分析化學實驗課程線上線下教學改革與實踐

崔培培，王曉艷，高素華，薛松

（天津理工大學化學化工學院，天津 300384）

0 引言

化學是一門以實驗為基礎的自然科學，化學實驗教學也是本科教學的重要環節。分析化學實驗課程是為了鞏固和加強學生們對分析化學課程基本原理的理解和掌握，樹立準確的“量”的概念，培養學生獨立思考問題、解決問題及實驗實際操作的能力。因此，分析化學課程的理論教學與分析化學實驗課程教學是完整不可分割的一個體系，其中分析化學實驗與分析化學理論課程密切相關，搞好實驗教學，是完整掌握分析化學知識的重要環節。

天津理工大學化學化工學院、環境科學與安全工程學院的大一學生均必修分析化學實驗課程。其中，化學化工學院各個專業修分析化學實驗A，為48 學時，環境科學與安全工程學院各個專業修分析化學實驗B，為16 學時。目前授課教師僅有兩位，且無實驗員配置；實驗室僅有兩個；授課班級化工學院為11 個，環安學院為10 個，每班30～40 人不等。由于班級多，教師少，實驗場地有限，通常實驗課從開學初期便開始進行，即學生在沒有理論知識支撐的情況下，就進入實驗室進行實驗課程的學習；且授課模式大多為教師講解，學生按部就班完成實驗。而多數大一新生，由于高中多年題海經歷，通常重理論、輕實踐，多數同學對于實驗課程的學習重視程度不夠，學生實驗課主動性不高，教學效果不理想，部分學生甚至出現數據造假、報告抄襲等現象。如何利用現有教學資源，以及如何利用網上的一些免費教學資源，進而提高分析化學實驗課程的教學質量，是我校實驗課程教師一直在思考的問題。分析化學實驗課程的教學改革已勢在必行。

近年來，由于互聯網相關技術的迅猛發展，為各學科進行線上教學提供了物質基礎和技術儲備，線上線下混合式教學模式在高校中廣泛開展[1]。線上線下混合教學模式的構建，一方面需要有適用于師生的線上教學資源[2]；另一方面，還需考慮學生學習的自主性。學生學習的主觀能動性需要學生養成良好的學習習慣，此外也可以采取合適的制度進行加強。近兩年來，新冠疫情極大地影響了各個學校的正常教學秩序。各個學校都在探索線上線下相結合的教學模式，尤其是在理論課程教學方面，各個學校已經發展了多種多樣的線上教學資源。相對于理論課程線上教學資源的蓬勃發展，實驗課程的線上教學改革研究相對較少。這可能是由于實驗課程的本身性質所決定的，實驗課程需要學生有現場參與性，所以較難進行線上教學。天津理工大學化學化工學院的線上教學資源開發起步相對較晚；且由于資金和教師精力所限，短時間不可能完成所有實驗內容的線上教學資源的創建。如何利用現有資源和條件，在不增加資金投入的前提下，開展線上線下混合式教學，我院做了一系列教學改革嘗試，在傳統分析化學實驗課程基礎上，引入了多種線上教學輔助平臺，在教學實踐中探索出了低投入的“線上+線下”實驗教學的新模式。

1 線上部分

鑒于分析化學實驗中基礎化學分析和儀器分析內容，均為各大院校通用的實驗模塊，因此，可充分利用國內重點院校在線共享的教學資源[3]。其中，中國大學MOOC（慕課） 國家精品課程在線學習平臺（https://www.icourse163.org）有武漢大學、東北大學、大連理工大學分析化學實驗課程在線教學資源。除慕課外，騰訊視頻、優酷等網站也有相關視頻，如表1 所示。因此，在實驗課前，將講義及視頻網址提前發放給學生，學生可以根據自己實際情況選擇慕課或相關視頻進行學習。學生預習后，教師課前對學生預習情況進行測試，測試內容涵蓋實驗原理、基礎操作要點、數據處理等方面，測試成績納入平時成績。對學生的預習情況進行測試是非常必要的，這有助于防范有些學生偷懶而不進行課前預習。

表2 改革前后實驗內容對比

線上教學資源還將納入安全教育模塊，課前發放安全教育PPT、觀看實驗室安全介紹（網址https://v.qq.com/x/page/n0556k4krym.html） 等相關文件。實驗課前通過麥考斯教學質量管理平臺進行安全知識測試，測試成績也納入平時成績。根據測試結果，教師對首次實驗課的備課內容進行微調，確定GHS（全球化學品統一分類和標簽制度）、MSDS（物質安全數據單）、PPE（個人防護設備）、緊急處置、廢棄物處理等方面學生薄弱環節，方便線下教學中安全教育模塊的查漏補缺。除安全知識和傳統實驗內容外，對于我院制藥工程專業和藥學專業學生，還開設有藥物分析實驗。因此，在課前向同學們發放中國藥典等有關教學資料（文本資料：http://db.ouryao.com；視頻資料：https://v.qq.com/x/page/q0547n66pk6.html）。對于其他分析檢測項目國標的使用，也在相關實驗課前，發放相關資料。如自來水硝酸氮含量的測定實驗課程，發放HJ/T 346 — 2007 《水質 硝酸鹽氮的測定 紫外分光光度法（試行）》的國標文件。

除以上發放相關教學資源外，對于設計性實驗，由于未知樣品為隨機抽取，為防止學生課堂實驗因不熟悉內容無法展開實驗的情況發生，課前向學生發放設計實驗相關內容。學生以小組形式團隊合作，設計實驗方案，拍照后，通過QQ 群上傳給老師。教師批改后，引導學生修改相關環節。如未知物可能是酸、堿或鹽的實驗測定，教師線上指導思路如圖1 所示。

對于液相色譜、氣相色譜等大型儀器實驗，由于涉及儀分析方法原理、儀器工作原理等，在線下教學部分，由于儀器臺套數較少，無法實現每位同學都親自動手操作；儀器都呈模塊化設計，無法拆解將內部構造呈現給學生?；诖耍抿v訊課堂在線上展開相關內容的教學。教師準備相關PPT，將液相色譜原理、儀器部件、分析流程等通過線上教學部分完成，使學生在進入實驗前，對實驗原理、儀器工作原理、分析流程等內容有初步的認識。所有線上考核通過麥考思教學質量管理平臺進行。圖2 為2019—2020 學年第2 學期化工學院分析化學實驗課程線上考核內容。

圖2 線上考核內容

2 線下部分

線下教學第一課，首先進行實驗室安全教育。根據線上學生背景調查、安全知識測試結果，對GHS（全球化學品統一分類和標簽制度）、MSDS（物質安全數據單）、PPE（個人防護設備）、緊急處置、廢棄物處理等方面薄弱環節進行查漏補缺。課前測試中發現僅有37% 的學生能正確識別GHS 標識中易燃物質和氧化劑。因此，對氧化劑標識進行強調。另外，針對部分學生“所有藥品都很危險”的錯誤認知進行糾錯，對部分學生實驗室擔心受傷、擔心中毒等恐懼心理進行疏導，強調規范操作，安全進行實驗，才能體驗化學之美。借鑒上海交通大學實驗室管理經驗，學生在安全教育后，簽訂安全承諾書[4]。

實驗內容的線下教學改革思路，仍以發揮學生主觀能動性為主。對于化學分析實驗的教學，以教師指導+同伴相互指導的課堂教學模式為主[5]。在首次課前，檢查學生基礎操作預習情況，根據預習效果適當調整進度。大多數學生通過預習尚未掌握或未真正理解基礎操作要點，教師對稱量、移取、標定及樣品測定等環節的操作要點進行重點講解，學生和教師進行同步練習，教師分別對每位學生進行單向指導，確保學生明確操作規范后，完成操作練習及相關分析任務；在學生練習過程中，進行同伴相互指導，相互監督基礎操作的規范性。為確保教師指導和同伴相互指導相結合的教學效果，平時成績將基礎操作規范納入考核評定，且對同伴相互指導進行綜合評分。化學實驗學生通常均需完成稱量、標定、移取及測定等操作，將學生常見的錯誤、廢棄物處理及紀律衛生列于考評標準內，四人一組，四人錯誤累積扣分?？己朔绞降脑O置有效規范了學生基礎操作。

通過首次基礎操作練習教學后，依次進行白醋總酸含量的測定、食用堿總堿度的測定、自來水總硬度、設計實驗、自來水中硝酸鹽氮的測定、分光光度法測定溶液中微量鐵的實驗。為更好地發揮學生主觀能動性，化學分析設置“未知物組分含量測定”設計實驗。學生現場隨機抽取未知樣品進行實驗方案設計后，團隊合作完成實驗。為防止設計實驗學生作弊，全年級11 個班，未知物組分均不同，同一班級如內容相同，則設置不同濃度。同時，要求學生實驗步驟必須附有流程圖設計，有效提高學生對分析任務過程的理解和實踐。

對于pH 計的學習，由于pH 計套數較多，不進行線上教學。氣相色譜、液相色譜的學習，由于臺套數有限，進行線上線下混合式教學。為保證教學效果，各組分別進行實驗。教師在線下部分仍對基本原理進行回顧，對儀器各部件功能進行講解，讓學生進一步熟悉儀器及其分析檢測原理；同時，對液相色譜在藥物分析中的應用進行講解，使學生了解藥物分析方法、藥企分析方法的選擇等相關內容。在學生熟悉測試流程后，學生在教師指導下，處理樣品，完成標準溶液、樣品溶液的進樣，并根據譜圖進行數據處理。

3 線上線下教學改革效果

采用線上線下相結合的實驗教學模式，突破了分析化學實驗教學的時空限制，有效緩解學時少、場地少、教師少的教學困境。另一方面，充分利用學生的課余時間，為培養學生自學能力創造了條件，讓學生系統學習分析化學實驗這門課程，掌握分析化學實驗的基礎知識和操作技能，很好地完成了分析化學實驗課程的教學任務。而且，學生在完成線上教學后，線下實驗的時間略有縮短，因此，在不增加學時的前提下，分析化學實驗課程A 可由原來的9 個實驗增加到11 個，分析化學實驗B 由原來的3 個實驗增加到4 個，為學生提供更多的實際操作機會。

實施教學改革后，基礎操作規范率大幅提高，以移液管為例，正確率從不足50%，提高到90% 以上，其中，2019 級應化3 班學生移液管操作全部合格。滴定管、容量瓶、天平稱量操作正確率均能達90%左右。學生學習分析化學實驗的興趣顯著提高，特別是未知物組分含量測定的設計實驗，學生反映，完成未知溶液的測定實驗成就感強，多位同學咨詢想進一步學習分析化學，并有意向報考分析化學專業研究生。根據學生的要求，在最后一堂課中，增加了講解分析化學與化工制藥類相關行業發展和現狀、分析化學專業研究領域的發展和應用、天津理工大學化學化工學院往屆學生就業去向等相關內容。最后一堂課的講解內容，學生們普遍反映受益匪淺，為今后專業課的進一步學習明確了目標，也激發了學生們考取研究生進行進一步深造的興趣和動力。

在此次教學改革實施過程中，也發現了一些問題。在課程結束后，進行課后評價，學生反饋結果中，35.2%學生表示認真學習線上材料，57.1%學生表示僅看了一遍，7.7% 學生表示沒看。對于在線學習效果，41.0% 學生表示比較適合，45.2% 學生表示效果一般，13.4%學生表示不好，更想在課堂上聽講，0.4%學生表示無所謂。對于分析化學實驗線上考核內容，2.2% 認為沒難度，81.4% 學生認為難度適宜，16.4%認為難度大。因此，線上線下教學仍需進一步優化。對于教師線下教學嚴格要求操作規范，85.8%學生認為很有必要，規范操作是確保準確分析的前提，13.4%學生認為老師要求太高，0.8%學生認為，修個學分而已，老師太認真，其實沒必要。對于大一學生，對于規范操作仍需加強。只有養成操作的規范性，才能有效地避免實驗中的誤操作，同時規范性的實驗操作也可以有效避免安全事故的發生。

對于實驗課程中的安全教育，81.0% 學生選擇“安全教育讓我開始時刻注意公共場所的安全問題”，15.7% 學生認為“化學實驗室比較危險，但實驗通常沒危險，不然也不會讓學生做”，3.3%學生仍認為“校內通常都很安全，安全教育都是例行公事而已”。對于實驗課程的安全教育內容，94.6%學生認為除普通消防安全外，危險化學品安全是重點；2.5%學生認為只普通消防知識即可，2.9% 學生認為緊急處置的各種意外情況通常都不會發生。因此，仍需進一步加強安全教育在實驗教學中的融入。實驗課程的安全融入，可以通過線上的安全教育警示視頻，或是通過線下實驗課程的授課教師的現身說法，進行進一步加強。

4 結語

探索并實踐了在分析化學實驗課程中采用“線上+ 線下”混合式教學的新模式，一定程度上突破了分析化學實驗教學的時空限制，有效緩解了分析化學實驗課程學時少、實驗場地有限、教師少的教學困境。通過實施教學改革，學生的基礎操作規范率大幅提高，在不增加學時的前提下，擴充了分析化學實驗課程的教學容量。此次“線上+ 線下”混合式教學的探索，也發現了一些今后需要改進的地方，比如如何提高學生進行線上學習的主觀能動性，以及如何加強實驗課程中的安全教育等。這些問題將在后續的“線上+ 線下”混合式教學中進行逐步改進。此次分析化學實驗課程教學嘗試，為后疫情時代進行化學類實驗課程教學“線上+ 線下”混合式教學進行了有益的探索，也為相關院校的實驗課程教學提供了一定的借鑒。