多維度信息化無機化學(xué)實驗的資源構(gòu)建與教學(xué)實踐探索

馬驍飛，馬亞魯，高洪苓

1天津大學(xué)理學(xué)院，無機化學(xué)教學(xué)團隊，天津 300354

2化學(xué)化工國家級實驗教學(xué)示范中心(天津大學(xué))，天津 300354

3化學(xué)化工國家級虛擬仿真實驗中心(天津大學(xué))，天津 300354

無機化學(xué)是天津大學(xué)化工、制藥、食品、生物、應(yīng)化、材料、環(huán)境、生命、藥學(xué)、化學(xué)等十余個涉化類專業(yè)的大一新生的第一門化類基礎(chǔ)課。每學(xué)年上下兩學(xué)期開出，受眾學(xué)生1300余人。針對學(xué)生個體間的化學(xué)基礎(chǔ)、理論與實驗聯(lián)系能力和實驗操作水平差異很大，以及學(xué)習(xí)元素化學(xué)重死記硬背、輕理解運用等問題，我們在無機化學(xué)理論教學(xué)環(huán)節(jié)中，注重無機化學(xué)原理內(nèi)容與演示實驗相結(jié)合；元素化學(xué)內(nèi)容與操作實驗及化學(xué)原理相結(jié)合。在多年的教學(xué)實踐中，無機化學(xué)教學(xué)團隊積累了豐富的實驗資源，一定程度上解決了學(xué)生個體的差異化問題，提高了教學(xué)質(zhì)量和效率[1]。

無機化學(xué)課堂教學(xué)的教師也是無機化學(xué)實驗課程的指導(dǎo)教師，較方便地實現(xiàn)了課程與實驗相結(jié)合的系列教學(xué)改革。依托化學(xué)化工國家級實驗教學(xué)示范中心(天津大學(xué))平臺，無機化學(xué)教學(xué)團隊構(gòu)建了無機化學(xué)實驗的綜合性電子資源，涵蓋了課堂演示實驗的視頻和講義、在線開放的實驗視頻與講義、實驗安全教育視頻、虛擬仿真實驗的制作、測試題庫、美麗化學(xué)視頻等方面，并在教學(xué)實踐中進行了以下幾個方面的探索。

1 演示實驗資源的信息化建設(shè)與應(yīng)用

課堂演示實驗是一種直觀教學(xué)活動，在我們傳統(tǒng)的無機化學(xué)課堂上，課堂演示是必不可少的教學(xué)環(huán)節(jié)。面對師生人身安全考慮和教學(xué)場所的環(huán)境要求，無機化學(xué)課堂演示也逐漸淡出課堂。如何將生動形象的演示實驗再現(xiàn)課堂，給學(xué)生直觀體驗?zāi)?？演示實驗?jīng)歷了由課堂實物演示到課下演示并制作成視頻資源的演變，由開始的 flash動畫到后來的實物實驗視頻，而且視頻的可視性逐步提高；載體由課堂演示，到移動硬盤或U盤在課堂放映，再到云平臺課堂下載后觀看。目前的演示實驗資源(如圖 1所示)可以在線課程平臺上發(fā)布，供學(xué)生課前學(xué)習(xí)。天津大學(xué)第五版的無機化學(xué)教材為新形態(tài)教材，在教材的相關(guān)內(nèi)容處提供了二維碼，方便學(xué)生通過微信掃描二維碼隨時觀看演示實驗資源。演示實驗的演變過程，可謂是信息化教學(xué)發(fā)展的一個縮影。

圖1 信息化演示實驗資源的應(yīng)用

我們與超星公司合作開發(fā)信息化演示實驗資源60余項，涵蓋無機化學(xué)課程各個章節(jié)，特別是原本不方便在課堂上進行的演示實驗，現(xiàn)在也可以實現(xiàn)線上演示。比如“氫、鈉、汞等原子光譜實驗”“用電磁鐵裝置定性地測定 Fe2(SO4)3和 K4[Fe(CN)6]的磁性”“用靜電起電器測定水和四氯化碳的極性”“火山爆發(fā)(重鉻酸銨加熱分解)”等演示實驗，大大擴展了演示實驗的內(nèi)容。學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中隨時可以了解與課程相關(guān)知識點對應(yīng)的實驗現(xiàn)象，保障了課堂與實驗環(huán)節(jié)的無縫對接。同時學(xué)生可以根據(jù)個人情況自主選擇學(xué)習(xí)內(nèi)容和頻次以彌補個人基礎(chǔ)知識上的不足。

目前，我們將演示實驗的視頻和一些礦物圖片等資源發(fā)布到中國大學(xué)MOOC平臺，與無機化學(xué)課程配套并同步，供本校師生和社會學(xué)員在線學(xué)習(xí)使用，不斷更新的演示實驗資源彌補了無機化學(xué)在線教學(xué)中缺少實驗環(huán)節(jié)的不足[2]。新形態(tài)教材也是演示實驗資源的有效載體，對資源建設(shè)與積累起到了促進作用。新冠疫情時期，由于線下實驗無法開展，這些演示實驗資源在幫助學(xué)生理解化學(xué)原理和元素、化合物性質(zhì)方面發(fā)揮了更大的作用。2016年我們還積極參與“十三五”高等教育科學(xué)研究重大攻關(guān)課題——無機化學(xué)在線開放課程群的資源建設(shè)(16ZG004-13)。天津大學(xué)為無機化學(xué)在線開放課程群貢獻了22個演示實驗視頻和39張礦物圖片資源，與全國兄弟院校分享優(yōu)質(zhì)在線資源。

2 無機化學(xué)實驗MOOC資源建設(shè)與應(yīng)用

無機化學(xué)實驗作為一門獨立課程，以無機物的驗證、測定和制備實驗為載體，訓(xùn)練學(xué)生實驗基本操作和技能，培養(yǎng)實事求是的科學(xué)態(tài)度、良好的科學(xué)素養(yǎng)、科學(xué)的思維方法及綜合運用所學(xué)知識分析問題和解決問題的能力，為后續(xù)的課程和實驗教學(xué)打下良好基礎(chǔ)。

2.1 無機化學(xué)實驗在線課程資源的建設(shè)

我們與智慧樹合作，將化學(xué)實驗的基礎(chǔ)儀器操作和教學(xué)實驗內(nèi)容錄制成教學(xué)視頻，將實驗原理、關(guān)鍵步驟和注意事項等進行詳細講解，共計17個信息化教學(xué)實驗項目，與線下實驗課程內(nèi)容一一對應(yīng)(見表1)；此外，還有3個創(chuàng)新實驗項目，來自于卓越杯化學(xué)新實驗設(shè)計賽的獲獎作品，作為實驗拓展資源。這些信息化實驗課程分為兩個學(xué)期在中國大學(xué)MOOC平臺上線，供學(xué)生學(xué)習(xí)使用。每個實驗內(nèi)容包括：20分鐘左右的視頻講解、實驗講義、實驗課件PPT、單元測試、單元作業(yè)和期末考試(僅供社會學(xué)員使用，對于本校學(xué)生則需進行線下實驗的操作測試)等在線資源。每個視頻講解包括實驗?zāi)康?、基本原理、基本操作、實驗過程、實驗現(xiàn)象和操作錯例等內(nèi)容。表1詳細列出了天津大學(xué)在中國大學(xué)MOOC平臺所開設(shè)的“無機化學(xué)實驗 (上、下)”的實驗內(nèi)容。

表1 中國大學(xué)MOOC平臺所開設(shè)的“無機化學(xué)實驗(上、下)”的實驗內(nèi)容匯總

2.2 利用在線課程資源開展混合式實驗教學(xué)

混合式教學(xué)是一條有效補齊基礎(chǔ)知識差異、提高學(xué)生實驗技能、培養(yǎng)實驗素養(yǎng)的新途徑。2019年天津大學(xué)“無機化學(xué)實驗(上、下)”在線開放課在中國大學(xué)MOOC平臺上線，并利用慕課堂智慧教學(xué)工具在本校無機化學(xué)實驗教學(xué)中開展混合式教學(xué)模式探索。學(xué)生可以在課下重復(fù)觀看實驗內(nèi)容和實驗操作微課視頻，直至理解和掌握；師生還可以在平臺上答疑解惑和討論。這種課下預(yù)習(xí)與課上實踐操作環(huán)節(jié)相結(jié)合的混合式教學(xué)模式，既可以滿足學(xué)生個性化的學(xué)習(xí)需求，又可以體現(xiàn)出以學(xué)生為中心的教育理念。

圖2列出了無機化學(xué)實驗混合式教學(xué)模式。先導(dǎo)課明確課程要求和說明平臺使用方法。學(xué)生在線學(xué)習(xí)實驗視頻，視頻中適時插入預(yù)習(xí)思考題，以備學(xué)生思考后作答。預(yù)習(xí)后在線完成單元測試(客觀題)和單元作業(yè)(主觀題)，前者系統(tǒng)自行批改、后者教師在線批改；每部分各占總評成績10%。學(xué)生們課前預(yù)習(xí)工作基本都能完成，并寫出規(guī)范的預(yù)習(xí)報告。指導(dǎo)教師通過教學(xué)平臺進行答疑，根據(jù)自學(xué)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，很容易追蹤學(xué)生課下預(yù)習(xí)實驗的進度、完成情況以及存在的問題。在實驗課上，通過慕課堂智慧教學(xué)工具進行5分鐘的課前測，然后是師生互動，主要針對實驗中容易出現(xiàn)的問題和實驗原理與學(xué)生討論，大約25分鐘。課上完成實驗操作和實驗記錄，課后在預(yù)習(xí)報告的基礎(chǔ)上整理出完整實驗報告并上交，實驗報告成績占總評成績50%。期末線下考試占總評成績20%，主要考核學(xué)生綜合運用知識的能力，無機化學(xué)實驗(上)采用平衡原理綜合實驗來測試，無機化學(xué)實驗(下)采用混合離子的鑒定實驗來評價。對于單元測試、單元作業(yè)和課前測累積占總評成績30%，主要是為督促學(xué)生自主學(xué)習(xí)、過程學(xué)習(xí)、高效完成實驗預(yù)習(xí)。

圖2 無機化學(xué)實驗進行混合式教學(xué)的模式

對元素化學(xué)的驗證性實驗采用開放實驗。學(xué)生經(jīng)網(wǎng)上通過預(yù)習(xí)，預(yù)約時間，按時到開放實驗室進行實驗?？紤]到元素化合物的多樣性，反應(yīng)之間的關(guān)聯(lián)度高，鼓勵學(xué)生在教學(xué)內(nèi)容之外，利用實驗室的藥品可自行設(shè)計書本上沒有的反應(yīng)實驗，進行一些創(chuàng)新設(shè)計實驗，加深對元素化合物性能的理解。學(xué)生仍要完成線上自學(xué)過程，單元作業(yè)中體現(xiàn)學(xué)生的自己設(shè)計方案。

在教學(xué)實踐中，我們有意識地強化制備實驗內(nèi)容，增強典型單元操作的反復(fù)訓(xùn)練與掌握，學(xué)生對實驗結(jié)果有期待感和成就感。七個制備實驗分別是去離子水、硫酸亞鐵銨、三草酸合鐵(III)酸鉀、二氯化一氯五氨合鈷(III)、五水合硫酸銅、硫代硫酸鈉(理科)、磷系列化合物(理科)的制備。在線實驗視頻資源中基本覆蓋了加熱(包括水浴加熱)、溶解、傾瀉、過濾(包括減壓過濾、熱過濾)、離心、蒸發(fā)、濃縮、結(jié)晶、干燥等基本操作，有利于學(xué)生在實驗過程中進行基本實驗和單元操作的能力訓(xùn)練。

2.3 教學(xué)效果

(1) 解決差異化教學(xué)難題。

由于地域差異和高考改革等因素影響，不同地區(qū)在高中階段開設(shè)化學(xué)課的情況不同，學(xué)生的化學(xué)基礎(chǔ)也不盡相同。學(xué)生高中的基礎(chǔ)和實驗操作基本情況差別很大，從實驗進度就可以明顯得到體現(xiàn)，比如：去離子水制備實驗(4學(xué)時)，有的學(xué)生2個學(xué)時就能完成所有實驗任務(wù)，而有的學(xué)生2個學(xué)時勉強把陽柱、陰柱和混合柱安裝連接完成。在線實驗課程資源的建立，學(xué)生可以根據(jù)自己基礎(chǔ)知識和理解能力進行自主學(xué)習(xí)，解決了差異化實驗教學(xué)難題。

(2) 提升預(yù)習(xí)效果和課堂效率。

重復(fù)性的實驗操作演示由線下搬到線上，由課上遷移到課前，由課本的文字變成了鮮活的視頻，而且學(xué)生有時間消化理解或者反復(fù)學(xué)習(xí)，實驗的預(yù)習(xí)效果和效率大大提升。實驗課上，節(jié)約的講解時間轉(zhuǎn)化為互動討論，提高了學(xué)生對實驗的理解、與知識點的結(jié)合以及自己設(shè)計實驗方案的實踐。指導(dǎo)教師將實驗重點或難點設(shè)計成思考題，讓學(xué)生就問題展開討論，強化實驗內(nèi)容的認識和理解。

(3) 學(xué)生能力提升。

觀看視頻預(yù)習(xí)、課堂展開討論以及考核評價體現(xiàn)出學(xué)生參與教學(xué)活動的積極性、自主學(xué)習(xí)能力、完成實驗操作的水平、實驗創(chuàng)新與交流表達的能力都得到顯著提高。

3 實驗室安全信息化資源建設(shè)與應(yīng)用

化學(xué)是以實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科，實驗課是化學(xué)教學(xué)過程中不可缺少的重要環(huán)節(jié)。實驗室的安全有序管理是無機化學(xué)教學(xué)正常進行的基本保證，應(yīng)強化實驗中心教師信息化安全意識，提高實驗室安全管理及服務(wù)水平。在天津大學(xué)資產(chǎn)處的推動下，已建成實驗室有毒易燃氣體遠程監(jiān)控報警聯(lián)動裝置和實驗場所監(jiān)控系統(tǒng)，完善化學(xué)藥品采購、使用(臺賬)和回收全流程網(wǎng)絡(luò)信息化管理，對實驗管理的信息化建設(shè)無疑可以提高實驗教學(xué)安全的保障水平。

對入校新生進行化學(xué)實驗室安全教育，是化學(xué)教師的責任[3]。實驗中心教師主動收集素材，自己拍攝、學(xué)會剪輯、配音 DIY制作了新版的“實驗室安全教育”，將難于用語言精確表述的實驗安全操作和實驗室安全技術(shù)等教學(xué)內(nèi)容制作成教學(xué)微視頻。在無機化學(xué)實驗的先導(dǎo)課上，對全部化類專業(yè)新生進行化學(xué)實驗的安全培訓(xùn)。在安全教育過程中，介紹化學(xué)實驗室的防火、防爆、防毒、防灼傷燙傷、防觸電等安全防護措施，包括噴淋、洗眼器的使用、實驗事故應(yīng)急方法。我們將化學(xué)試劑的取用、存放以及化學(xué)基本單元的正確操作攝錄下來，并將近年來的化學(xué)實驗室突發(fā)事件分類剪輯制成教學(xué)短片，將事故危害和后果展示給學(xué)生，并分析事故發(fā)生原因。目的在于教育學(xué)生要嚴格遵守實驗操作規(guī)范，清除不安全因素，避免各類事故的發(fā)生。此外，要求學(xué)生通過天津大學(xué)資產(chǎn)處網(wǎng)上實驗室安全準入考試，為學(xué)生進入實驗室提供安全保障。信息化實驗室安全資源鼓勵、引導(dǎo)學(xué)生運用所學(xué)化學(xué)知識去消除實驗安全隱患，認真對待實驗過程，保障實驗安全、高效地進行。

4 虛擬仿真實驗教學(xué)資源的建設(shè)與應(yīng)用

借助國家級化學(xué)化工虛擬仿真實驗教學(xué)中心(天津大學(xué))平臺，在無機化學(xué)實驗教學(xué)應(yīng)用中，構(gòu)建“虛實結(jié)合、相互補充”的虛擬仿真實驗教學(xué)項目。例如，在“[CoCl(NH3)5]Cl2配合物的制備、水合反應(yīng)速率及活化能的測試”實驗中，需要用到濃氨水和濃鹽酸，不得不采用微型實驗裝置，但是仍然會在實驗室中存在刺激性氣味；而且由于得到的產(chǎn)品數(shù)量較少，在后面的水合反應(yīng)速率及活化能的測試實驗中，只能在兩個溫度下測定，限制了實驗內(nèi)容的拓展。通過編寫虛擬仿真實驗“腳本”，與歐倍爾公司對接，將“腳本”轉(zhuǎn)化為能夠滿足實驗教學(xué)要求的虛擬仿真實驗。拓展虛擬仿真實驗教學(xué)內(nèi)容，實現(xiàn)參與虛擬仿真實驗教學(xué)的評價、互動等工作。該虛擬仿真實驗(圖3)已經(jīng)供應(yīng)用化學(xué)(理)專業(yè)的學(xué)生課前預(yù)習(xí)使用。實驗測定在不同溫度下測定水合反應(yīng)速率，用線性擬合方法確定活化能；并與實體實驗的結(jié)果對比，并分析評價，實現(xiàn)虛實結(jié)合。接下來該虛擬仿真實驗將供更多專業(yè)的學(xué)生使用。教學(xué)實踐證明，虛擬仿真實驗不能完全代替線下實驗，但是可以作為線下實驗的有效補充。

圖3 虛擬仿真實驗案例

5 結(jié)語

以學(xué)生為中心，借助現(xiàn)代化的實驗教學(xué)手段，無機化學(xué)實驗教學(xué)資源的信息化建設(shè)在我校不斷完善，并自成體系，逐步實現(xiàn)了天津大學(xué)無機化學(xué)實驗教學(xué)資源“數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化”。將現(xiàn)代教育技術(shù)與經(jīng)典實驗操作有機結(jié)合，優(yōu)化無機化學(xué)實驗教學(xué)；培養(yǎng)了學(xué)生的實驗創(chuàng)新能力，我校在“卓越杯”和全國大學(xué)生化學(xué)新實驗設(shè)計賽中連創(chuàng)佳績，所開發(fā)的實驗視頻資源又可以反哺信息化實驗資源，補充到MOOC資源庫中供學(xué)生使用。在新冠病毒防疫時期，線下實驗難以開展，這些信息化實驗教學(xué)資源對于學(xué)生的無機化學(xué)學(xué)習(xí)起到了雪中送炭的重要作用。最后，我們想通過構(gòu)建支撐國家級在線開放課、在線實驗課、國家級實驗教學(xué)中心和虛擬仿真中心(或項目)為一體的信息化大平臺，將無機化學(xué)課堂教學(xué)和實驗環(huán)節(jié)有效結(jié)合，全面提升人才培養(yǎng)質(zhì)量。