針對理論-實驗教學相融合的微助教輔助實驗教學實踐
——以滴定分析實驗教學為例

賈欽相，李銀環，張志成

西安交通大學化學學院，西安 710049

1 前言

在2020年的新冠肺炎疫情的影響下，全國教育系統在“停課不停教、停課不停學”的號召下，迎來了在線教育的大爆發，開始了一場前所未有的變革[1]。高校紛紛依托各種平臺開展直播或錄播教學，如雨課堂、教學立方、超星學習通、QQ直播、釘釘直播等。然而，隨著在線教育實踐中各種問題的出現，在線教育如何與傳統教育協同發展成為了教育領域的熱點問題。目前的實際情況是，在線教育僅僅能夠取代傳統教育的部分功能而不可能完全取而代之，二者應互為補充，融合發展。因此亦有人提出了在校學生學習時間與地點靈活安排，既利用實物資源又利用數字資源的O2O(Online to offline)混合式教育的理念。另一方面，在化學這樣一門實驗科學的教學中，如何使理論教學與實驗教學一體化，達到最優的教學效果，一直是教育工作者們關注的問題。國內高校曾有人提出將全面質量管理方法“PDCA”(Plan，Do，Check，Act循環法)引入分析化學教學建立“理實一體化”教學模式，亦有人提出將教學設備和有關實驗設備同置一室，將化學理論與實驗環節重新分解、整合，安排在一體化教室中進行教學，以及應用微型實驗、仿真實驗等等。其優勢是，這種一體化融合方式確實能夠調動學生的積極性，提高教學效果。缺點是，無論哪一種，都對教師的個人素質和硬件設備提出了更高的要求，而理論教學中大量實驗的穿插，也非常容易導致教學過程中出現隨意性。因此，如何在疫情期間線上教學經驗的基礎上促進化學課程中理論-實驗教學相互融合，是我們當下面臨的問題。

滴定分析法教學是定量分析類課程中的重要組成部分。定量分析是一門起源于生產實踐的學科。隨著商品生產和交換的發展，很自然地就有了控制、檢驗產品的質量和純度的需求，于是產生了早期的商品檢驗工作。古代人已會用簡單的比重法來確定一些溶液的濃度，可用比重法衡量酒、醋、牛奶、蜂蜜和食油的質量，在公元6世紀已經出現和我們現在所用儀器類似的比重計。20世紀以來，原有的各種經典化學分析方法不斷地充實完善。直到今天，試樣中的常量元素或常量組分的測定，仍普遍采用經典的化學分析方法尤其是滴定分析方法。

“普通化學原理-2 (定量分析基礎)”是西安交通大學理科大類學生基礎必修課程，突出化學定量理論基礎、體現基本原理分析應用，旨在幫助學生在較短的時間內認知化學反應平衡的基本原理和基本規律及其如何應用于研究對象含量[2]。同時該課程也是為解決科研中與化學有關的測定技術等實際問題打好基礎的一門重要課程。其內容涉及到基于水溶液中四大平衡(酸堿、沉淀、氧化還原、配位)的四種經典滴定分析方法。通過這門課程，學生們能夠認識滴定分析法在生產和科學研究工作中的任務和作用，掌握滴定分析法的基本原理和方法，初步具備應用滴定分析知識解決實際分析問題的能力，在學生專業技能培養中具有十分重要的作用。“普通化學原理-2”實驗課程的學習既能加強學生對理論課的理解，又可鍛煉學生動手能力，提高他們分析問題和解決問題的能力，具有十分重要的意義[3]。因此，需要高度重視課程中理論和實驗課程的融合，不斷探索構建新的教學模式，提升教學效果，滿足新時代人才培養的需要。目前，滴定分析部分理論與實驗教學中普遍存在以下幾個問題：

一、理論課與實驗課的同步配合欠缺。因為時間和場地限制，實驗課與理論課的時間點有時無法很好地配合。有些情況下，理論知識還未涉及而實驗課已經開始。在緊張的操作間隙，教師在實驗課堂上很難用寥寥數語解釋清楚這些理論課上需要數學時才能完成的知識點，因而學生的疑問很難在實驗課上當場解決。也有部分情況是，理論課“先行”而隔了一段時間實驗課“后入”，該情況下理論知識并非“新鮮出爐”，學生仍然很難將理論知識與實驗操作較好地聯系起來。以上兩種情況都導致理論教學和實驗教學難以高效地協同配合達到最優的效果。

二、實驗課課堂教學效率有待提高。實驗課中有限的實驗講解時間對于學生理解實驗中的理論問題、掌握基本操作、提高分析問題解決問題的能力是非常關鍵的，然而若不加以設計和引導而是一味地灌輸PPT內容，教學效果往往不佳。有學生面對大量信息，感覺抓不住邏輯；有學生不愿意思考，覺得照講義操作任務就完成了。不管是線上還是線下的實驗課堂，都存在如何以最快的方式將學生的思維切入本次實驗的內容中并和理論課程知識點進行“連接”，帶動學生思考積極性的問題。

三、實驗課中線上教學手段未能得以充分施展。分析類課程實驗教學大多仍沿襲傳統模式，而面對新一代學生，亟需利用線上教學手段來優化教學。新一代學生在信息時代成長，熟悉電子設備和網絡化社會，非常渴望以手機、電腦等設備便捷地參與實驗教學。很多學生希望在操作中能用手機即時查看關鍵操作步驟的示意圖說明，也有不少學生偏好用手機拍下實驗現象、儀器數據，還有學生把筆記本電腦帶來實驗室現場處理數據。由此看來，一味地強令學生在實驗課上放下手機并不現實，如何讓他們以自己喜好的方式積極參與到實驗課堂中才是明智之舉。

同時，在目前疫情緩解學生返校的情況下，線上教學中的直播和交流模塊完全可以用實驗課堂現場教學來實現，在實驗課課堂教學中加入線上手段輔助教學成為更好的方案[4-10]。微助教是近年來開發的一款課堂互動信息化工具，具有線下教師備課、課堂管理、一鍵簽到、開放討論、快速出題等功能(圖1左)。與目前在高校教學中廣泛應用的雨課堂、blackboard等軟件不同的是，微助教使用靈活方便，只要通過微信即可快速登錄，組建班級，不受行政班級的授權限制。在選課學生由于時間限制不能以原有行政班級組成實驗班級時，使用該軟件尤其方便。微助教能夠快速發布隨堂答題，其答題結果可以直觀地投影，有效地吸引學生的注意力，增強參與意識，能夠改善實驗課講解中部分學生注意力不集中的情況。微助教發布的課件可作為重要操作的靜態展示，在操作練習時可即時查看，時效性很強。在理論知識先入時，微助教可輔助進行教學內容的鞏固和深化理解；在實驗操作先入時，微助教又可輔助導入問題、引發從現象到本質的思考、幫助學生更有效地把握內容并提高自主學習的能力。因此，在學生正常到課參加現場實驗教學的情況下，在實驗課堂講解和動態演示過程中結合現場教學和微助教隨堂答題及討論的功能，在學生操作過程中以微助教課件在學生手機上進行靜態演示，能夠有效提升實驗教學效率以及促進理論與實驗教學的融合。當然，在這個過程中，微助教的應用不應“喧賓奪主”，沖淡實驗課訓練基本操作、培養分析解決問題能力的主題。隨堂答題和課件都應少而精，需要精心設計配合課堂主題達到最優的教學效果。

基于以上考慮，我們提出了以微助教輔助實驗課堂教學促進滴定分析部分理論-實驗教學融合的方案。該部分教學內容涉及兩種常用的經典滴定分析方法(酸堿、配位)。理論課程中學時分配為酸堿滴定6學時、配位滴定6學時，相應實驗學時均為4學時。下面對兩種滴定分析的微助教輔助實驗教學在小班初步開展的情況如課堂設計、問卷反饋等逐一介紹。

2 微助教輔助滴定分析實驗教學實施方案

2.1 酸堿滴定

酸堿滴定是以酸堿質子傳遞反應為基礎的一種滴定分析方法，理論教學相關內容為酸堿指示劑的原理、酸堿滴定曲線和酸堿指示劑的選擇，以及酸堿滴定的應用實例。酸堿滴定部分實驗教學內容為經典實驗“酸堿標準溶液(鹽酸、氫氧化鈉)的配制與標定”。酸堿滴定內容通常被放在四大滴定分析法的第一位來介紹，一方面是由于其中涉及到的酸堿平衡處理方法是其后三種滴定分析方法中討論滴定條件的基礎知識；另一方面，四大滴定的教學有共通之處，都要討論相關的滴定曲線和指示劑變色原理，而酸堿滴定是學生較為熟悉的在中學階段已經建立起直觀印象的內容，從其入手能讓學生更快地把握滴定分析部分的知識邏輯。對于學生來說，在這個實驗開始前已經完成了定量分析概論、滴定分析概論和酸堿平衡的學習，具備了定量分析中的基本概念如誤差、有效數字及其運算規則、酸堿平衡的相關處理和計算方法等先行知識基礎。表1列出了酸堿滴定分析部分理論教學與實驗教學能夠關聯的重要知識點及實驗課堂上采用的教學方式。酸堿滴定分析部分實驗教學的任務一方面是深層理解學生已有的直觀印象背后的原理，如酸堿指示劑變色表象后滴定過程中pH變化的規律、標準溶液配制與標定的思路等；另一方面，是通過實驗課上學生對電子天平、移液管、滴定管這些常見定量分析儀器的操作練習來深入理解定量分析中貫穿始終的誤差、有效數字等基本概念。該堂實驗課教學“承前啟后”，做好課堂設計促進理論實驗教學融合，對后面的其他滴定分析方法的教學意義重大。

表1 酸堿滴定部分理論教學與實驗教學的關聯點及相關教學方式設計

因此，在“酸堿標準溶液(鹽酸、氫氧化鈉)的配制與標定”實驗教學中我們做了如下設計。

1)預習準備。首先，利用微信群提前發布通知要求學生預習實驗講義內容，并使用微助教平臺提前發布了展示滴定管滴定手勢及常見錯誤的課件(圖1右)。

2)課堂講解。按順序介紹實驗目的、原理及內容進行重點操作演示。

3)隨堂答題。在聽講結束后，用微助教發布理論-實驗關聯內容的6道題目(表2)，并現場總結點評。

表2 酸堿滴定部分微助教輔助練習

4)操作練習。在學生操作過程中來回巡視，及時檢查其操作是否準確、讀數是否與儀器的精度一致，若發現錯誤及時糾正。

5)點評總結。實驗結束后，以小組為單位檢查學生實驗數據，著重關注的問題有：一、平行數據精密度情況；二、基準物質稱量質量和滴定讀數是否與儀器精度吻合。若發現問題，再次糾正，并和學生討論分析可能的原因及今后如何避免類似問題。

2.2 配位滴定

配位滴定是基于配位反應的滴定分析方法，主要使用的滴定反應是EDTA和金屬離子之間的配位反應。理論教學相關內容為EDTA與金屬離子的反應、金屬離子指示劑變色原理及其封閉僵化的問題，以及配位滴定法測定水硬度的實例。配套的實驗為“EDTA標準溶液的配制與標定及水的硬度測定”。對本次實驗教學來講，基本操作學生已經熟悉，但是按照課程編排，實驗教學先于理論教學。理論與實驗課程融合的難點在于如何通過實驗理解金屬離子指示劑變色原理，如何通過實驗中測定鈣鎂總量和分量時控制不同的酸度，讓學生理解酸度控制對EDTA配位滴定法的作用(表3)。而實驗課堂上講解時間有限，必須迅速有效地切入要點，讓學生在最短時間內掌握瑣碎實驗操作后隱藏的基本原理。

表3 配位滴定部分理論教學與實驗教學的關聯點及相關教學方式設計

因此，在該實驗講授時先和上節課學習過的酸堿滴定類比引出問題，逐一點出關鍵的EDTA、金屬離子指示劑、pH控制(圖2)。而后用微助教即時發布了相關的3個隨堂答題，第一題為圖片單選題(選擇本實驗可能看到的金屬離子指示劑變色情況)，第二題為封閉式問題(本實驗中應選用哪類滴定管)，第三題為開放式多選題(在配位滴定中為什么要控制一定的pH)。前兩個問題根據現場講解，多數同學都能很快正確作答。第三題開放多選，現場答題情況是所有同學同意A選項“配位滴定中，溶液pH對EDTA與金屬離子配合物的穩定性影響很大”這一選項，而B選項“金屬指示劑的變色點會隨著pH變化而變化”、C選項“防止被測金屬離子水解”、D選項“可以消除干擾離子的影響”則看法不一(圖3)。于是，此時請學生就B、C、D選項發表自己的看法，然后逐一和實驗中的測定條件去對應。由問題導向引發學生積極主動地思考，可在理論課堂上作為導入展開相關原理的教學。在完成該實驗后，在配位滴定理論課講授時以該實驗內容引入，能夠明顯感覺到課堂氣氛變得積極，學生能夠主動思考在實驗實踐中發現的問題，抽象的理論知識導入時有了“支撐點”，收到了良好的效果。

圖2 微助教中的課件展示及配位滴定實驗課堂習題答題情況

圖3 微助教界面中配位滴定實驗課堂習題答題情況

2.3 教學反饋

為了了解微助教輔助實驗教學的學生體驗，在滴定分析實驗教學部分結束后發放調查問卷，對本次參與嘗試的小班學生進行了教學體驗調查。問卷內容一方面調查微助教輔助的實驗課堂教學對于滴定分析教學的具體作用效果，另一方面了解學生對于微助教輔助的課堂組織形式的體驗和意見。從表4可以看出，多數學生對微助教輔助的實驗課堂教學在提升實驗課學習效率、促進理論-教學融合的效果方面給予了肯定，尤其受學生歡迎的一點是能在手機上即時查看預習資料和操作現象的靜態圖片。同時，學生們也希望更多地開發微助教輔助形式的預習課件發布功能。從具體的教學效果來看，微助教輔助實驗教學對于加深理解滴定分析教學內容中那些理論-實驗教學的“關聯點”效果是明顯的。由此說明，微助教輔助實驗課堂教學的確在構建高效課堂、促進滴定分析理論實驗教學融合的方面起到了積極作用，是值得推廣和發展的一種教學形式。當然，作為微助教輔助的初步嘗試，不足之處在所難免，存在有待提升和改進的方面。其管理形式有待完善，如應用微助教的討論模塊，建立微助教輔助的評價指標等。另一方面，微助教教學素材有待擴充，如一些拓展性的關于滴定分析實際應用的圖片視頻資料仍有不足。

表4 微助教輔助教學在滴定分析實驗課堂教學中實施的調查結果

3 結語

綜上所述，我們在疫情推動的線上教學模式經驗基礎上，在滴定分析實驗教學中初步嘗試了微助教輔助實驗教學。利用簡單易行的微助教小程序，在實驗課預習、講解中引入靜態演示、動態演示、隨堂答題等元素，建立了微助教輔助實驗教學模式，并收集了學生的反饋。該模式適應了信息時代學生的需要，利用微助教輔助為手段，可將教學目標內容、教學方法、教學資源等元素協同運作，有效地促進了滴定分析教學中的理論教學和實驗教學相互融合。當然，在初步實踐中也發現了一些組織管理、資源素材方面的不足之處。今后將針對上述問題進行改進和完善，如將預習、課堂互動、討論、報告、課后題等全面納入微助教進行管理，擴充微助教教學素材和題庫，進一步進行線上線下混合實驗教學設計，增加實驗教學深度和廣度，孵化課程的“高階性、創新性和挑戰度”，全面培養學生創新能力。