面向一流課程多維度推進無機化學實驗課程改革與實踐

馬藝，魏靈靈，李淑妮，薛東旭，徐玲，張偉強，焦桓

陜西師范大學化學化工學院，西安 710119

1 前言

作為教育部直屬的師范類本科院校，我校一直以來以師范專業卓越教師培養、非師范專業拔尖創新人才培養為目標，為祖國不斷輸送具有西部紅燭精神的各級各類優秀專業人才。化學化工學院作為我校 “一頭兩翼”一流學科中的重點單位，在人才培養中肩負著重要職責。無機化學實驗是化學、化工、材料、生科、食品等專業大一新生入校的第一門專業必修實驗課。其在整個化學教學中占有舉足輕重的地位，肩負著引導學生進入、適應大學學習，激發學生學習興趣以及培養學習習慣的關鍵性作用，同時也發揮著銜接中學與大學教育，訓練學生思維模式轉變的作用。因此，該課程的持續改革創新是提升整體化學教學質量的基石。

近年來，我院依托陜西師范大學國家級化學實驗教學示范中心、國家級化學虛擬仿真實驗教學中心對無機化學實驗課程的軟件及硬件方面進行了多方位的改革。例如，2010年起對實驗考核方式和教學方法進行變革，逐步形成了過程考核模式；2013年以來，教學團隊圍繞無機化學實驗改革和創新進行教學研究，撰寫發表了多篇教學研究論文；2015年教學團隊組織編寫了由高等教育出版社出版的《無機化學實驗》和配套的《無機化學實驗手冊》；2016年將Blackboard(Bb)教學平臺引入教學過程；2018年嘗試進行課程思政建設；2019年及2020年將虛擬仿真實驗引入教學內容。通過多方位的改革措施使無機化學實驗教學效果和手段都得到了極大的提升。本文將圍繞以上改革內容，對改革實施方法、實施效果、典型實驗教學過程等內容進行詳細闡述，為相關課程的改革提供有力借鑒。

2 課程改革主要方向

為實現無機化學實驗一流課程建設，使其成為培養優秀化學人才的肥沃土壤，改革實施必須具有多元化、多角度的特點[1,2]。因此，我們的改革方向包含了教學內容、考核模式、教學平臺、課程思政以及教學總結等多方面，下面將對這幾方面進行具體闡述。

2.1 教學內容

無機化學實驗是一門運用無機化學理論知識進行實驗技能操作訓練的課程。其教學內容與無機化學緊密相關但又不拘泥于教材。針對無機化學實驗內容老舊、脫離實驗技術前沿發展等問題，我們對教學內容進行了梳理和調整。在保留經典操作實驗的基礎上增加了創新實驗、虛擬仿真實驗等內容。針對實驗內容不同劃分為四部分：

① 基礎操作類實驗。該類實驗占比約35%，實驗內容主要保留歷年教材中的經典實驗，例如粗食鹽的提純、硝酸鉀的制備和提純，此類實驗以訓練無機化學基本操作為目標，訓練內容包括藥品的稱量、反應的加熱、蒸發結晶、抽濾、離心等。

② 元素化合物的性質實驗。該類實驗占比約35%，與無機化學理論課程的元素化學部分聯系最為緊密，例如“氧、硫、氮、磷”“鐵、鈷、鎳”，以各個元素的鑒定方法、分離方法、特征反應為考查目標。

③ 綜合類實驗。該類實驗占比約15%，以無機物的合成及組成或性質測試為教學內容，例如三草酸合鐵酸鉀的制備及組成測定、多碘鹽的制備及分析，該類實驗以培養學生無機化合物的合成以及性質分析的綜合能力為主要目的。同時，我們還注意將歷年化學實驗競賽實驗引入教學，培養學生在實驗過程中獨立分析問題、解決問題的能力，在日常教學中為各級各類學生實驗和學術競賽做好準備。

④ 創新類實驗。該類實驗占比約15%，實驗內容主要選取科研領域具有重大理論和應用意義的典型實驗，例如氧化性石墨烯的制備、化學共沉淀法制備K2GeF6:Mn4+等。該類實驗緊跟科技前沿，對實驗背景知識的學習頗為重要，為學生了解科學動態發展搭建橋梁，培養學生的創新精神以及關注科研動態的學習習慣。

調整后的實驗教學內容既能保證學生掌握和鞏固無機化學實驗基本技能、基礎理論和基本知識，又能提升學生的綜合實驗能力以及探索創新能力。創新類實驗的內容將根據科技前沿不斷更新，打造成低年級學生了解、接觸科技前沿的窗口。

2.2 考核模式

實驗課與理論課不僅在教學形式方面存在著較大差別，其考核方式也應根據課程的學習特點加以區別。教學團隊經過多年摸索，逐步形成了突出“過程化”考核，輔之以根據實驗內容設計考核辦法的差異化實驗考核模式。例如，無機化學實驗(上)的教學內容大多為制備實驗，每個實驗均有可量化的產品指標和明確的實驗操作考查點，因此該學期實驗成績以平時成績為主要依據。而無機化學實驗(下)大部分內容為性質實驗，其操作簡單，且沒有可量化的產品，學生在實驗過程中區分度較低，因此，該學期的實驗成績評估中，考試實驗占比份額較大。此外，為了更好地考查學生對基礎知識、基本理論的掌握程度，我們針對每個實驗設計了小測驗，該測驗成績也納入到期末成績當中。而對于創新實驗，不僅考查學生的操作水平和產品指標，我們還通過學生撰寫的小論文考查對創新實驗相關背景、知識的了解情況，并通過該過程訓練學生查閱資料、分析資料、整合知識的能力，以提升其自我學習的綜合素質。

2.3 教學平臺

在現代多媒體技術、通訊技術飛速發展的今天，知識的獲取和傳播途徑已經從線下的實體課堂、實驗室擴展至多種線上模式，不僅包含了各類教學平臺，還包含了虛擬仿真實驗平臺。本教學團隊近年來在這兩類平臺的建設方面均取得了標志性的建設成果。

Bb平臺是用于加強網絡教學、輔助課堂教學以及提供互動交流的專業網絡教學平臺[3]。本教學團隊在2016年將該平臺引入無機化學實驗教學，為學生搭建了實驗學習的第二課堂。平臺為每個實驗提供了課前和課后多個學習模塊。課前模塊主要包含實驗背景知識、實驗預習視頻、小測驗等，不僅豐富了實驗相關的理論知識，更將預習過程從單純的文字學習提升至視頻學習，為學生在課前提供了重點實驗操作的學習資料，大大提升了預習效果及課堂實驗操作規范性。課后學習板塊主要包含實驗報告的提交、問題討論等內容，方便實驗報告的保存，總結，并為學生的答疑解惑提供了平臺。此外，平臺上還專門設立了實驗不規范行為曝光欄，以圖片形式上傳教學過程中的不規范實驗行為，在引導學生形成正確實驗操作及良好實驗習慣方面起到了積極督促作用。

在當前的實驗教學中線下實驗教學依然保持主流、不可替代的地位，但線下實驗存在時間、空間、設備、安全性等方面的局限性，特別是新的實驗技術、實驗內容引入到教學當中需要克服種種困難。因此，虛擬仿真實驗作為實驗教學的輔助教學模式之一逐步進入到各級本科院校[4-6]。本教學團隊在2019年成功申報了國家級虛擬仿真教學項目“人工光合成清潔燃料綜合化學虛擬仿真實驗”，并在2020年疫情期間以及后疫情時代的本科教學中發揮了積極的作用。

此外，我們還積極引入大學慕課平臺上的優質課程資源提升學生的學習興趣和效果。例如大連理工大學的無機化學實驗及其配套的MLabs手機端虛擬仿真實驗，作為元素化學實驗的輔助教學素材，實驗室安全模擬訓練等內容也可以提升學生實驗室安全素養。在使用優質的兄弟院校資源外，我們也在該平臺上創建了多個具有本教研室特色的虛擬仿真教學實驗(圖1)，例如“氨堿法制備碳酸鈉”中采用自行設計的二氧化碳發生裝置，“氟化物的制備”采用本教學團隊教師的科研成果等內容，這些內容將與線下實驗教學有機結合培養學生的創新實驗思維。

圖1 Mlabs移動端中的陜西師范大學虛擬仿真實驗界面

2.4 課程思政

習近平總書記2016年在全國高校思想政治工作會議上的講話中指出，高等學校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，努力開創我國高等教育事業發展新局面[7]。如何在無機化學實驗課程上深挖課程思政，在教學過程中“潤物無聲”地將思政元素融入課堂，是近年來各類課程改革的重點[8]。教學團隊通過學習討論、實踐摸索、個人總結等方式針對每個實驗進行了課程思政元素的挖掘，總結出包括嚴謹的科學精神、深遠的科學視野、綠色環保意識、社會責任感、創新知識產權意識、唯物主義精神、實事求是精神等思政元素。例如，在“氧化型石墨烯的制備”實驗中，我們結合實驗方案以及具體操作，引導學生了解國內外研究現狀，激發學生的愛國情懷、科研自信、勤于思考、勇于探索的精神，使學生深刻體會到中國科學家在石墨烯發展中的重要貢獻和全球性科技競爭的普遍性，進而達到實驗課與專業基礎課、思政教育相結合的全方位教學，促進學生綜合素質的全面提升[9]。通過思政元素的融入，使學生在學習實驗知識的同時始終以較高的精神追求為前提，從潛意識里努力成為一名品德高尚且志向高遠的化學人。

2.5 實驗教材與教學文章

在不斷推進以上改革方向的同時，我們對改革成效也及時進行總結，做到改革與總結并行，這樣才能及時發現問題、解決問題，實現改革的持續創新。其中，在實驗教材方面，我們在2015年出版了無機化學實驗教材及配套參考書(圖2)。《無機化學實驗》教材中更新了包括MOFs材料、氧化型石墨烯、熒光粉、阻燃材料等基于團隊教師科研工作進展的材料制備實驗。《無機化學實驗手冊》與教材配套使用，增加了相關實驗的背景知識、實驗操作關鍵點、思考題答案等內容，便于教師和學生快速掌握實驗重點內容。此套教材在近5年的教學實踐中取得了較好的教學效果，學生對實驗的內容掌握更加精準，同時由于提供了實驗操作的關鍵點，使教學實驗成功率大大提升。

圖2 主編教材及參考書——《無機化學實驗》及《無機化學實驗手冊》

除了教材更新之外，對于實驗教學的點滴改進，我們均以教學論文的形式進行總結。近五年來發表教學論文20余篇，內容涵蓋教學內容的改進[10]、創新實驗的引入[11,12]、教學平臺的使用[13,14]、儀器設備的改進[15,16]、思政元素的巧妙融入[9,17,18]等，通過及時總結更加深入地使改革持續進行，也為兄弟院校的相關教學提供了一定的參考。

3 典型教學實例

以上改革要點在無機化學實驗教學中均得到了體現，典型的實驗教學流程如圖3所示，一般包含課前預習、課堂教學、實驗操作以及報告及評價幾部分。

圖3 典型實驗教學流程圖

下面以線下線上混合實驗教學“二氧化碳分子量的測定”為例具體闡述。“二氧化碳分子量的測定”是將理論與實踐結合的典型實驗。實驗運用到的理論包括阿伏伽德羅定理、克拉伯龍方程以及二氧化碳制備的化學原理等，學生需要掌握的實驗技能包括氣體的制備、純化以及分析天平的使用，下面具體闡述該課程的實施過程。

3.1 課前預習

課前預習學生將依托教材內容以及Bb平臺上資料展開。如圖4所示，在平臺視頻資料文件夾中的實驗基本操作中提供“分析天平的使用”小視頻，在課程實驗預習視頻中提供“二氧化碳分子量的測定”小視頻，使學生在課前就可通過直觀的視頻演示了解本次課程重點實驗操作。同時，預習完成后將下載實驗報告模板，完成實驗報告的預習部分，包含實驗目的、實驗原理、實驗步驟以及思考題。該過程充分利用網絡教學平臺及多媒體資源，實現預習過程不拘泥于書本、文字等固定形式，從而使學生在實驗前通過反復觀看視頻充分熟悉分析天平的使用及其氣體發生裝置的具體結構及搭建注意事項，大大提高了實驗效率及成功率。同時，個性化實驗報告模板的提供使學生能將更多精力放在知識點的掌握，提高了其學習效率。

圖4 Bb平臺上“二氧化碳分子量的測定”預習視頻資料

3.2 課堂教學及實驗操作

實驗課堂教學環節包含預習情況檢查、實驗講解以及重點操作演示。其中，預習情況的檢查可通過多種形式。例如，該實驗中“阿伏伽德羅定理”及“克拉伯龍方程”的定義、方程表述形式、使用條件等采用課堂問答形式，考查學生對理論知識的掌握情況；分析天平的使用采用翻轉課堂模式，讓學生獨立進行天平使用的演示和講解，并鼓勵其他同學進行檢驗和補充，充分調動了學習積極性；此外，在講述新型裝置的正確搭建方式時，置入雨課堂小問答環節，檢驗整體學生對氣體吸收瓶結構的正確理解以及對氣體發生裝置搭建的注意事項的掌握情況。實驗講解努力通過圖文并茂的課件形式將重點知識和操作呈現給學生。講授過程從課題的引入到原理的分析再到步驟剖析，并重點講解了該實驗中我院教師設計發明的新型氣體發生裝置(圖5)，鼓勵大家對實驗裝置從“拿來就用”逐步轉變為不斷質疑、不斷探索的創新模式。同時，以此為思政出發點，通過教師照片、專利證書等直觀圖片的展示激發大家的自信心，使學生產生了對具有自主知識產權實驗裝置的自豪感，無形中將民族自豪感、創新思維等思政元素融入課堂。

圖5 課堂教學部分課件內容：引題(左)、實驗原理(中)、氣體發生裝置講解(右)

實驗安全培訓一直以來是實驗教學的重中之重，然而傳統的基于文字知識的教學形式難以使學生在發生緊急情況時快速響應。在本教學案例中，濃硫酸的使用和濃酸灼傷的處理方式一直是教學安全的重點，我們結合線上虛擬仿真實驗練習來完成該部分教學，以期達到更好效果。學生將在教師課堂授課完成后、實驗操作開始前進行虛擬仿真的練習。圖6展示的是手機端MLabs虛擬仿真體系的界面，學生將從該APP中進入“突發機應急事件處理”模塊，并正確完成“濃酸灼傷”的突發事件處理步驟。該過程以三維動畫形式推動學生完成虛擬的濃酸灼傷處理過程，較文字描述更直觀，也更有效地保證了學生在遇到突發事件時的處理能力。完成該步驟后，學生即開始實驗過程，完成實驗并記錄數據。

圖6 MLabs虛擬仿真實驗“濃酸灼傷”實驗界面

3.3 報告及評價

課堂教學完成后，學生將基于實驗內容完成實驗報告的實驗現象、數據記錄、數據處理等內容，現象包括二氧化碳氣體產生的現象，錐形瓶充滿的檢驗現象等，數據包括瓶+空氣質量、二氧化碳+瓶質量、瓶+塞子質量等，數據處理包含計算得到的二氧化碳分子量以及二氧化碳分子量百分誤差等。學生將已完成的實驗報告提交至Bb平臺相應模塊，同時在線完成二氧化碳分子量的小測驗。教師可在線批改報告，并查看測驗成績。實驗報告成績及小測驗成績將并入最后期末成績。同時，該實驗在Bb平臺上開辟了討論版，要求學生結合本次實驗中氣體發生裝置的使用體會，在討論區發表使用心得，包括新型氣體發生裝置與啟普發生器的區別？我們的優勢在哪里？如果讓你來設計，該裝置還有哪些地方可以進行改進？這些內容都激發了學生對實驗的再次反思，有利于其創新思維的培養。鑒于教學平臺在知識傳播和教學討論方面的重要性，學生在網絡平臺上的活躍度也是最終實驗成績的重要參考內容。

4 結語

無機化學實驗課程的改革關乎化學類學生培養的基石，我們根據教學需求重新梳理了教學內容，將經典教學內容與創新實驗內容相結合，教學模式從單一的線下教學發展成為線上線下混合教學，將考核模式做到與具體教學內容相配套，在教學中積極融入思政內容，及時總結教學過程及效果。在以“二氧化碳分子量”的教學案例中，線上線下混合式教學模式的使用、新型教學手段包括雨課堂的使用、虛擬仿真實驗的引入都充分激發了學生學習的積極性，取得了良好的教學效果，同時創新思維、民族自豪感等思政元素的巧妙引入，也為培養具有創新理念的高素質化學人才進行了探索。

無機化學實驗課程改革需要長期堅持和持續推進，我們立足于快速發展的科技時代，應緊跟時代發展的腳步，積極吸取兄弟院校的教學經驗，取長補短，不斷總結，不斷質疑，才能更進一步提升無機化學實驗的課程育人價值，推進課程質量文化的進步。