先召集學生登錄中心公眾號完成線上考試卷。考試卷難度大于練習卷，以多選題為主。提交后能查看成績和錯題，進一步強化學生對知識的掌握。時間設置為8-10分鐘，共20-25題。

以問題強調重點和難點。通過課前準備，學生已經掌握了相關的“三基”知識，因此指導教師不需把實驗原理和實驗步驟重新講一遍，更不需要演示實驗操作，而是通過設計一些更有針對性的問題，以提問或小組討論等互動形式強調關鍵步驟以及安全要點等，這樣可以節省大量的講解時間，講解時間由原來的1個多小時縮短到20分鐘左右。

以自主實驗和探究提高創新能力。學生開始自主實驗，教師和助教巡查。若學生對實驗操作或實驗步驟有疑問，可以自行走到教學一體機前，觀看教學視頻或者課件，也可以和教師或助教討論。由于講解時間縮短、對實驗內容和操作胸有成竹，學生不但能從容地順利完成實驗，而且還有時間實施課前設計好的探究方案。

以線上數據提交和評分強化如實記錄及過程考核。學生實驗結束并整理實驗臺后，線上提交實驗數據。學生登錄中心公眾號，在系統對話框里依次提交實驗的原始數據，再經教師或助教檢查后線上簽退，才能離開實驗室(圖3)，這樣可以讓學生形成如實記錄實驗數據的習慣。

圖3 “數據提交及評分”和“簽入簽出”系統

2.4 成績評價與課后鞏固

對于課后的實驗報告，不要求學生再抄一遍實驗原理或者實驗過程，而是注重數據處理與分析、對實驗過程的體會、對探究實驗的思考等方面。如本實驗要求學生依照國家標準評價水泥熟料試樣的質量，提出對測定方法的完善方案等。

對于指導教師而言，由于有了“線上數據提交及評分”模塊，可以很方便地評價學生的原始數據及結果。對于水泥熟料分析實驗，學生在實驗報告中需要給出SiO2、Fe2O3、Al2O3、CaO和MgO這5個組分的百分含量，使得傳統的批改工作量很大，教師需要逐個核算并分項給分。開發“線上數據提交及評分”模塊后，該模塊能根據學生提交的原始數據自動給出各個組分含量及其測定的準確度和精密度，并根據模塊預設的準確度和精密度的評分標準給出分項得分及總分(圖4)。預設的評分標準可以通過后臺進行修改，以適應不同水泥試樣。說明一下，學生提交原始數據后看不到模塊顯示的數據結果和評分，這樣也能考查學生在完成實驗報告中數據處理部分的細致程度。

圖4 系統導出的數據結果及評分

3 教學效果與評價

混合式教學開展以來，得到了學生很高的評價。對于基礎扎實的學生來說，既避免了長時間課堂講解的無趣，又有更多課堂時間進行探究性實驗或者鉆研實驗中出現的問題；對于基礎薄弱的學生來說，可以反復或者重點觀看教學視頻，在課前把不懂之處弄懂。學生普遍反映，這種授課方式具有獨特的優勢，線上學習省去了以往課堂教學中冗長的講解，同時以視頻的形式觀看實驗講解或操作更能留下更深刻的印象，再加上課前練習卷的鞏固，能達到非常不錯的效果。特別是有同學評價到，看了水柱的制作視頻，明白了如何能高效地進行常壓過濾，達到了事半功倍的課堂效果。

通過開展線上線下混合式教學，學生整體素質提高了，學生自主學習積極性高漲了。教師們對這種混合式教學也給予了很高的評價，他們普遍認為能有空暇開展更多的師生互動和啟發式提問，批改實驗報告輕松多了，評定實驗成績公平科學多了。

4 結語

為了積極響應教育部加強思政建設和金課建設的號召、適應互聯網+的快速發展、改革化學實驗課程的教學模式，在綜合性化學實驗中開展了線上線下混合式教學。通過融入科學思維與科學精神等思政元素、建設教學視頻等數字化資源、開發線上考試系統及“線上數據提交及評分”模塊等多種模式，取得了很好的教學效果。我們將總結并借鑒同行們的成功經驗，繼續探索新時代下的化學實驗教學模式，為培養德智體美勞的高質量人才而努力[14,15]。