基于翻轉(zhuǎn)課堂的分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究
——以“EDTA溶液的配制與標(biāo)定”為例

李志鋒，姚霞玲，雷志敏，孫云霞

（天水師范學(xué)院 化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院，甘肅 天水 741001）

1 引言

翻轉(zhuǎn)課堂又稱顛倒課堂、反轉(zhuǎn)課堂或反轉(zhuǎn)學(xué)習(xí)。翻轉(zhuǎn)課堂最早由J.Wesley Baker于2000年提出，其基本涵義是“時(shí)序重構(gòu)”課堂內(nèi)外時(shí)間，將學(xué)習(xí)的決定權(quán)及自主權(quán)從教師轉(zhuǎn)移至學(xué)生，實(shí)現(xiàn)“深度學(xué)習(xí)”。正如比爾·蓋茨所言，翻轉(zhuǎn)課堂“預(yù)見了教育的未來，引領(lǐng)了一場(chǎng)革命”。[1]翻轉(zhuǎn)課堂作為對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)模式的“破壞性創(chuàng)新”，[2]徹底顛覆了“先教后學(xué)”的教學(xué)方式，將教學(xué)模式轉(zhuǎn)變?yōu)椤跋葘W(xué)后教”。翻轉(zhuǎn)課堂弱化了“教”，強(qiáng)調(diào)了“學(xué)”，突出了“做”，[3]課前學(xué)生自行下載學(xué)習(xí)視頻等資料并自主學(xué)習(xí)，與同學(xué)及教師在線交流，課上時(shí)間主要用于學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作、問題解答、交流討論。[4]2012～2015年間翻轉(zhuǎn)課堂得到了快速發(fā)展，人們對(duì)翻轉(zhuǎn)課堂的關(guān)注點(diǎn)已從教學(xué)形式的轉(zhuǎn)變過渡到教學(xué)內(nèi)涵的提升，翻轉(zhuǎn)課堂也已從學(xué)生的知識(shí)和技能學(xué)習(xí)為主（翻轉(zhuǎn)課堂1.0）逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榕囵B(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新素養(yǎng)和創(chuàng)造性思維能力、實(shí)現(xiàn)創(chuàng)造驅(qū)動(dòng)的智慧學(xué)習(xí)新型教學(xué)范式（翻轉(zhuǎn)課堂2.0）。[5-7]

自2012年傳入我國以來，經(jīng)過近十年的發(fā)展，翻轉(zhuǎn)課堂在我國高等及中等教育中均有大量的具體實(shí)踐，翻轉(zhuǎn)課堂不僅徹底引發(fā)了傳統(tǒng)課堂教學(xué)時(shí)空的重新配置與組合，更深刻改變了傳統(tǒng)課堂教學(xué)的結(jié)構(gòu)、流程，[1]學(xué)生的個(gè)性化、自主化學(xué)習(xí)能力在翻轉(zhuǎn)課堂中均得到了提升，教學(xué)成績斐然。[8-16]

化學(xué)是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，大學(xué)分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)課是教育部化學(xué)類專業(yè)指導(dǎo)委員會(huì)推薦開設(shè)的專業(yè)必修課，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要涉及酸堿、配位、氧化還原與沉淀四大滴定。筆者長期從事分析化學(xué)理論及實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)工作，與分析化學(xué)理論課相比，分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)課既涉及專業(yè)知識(shí)，又要掌握實(shí)驗(yàn)儀器操作方法，傳統(tǒng)的“講授”型實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果較差，不利于提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作能力，更談不上對(duì)學(xué)生創(chuàng)造性驅(qū)動(dòng)的智慧學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)。比如在“EDTA溶液的配制與標(biāo)定”實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生對(duì)金屬指示劑及其變色原理理解得不透徹；用Ca2+標(biāo)準(zhǔn)溶液標(biāo)定EDTA溶液時(shí)，學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)操作要領(lǐng)掌握不到位；對(duì)實(shí)驗(yàn)中滴加氨水、Mg2+－EDTA溶液、NH3－NH4Cl緩沖溶液的作用，學(xué)生并不是十分清楚等。即使教師在課堂上對(duì)此類問題進(jìn)行深入講解，在課堂短暫的時(shí)間內(nèi)學(xué)生也很難理解、消化，不利于學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作?；诖?，我們嘗試將翻轉(zhuǎn)課堂模式引入到分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，以實(shí)驗(yàn)“EDTA溶液的配制與標(biāo)定”為例進(jìn)行翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)設(shè)計(jì)，探索新的分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，以期達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)及解決問題的能力。[17]

2 翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)設(shè)計(jì)

2.1 學(xué)情分析

教育的本質(zhì)是使學(xué)生得到全面發(fā)展，教學(xué)活動(dòng)貴在因材施教。翻轉(zhuǎn)課堂模式只有在教學(xué)實(shí)踐過程中與學(xué)生的學(xué)情正向“耦合”，以“同頻”求得“共振”，學(xué)生在教學(xué)活動(dòng)中的主體性功用才能最大程度凸顯，才能達(dá)到事半功倍的教學(xué)效果。高校的化學(xué)化工類專業(yè)一般在大二或大三開設(shè)分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程，學(xué)生的學(xué)情涉及理論基礎(chǔ)和操作技能兩個(gè)方面。

在進(jìn)行“EDTA溶液的配制與標(biāo)定”實(shí)驗(yàn)之前，學(xué)生已在無機(jī)化學(xué)理論課中學(xué)習(xí)了配位反應(yīng)的相關(guān)知識(shí)，在分析化學(xué)理論課中學(xué)習(xí)了誤差與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理、標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制和標(biāo)定、滴定分析中的計(jì)算、酸堿緩沖溶液、配位滴定等基礎(chǔ)知識(shí)。尤其是在“配位滴定”章節(jié)中已經(jīng)學(xué)習(xí)過EDTA及其二鈉鹽的性質(zhì)，EDTA為質(zhì)子化的六元酸，能與大多數(shù)金屬離子形成穩(wěn)定的1:1型配位化合物，而且反應(yīng)速率也比較快，通常使用的為其二鈉鹽（用Na2H2Y表示），酸效應(yīng)是影響配位滴定最主要的因素之一，在實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)當(dāng)控制其大小。在學(xué)習(xí)配位滴定指示劑時(shí)，以EDTA滴定Mg2＋（pH＝10），用鉻黑T（EBT）作指示劑為例，講述了金屬指示劑的變色原理。[8]配位滴定理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，為翻轉(zhuǎn)課堂模式在“EDTA溶液的配制與標(biāo)定”實(shí)驗(yàn)中的具體實(shí)踐提供了“理論”支撐。

在前期的無機(jī)化學(xué)及分析化學(xué)相關(guān)實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生初步接觸了滴定的基本裝置——酸式及堿式滴定管，了解了電子天平的構(gòu)造及稱量原理，掌握了固定質(zhì)量稱量和遞減稱量（差減法）兩種稱量方法。通過前期的酸堿滴定練習(xí)，已經(jīng)掌握了酸式及堿式滴定管的操作方法及滴定實(shí)驗(yàn)的操作技巧，能夠比較熟練地使用滴定管、移液管及吸量管等儀器，這為“EDTA溶液的配制與標(biāo)定”實(shí)驗(yàn)中融入翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)范式打下了“技能”基礎(chǔ)。

2.2 教學(xué)流程設(shè)計(jì)

基于翻轉(zhuǎn)課堂理念及其內(nèi)涵特點(diǎn)，對(duì)“EDTA溶液的配制與標(biāo)定”教學(xué)流程從課前、課中和課后三部分進(jìn)行了設(shè)計(jì)，[13]實(shí)驗(yàn)總時(shí)180分鐘。課前主要為學(xué)生自主學(xué)習(xí)和線上交流討論，課中教師主要檢查學(xué)生的自主學(xué)習(xí)情況、精講疑難知識(shí)和指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，課后教師跟學(xué)生交流討論、反思、總結(jié)，具體教學(xué)流程如圖1所示。

圖1 分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)“翻轉(zhuǎn)課堂”教學(xué)流程

2.3 教學(xué)活動(dòng)的實(shí)施

2.3.1 課前

分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)教材主要介紹了利用Ca2+標(biāo)準(zhǔn)溶液對(duì)EDTA溶液進(jìn)行標(biāo)定的方法。[18]翻轉(zhuǎn)課堂課前教學(xué)活動(dòng)的主要內(nèi)容是：（1）教師在課前根據(jù)分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的具體情況和自身的教學(xué)特點(diǎn)錄制教學(xué)講解視頻和操作視頻，制作教學(xué)PPT，并利用現(xiàn)代多媒體信息技術(shù)合成既有音頻又有視頻的教學(xué)課件，通過班級(jí)微信群或QQ群等媒介發(fā)放給學(xué)生；（2）學(xué)生通過觀看教學(xué)課件，查閱資料自助學(xué)習(xí)完成“自學(xué)菜單”（表1），根據(jù)表2實(shí)驗(yàn)內(nèi)容繪制好實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表。教師在課中環(huán)節(jié)通過設(shè)置相關(guān)問題了解和掌握學(xué)生的“課前”自學(xué)狀況，達(dá)到實(shí)現(xiàn)“課前”監(jiān)控的目的，確實(shí)提高學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的效果。

表1 “EDTA溶液的配制與標(biāo)定”實(shí)驗(yàn)自學(xué)菜單

2.3.2 課中

自學(xué)檢查。教師將學(xué)生分為A、B兩組對(duì)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)情況進(jìn)行分組檢查，每組10分鐘，總共20分鐘。為了能讓教師充分了解每位學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，學(xué)生與教師更好地交流，以及避免學(xué)生在由于人數(shù)過多在稱量實(shí)驗(yàn)藥品時(shí)出現(xiàn)“打架”的情況，先B組同學(xué)稱量藥品，A組同學(xué)回答問題，并與教師交流討論。之后A、B兩組的學(xué)生交換流程，B組的學(xué)生回答問題，A組的同學(xué)稱量藥品。根據(jù)表1自學(xué)菜單提問的問題可設(shè)為：

（1）實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖鞘裁矗?/p>

（2）EDTA作為最常用的配位滴定試劑的依據(jù)？為什么要用基準(zhǔn)物質(zhì)對(duì)EDTA溶液進(jìn)行標(biāo)定？鉻黑T和二甲酚橙指示劑各自的作用原理和適用條件是什么？

（3）滴定過程中溶液中發(fā)生的反應(yīng)？

（4）酸式滴定管和移液管的正確使用方法和洗滌方法？

交流探討。交流與探討主要圍繞以下三個(gè)問題進(jìn)行：第一，滴定為什么要在緩沖溶液中進(jìn)行？第二，在實(shí)驗(yàn)中為什么要加入Mg2+－EDTA溶液？第三，EDTA或本次實(shí)驗(yàn)在生活中有什么應(yīng)用？

知識(shí)精講。教師根據(jù)學(xué)生的自學(xué)情況，重點(diǎn)對(duì)共性問題進(jìn)行講解。具體實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生存在對(duì)加入Mg2+－EDTA不甚理解，滴定終點(diǎn)的判斷能力還有待于提高等問題。

進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。經(jīng)過“自主學(xué)習(xí)”“自學(xué)檢查”“交流探討”和“知識(shí)精講”環(huán)節(jié)，學(xué)生進(jìn)一步掌握了“EDTA溶液的配制與標(biāo)定”的相關(guān)理論知識(shí)，實(shí)驗(yàn)中所需藥品也稱量完畢，實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)開始（表2）。實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)單人單組進(jìn)行，在實(shí)驗(yàn)的過程中學(xué)生要專心致志，教師要指導(dǎo)學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，判斷滴定終點(diǎn)，準(zhǔn)確記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，及時(shí)糾正學(xué)生的不當(dāng)操作、引導(dǎo)學(xué)生對(duì)出現(xiàn)的異?，F(xiàn)象進(jìn)行探究。

表2 “EDTA溶液的配制與標(biāo)定”實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

2.3.3 課后

交流與討論。學(xué)生之間通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過程中的不當(dāng)操作。比如，通過對(duì)比滴定終點(diǎn)溶液顏色的深淺程度，滴定過程中消耗EDTA溶液的用量，反思總結(jié)實(shí)驗(yàn)中藥品的滴加量是否合理，Ca2+標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制方法是否正確，濃度是否準(zhǔn)確等問題。最后教師對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行查看并簽字，發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)指導(dǎo)其反思總結(jié)。

書寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。簡要書寫實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)藥品和儀器、實(shí)驗(yàn)步驟等內(nèi)容，重點(diǎn)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行評(píng)估。

2.4 教學(xué)實(shí)踐反思

基于“EDTA溶液的配制與標(biāo)定”實(shí)驗(yàn)的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)設(shè)計(jì)，初步將翻轉(zhuǎn)課堂模式應(yīng)用于了“EDTA溶液的配制與標(biāo)定”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)?？傮w來說，學(xué)生掌握了EDTA溶液的配制與標(biāo)定方法，教學(xué)效果良好。較傳統(tǒng)教學(xué)模式，翻轉(zhuǎn)課堂新模式在實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)出以下優(yōu)勢(shì)。

（1）節(jié)省了課堂教學(xué)時(shí)間。在傳統(tǒng)的分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)課堂中，教師要花大量時(shí)間對(duì)EDTA溶液標(biāo)定的實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)操作步驟進(jìn)行講解，而在翻轉(zhuǎn)課堂中，學(xué)生根據(jù)教師發(fā)放的教學(xué)課件和查閱資料在課前進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，在課前進(jìn)一步掌握了EDTA的結(jié)構(gòu)式和性質(zhì)，配位滴定原理，鉻黑T指示劑的指示原理，NH3－NH4Cl緩沖溶液的作用等相關(guān)知識(shí)。教師在課堂將花很少的時(shí)間對(duì)每位學(xué)生的學(xué)習(xí)情況進(jìn)行檢查，對(duì)學(xué)生還沒有掌握的知識(shí)進(jìn)行精講，這樣學(xué)生既可以很好地理解實(shí)驗(yàn)原理，而且將有更多的時(shí)間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，更好地和教師進(jìn)行討論和交流。

（2）增強(qiáng)了學(xué)生的自學(xué)能力。學(xué)生在EDTA溶液的配制與標(biāo)定實(shí)驗(yàn)之前，已經(jīng)學(xué)習(xí)了配位滴定的相關(guān)知識(shí)。在本實(shí)驗(yàn)的教學(xué)設(shè)計(jì)下，學(xué)生結(jié)合教師課前下發(fā)的相關(guān)資料，會(huì)積極主動(dòng)地去復(fù)習(xí)配位滴定中的指示劑、EDTA及其二鈉鹽的性質(zhì)、金屬離子－EDTA配位化合物的特點(diǎn)等知識(shí)，能更好回答Mg2＋－EDTA提高終點(diǎn)敏銳度的原理，滴定在緩沖溶液中進(jìn)行的原因。在充分的理論知識(shí)指導(dǎo)下，學(xué)生能更好地理解并觀察EDTA標(biāo)定終點(diǎn)溶液由酒紅色變?yōu)樗{(lán)綠色的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。結(jié)合實(shí)驗(yàn)實(shí)踐，學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的異?，F(xiàn)象的探究能力進(jìn)一步增強(qiáng)。

翻轉(zhuǎn)課堂在具體實(shí)驗(yàn)中的成功落地落實(shí)主要取決于兩個(gè)方面的因素。一是課前自主學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)。在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，少數(shù)學(xué)生的自覺性不高，課前沒有對(duì)教師下發(fā)的課程資源包進(jìn)行充分學(xué)習(xí)和探究，存在對(duì)實(shí)驗(yàn)原理掌握得不夠透徹，電子天平，滴定管及移液管的操作不規(guī)范等情況，以至于教師在“自學(xué)檢查”環(huán)節(jié)花費(fèi)大量時(shí)間，這既不利于教師翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)活動(dòng)的展開，也不利于學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力的提高。比如，在實(shí)驗(yàn)過程中，如果對(duì)配位滴定的原理理解不透徹，那么學(xué)生只會(huì)“照方抓藥”，敷衍了事，流于形式，這樣既不利于培養(yǎng)學(xué)生實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度，也不利于養(yǎng)成良好的實(shí)驗(yàn)習(xí)慣。二是課程資源的質(zhì)量直接影響翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式的實(shí)施效果。課前課程教學(xué)資源是翻轉(zhuǎn)課堂實(shí)現(xiàn)的現(xiàn)實(shí)載體，教師要能夠制作出畫面精美、內(nèi)容豐富、契合學(xué)生學(xué)習(xí)需求的課前教學(xué)資料，就必須具備較高的信息技術(shù)處理能力，教師不僅要熟練掌握office軟件（比如word文檔，PPT課件等）的應(yīng)用，還需熟練掌握視頻錄制及剪輯合成與處理等軟件應(yīng)用技術(shù)。[11]由于教師信息處理技術(shù)水平所限，課前課程教學(xué)資源還不夠豐富、畫面還不夠精美、與學(xué)生的學(xué)習(xí)需求契合度還不夠高，課程教學(xué)資源對(duì)學(xué)生的課前自主學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)引領(lǐng)作用還不夠強(qiáng)，這些因素也直接影響了教學(xué)效果。

3 結(jié)語

基于翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式，以“EDTA溶液的配制與標(biāo)定”實(shí)驗(yàn)為例進(jìn)行了教學(xué)設(shè)計(jì)并初步進(jìn)行了實(shí)踐。較傳統(tǒng)的教學(xué)模式，翻轉(zhuǎn)課堂模式的應(yīng)用增強(qiáng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性與主動(dòng)性，提高了學(xué)生的自學(xué)能力和獨(dú)立思辨能力，教學(xué)效果較為良好。針對(duì)實(shí)施中出現(xiàn)的問題，在后續(xù)工作中，分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)在進(jìn)一步加強(qiáng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力培養(yǎng)、著力提升教師的現(xiàn)代信息技術(shù)素養(yǎng)及加強(qiáng)課程評(píng)價(jià)的同時(shí)，應(yīng)大力營造分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)翻轉(zhuǎn)課堂教與學(xué)新氛圍，為新時(shí)代打造“金課”、提高教學(xué)質(zhì)量、實(shí)施素質(zhì)教育創(chuàng)造條件。