混合式教學(xué)在反應(yīng)速率和活化能測(cè)定中的應(yīng)用及體會(huì)

曾秀瓊，蔡吉清，徐孝菲，委育秀，李寧

化學(xué)國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心(浙江大學(xué))，杭州 310058

化學(xué)是一門(mén)實(shí)驗(yàn)科學(xué)，化學(xué)實(shí)驗(yàn)不但可以讓學(xué)生更好地理解和掌握化學(xué)原理，而且可以培養(yǎng)學(xué)生的綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，因此很多高校都把大學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)或者普通化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)置成通識(shí)課程，并不斷探索教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)模式的改革[1–4]。反應(yīng)速率和活化能測(cè)定是一個(gè)非常經(jīng)典的基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)，涵蓋了一系列的化學(xué)動(dòng)力學(xué)概念，能讓學(xué)生直接觀察到濃度、溫度以及催化劑對(duì)化學(xué)反應(yīng)速度的影響。雖然實(shí)驗(yàn)操作非常簡(jiǎn)單，但是涉及眾多的實(shí)驗(yàn)原理和繁瑣的數(shù)據(jù)處理，使得課堂講解既費(fèi)時(shí)又費(fèi)力。此外，該實(shí)驗(yàn)堪稱基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中數(shù)據(jù)處理最耗時(shí)、實(shí)驗(yàn)報(bào)告最難寫(xiě)的，因?yàn)橐?jīng)過(guò)上百次包含分?jǐn)?shù)、倒數(shù)和對(duì)數(shù)等的運(yùn)算，還要繪制3個(gè)線性圖。雖然已有利用計(jì)算機(jī)軟件用于該實(shí)驗(yàn)處理的報(bào)道[5–9]，但是學(xué)生很難自己掌握，還是只能用計(jì)算器算、用坐標(biāo)紙畫(huà)，不但數(shù)據(jù)結(jié)果的準(zhǔn)確度很低，而且時(shí)間成本很高。為了提高課堂教學(xué)的效率和質(zhì)量、引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用計(jì)算機(jī)處理技術(shù)，將線上線下混合式教學(xué)應(yīng)用于本實(shí)驗(yàn)中，取得了非常好的教學(xué)效果，受到了學(xué)生的高度肯定和歡迎。

1 教學(xué)分析

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

本實(shí)驗(yàn)是讓學(xué)生理解影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素，掌握反應(yīng)速率及其活化能測(cè)定的原理及方法，掌握實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及作圖的方法。

實(shí)驗(yàn)方法中通常測(cè)定的是K2S2O8和KI反應(yīng)(式(1)，為主反應(yīng)且為慢反應(yīng))的反應(yīng)速率及活化能，利用Na2S2O3和的反應(yīng)(式(2)，為次反應(yīng)且為快反應(yīng))來(lái)指示主反應(yīng)的進(jìn)度，從而獲得主反應(yīng)的反應(yīng)時(shí)間。由于很多教材都詳細(xì)介紹了本實(shí)驗(yàn)的原理[10,11]，這里就不再詳細(xì)展開(kāi)，而只是簡(jiǎn)單表述一下。根據(jù)主反應(yīng)和次反應(yīng)的關(guān)系，式(1)的反應(yīng)速率可以用式(3)表示。

將式(3)進(jìn)一步演變，可以得到式(4)。根據(jù)式(4)可知，通過(guò)控制K2S2O8和KI兩個(gè)變量，能夠獲得式(3)中的反應(yīng)級(jí)數(shù)m和n。如表1所示，當(dāng)只改變K2S2O8濃度時(shí)，先測(cè)定反應(yīng)時(shí)間，根據(jù)式(3)可以得到ν，再以lgν對(duì)作圖得到一條直線，其斜率即為反應(yīng)級(jí)數(shù)m。同樣，只改變KI濃度時(shí)，以lgν對(duì)lg[I-]作圖可以得到反應(yīng)級(jí)數(shù)n。

表1 K2S2O8濃度對(duì)反應(yīng)速率的影響

當(dāng)保持K2S2O8和KI濃度不變時(shí)，測(cè)定不同溫度下的反應(yīng)時(shí)間而獲取相應(yīng)的反應(yīng)速率常數(shù)，再根據(jù)式(5)以lnk對(duì)1/T作圖，可以得到一條直線，通過(guò)其斜率可以求得活化能。

1.2 學(xué)情分析

在浙江大學(xué)，本實(shí)驗(yàn)在面向大一本科生的普通化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程里開(kāi)設(shè)。普通化學(xué)實(shí)驗(yàn)每學(xué)年選課學(xué)生超過(guò)1900人次，教學(xué)班達(dá)到60多個(gè)(每班配任課教師和研究生助教各一位)。由于絕大部分大一本科生缺乏化學(xué)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，再加上我?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)課是單獨(dú)開(kāi)設(shè)，使得學(xué)生對(duì)于本實(shí)驗(yàn)的理論知識(shí)相對(duì)欠缺。傳統(tǒng)教學(xué)設(shè)計(jì)中，為了講解本實(shí)驗(yàn)涉及的基本原理、演示用計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理及作圖等，任課教師需要講解1個(gè)多小時(shí)，留給學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)間就不充裕了，因此學(xué)生只能忙于照搬教材完成規(guī)定內(nèi)容。此外，以這種模式完成的教學(xué)，勢(shì)必造成學(xué)生課前看不明白、課中聽(tīng)不明白、課后寫(xiě)不明白的不良狀況。

1.3 教學(xué)策略

為了解決傳統(tǒng)教學(xué)中存在的問(wèn)題，探索線上線下混合式教學(xué)。制作了2個(gè)教學(xué)視頻，分別為實(shí)驗(yàn)講座視頻和數(shù)據(jù)處理及作圖技術(shù)視頻，這些視頻事先發(fā)布到浙江大學(xué)信息化教學(xué)平臺(tái)“學(xué)在浙大”課程章節(jié)里，學(xué)生可以隨時(shí)觀看和學(xué)習(xí)(圖1)。從圖1還可知，學(xué)生線上學(xué)習(xí)的積極性非常高，全班31名學(xué)生，從2020年9月14日開(kāi)學(xué)至2020年12月16日這13周時(shí)間里，累計(jì)訪問(wèn)量高達(dá)1.17萬(wàn)次，扣除國(guó)慶假期以及秋學(xué)期考試周，每位學(xué)生周訪問(wèn)量達(dá)到30多次，說(shuō)明線上教學(xué)資源為學(xué)生利用片段時(shí)間進(jìn)行短時(shí)或者反復(fù)學(xué)習(xí)提供了便捷。值得注意的是，學(xué)習(xí)分析圖中峰值基本出現(xiàn)在周末或者上課當(dāng)天，說(shuō)明學(xué)生利用周末通過(guò)線上資源進(jìn)行課前預(yù)習(xí)，而實(shí)驗(yàn)結(jié)束當(dāng)天還會(huì)通過(guò)線上資源進(jìn)行課后鞏固。

圖1 “學(xué)在浙大”的相關(guān)章節(jié)信息(左)及課程訪問(wèn)統(tǒng)計(jì)(右)

2 混合式教學(xué)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

2.1 課前準(zhǔn)備

(1) 以教學(xué)視頻支撐課前教學(xué)。在實(shí)驗(yàn)講座視頻里，教師先拋出一系列的問(wèn)題，吸引學(xué)生開(kāi)始專注本次講座；再通過(guò)一道化學(xué)動(dòng)力學(xué)習(xí)題吸引學(xué)生思考本實(shí)驗(yàn)原理；最后再通過(guò)一步步的公式推導(dǎo)，讓學(xué)生理解式(1)和式(2)的關(guān)系及實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)(圖2)。講座視頻里，教師不是從頭講到尾，而是精心設(shè)計(jì)了不少問(wèn)題，讓學(xué)生時(shí)時(shí)思考、緊跟講座節(jié)奏，這樣不但強(qiáng)化了學(xué)生觀看視頻的注意力，而且提升了學(xué)生分析和解決問(wèn)題的能力。調(diào)查表明，所有學(xué)生通過(guò)線上學(xué)習(xí)都能提前掌握實(shí)驗(yàn)原理及實(shí)驗(yàn)操作。

圖2 實(shí)驗(yàn)講座視頻的部分截圖

(2) 以預(yù)習(xí)考試檢查學(xué)生線上學(xué)習(xí)。為了督促學(xué)生有效地自主預(yù)習(xí)，每次實(shí)驗(yàn)都設(shè)置了預(yù)習(xí)考試。學(xué)生課前需要登錄“浙大化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心”微信公眾號(hào)完成線上預(yù)習(xí)考試，考試內(nèi)容以實(shí)驗(yàn)講義和教學(xué)視頻內(nèi)容為主。學(xué)生考完后，不但能立即查看成績(jī)，而且在一定時(shí)間內(nèi)可以查看錯(cuò)題，以便學(xué)生能根據(jù)預(yù)習(xí)考試結(jié)果知曉課前學(xué)習(xí)情況，并能及時(shí)補(bǔ)救或者完善。任課教師能夠查看學(xué)生成績(jī)及班級(jí)錯(cuò)題情況，以便課堂講解時(shí)能有針對(duì)性地引導(dǎo)學(xué)生分析錯(cuò)題(圖3)。

圖3 預(yù)習(xí)考試的部分截圖

2.2 課中實(shí)施

(1) 講解時(shí)引導(dǎo)學(xué)生思考。通過(guò)課前線上學(xué)習(xí)，學(xué)生帶著充足的知識(shí)儲(chǔ)備進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，因此課堂講解不需花費(fèi)很多時(shí)間。教師以提問(wèn)或小組討論形式引導(dǎo)學(xué)生自覺(jué)思考，講解時(shí)間由原來(lái)的1個(gè)多小時(shí)縮短到20分鐘左右，同時(shí)也提高了學(xué)生課堂互動(dòng)的積極性。

(2) 實(shí)驗(yàn)時(shí)鼓勵(lì)學(xué)生探究。講解時(shí)間縮短加上對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容胸有成竹，很多學(xué)生能順利地提前完成實(shí)驗(yàn)。針對(duì)這種情況，教師鼓勵(lì)學(xué)生自主開(kāi)展一些小探究。比如，有學(xué)生將表1中的KNO3和K2SO4以等體積水代替，測(cè)試離子強(qiáng)度變化對(duì)反應(yīng)速率有何不同。

2.3 課后數(shù)據(jù)處理及分析

課后完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告時(shí)需要計(jì)算的數(shù)據(jù)多達(dá)70個(gè)，還要將結(jié)果作圖。如果用計(jì)算器的話，不但需要進(jìn)行包括分?jǐn)?shù)、倒數(shù)和對(duì)數(shù)等復(fù)雜運(yùn)算，而且只要輸錯(cuò)一個(gè)數(shù)字，后面結(jié)果全部出錯(cuò)。此外，將計(jì)算器得到的結(jié)果再抄寫(xiě)到實(shí)驗(yàn)報(bào)告上，又是一個(gè)繁瑣細(xì)致的勞動(dòng)。為了減輕學(xué)生完成報(bào)告的負(fù)擔(dān)、提高報(bào)告的質(zhì)量，錄制了一個(gè)計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)及作圖技術(shù)的教學(xué)視頻，發(fā)布到“學(xué)在浙大”供學(xué)生線上學(xué)習(xí)(圖1)。由于Excel是最常見(jiàn)的計(jì)算機(jī)處理軟件，因此本次講座是Excel版本。當(dāng)然學(xué)生掌握此技術(shù)后，再采用其他軟件處理數(shù)據(jù)也是很方便的。

如圖4所示，教師先演示如何輸入編程公式得到表1中各組分混合后的起始濃度(見(jiàn)圖4a中黃色部分)；再演示如何利用“插入散點(diǎn)圖”和“增加趨勢(shì)線”將圖4b中的黃色數(shù)據(jù)擬合成直線，并獲得線性方程式和R2，從而獲得m和n；最后利用圖4c中的不同溫度下反應(yīng)速率常數(shù)作圖，根據(jù)直線斜率求出活化能。本次數(shù)據(jù)處理時(shí)涉及很多編程公式，這里只簡(jiǎn)單列舉幾個(gè)：混合后[KI]0= 0.2*B2/SUM(B2 :B7)、反應(yīng)速率=B5/2/B6、lg[KI]0= LOG10(B3)、1/T(K-1) =1/(273 + B3)，公式中的大寫(xiě)字母及后面數(shù)字表示該數(shù)據(jù)所處位置，編輯時(shí)可以直接選中該數(shù)據(jù)即可，同一列下面的數(shù)據(jù)處理時(shí)只要下拉上一行計(jì)算結(jié)果即可。從圖4的3個(gè)EXCEL表格還可知，本實(shí)驗(yàn)需要計(jì)算得到的數(shù)據(jù)有70個(gè)。

圖4 數(shù)據(jù)處理及作圖視頻的部分截圖

該視頻中除了講授編輯公式及作圖方法，教師還演示了有效位數(shù)的取舍、坐標(biāo)軸刻度的調(diào)節(jié)、坐標(biāo)軸名稱的插入、字體字號(hào)的調(diào)節(jié)等，使得最后圖形美觀、有效數(shù)字規(guī)范。對(duì)于得到的數(shù)據(jù)處理結(jié)果和圖形，學(xué)生不用重新抄寫(xiě)或畫(huà)到紙質(zhì)報(bào)告上，既可以打印出來(lái)上交，也可以網(wǎng)上提交(圖1)。

3 混合式教學(xué)的體會(huì)

(1) 學(xué)生的體會(huì)。本次線上線下教學(xué)模式受到了學(xué)生的高度稱贊。學(xué)生一致認(rèn)為，實(shí)驗(yàn)講座視頻幫助他們重新整理了化學(xué)動(dòng)力學(xué)知識(shí)點(diǎn)，進(jìn)一步掌握了反應(yīng)速率常數(shù)及活化能的概念；數(shù)據(jù)處理及作圖視頻幫助他們完成第一次用計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)及作圖，很好地掌握了公式輸入、數(shù)據(jù)調(diào)整和作圖等。學(xué)生們紛紛在實(shí)驗(yàn)感想里表達(dá)了對(duì)這種教學(xué)方式的肯定，以下摘自部分學(xué)生的實(shí)驗(yàn)感想：“活化能測(cè)定實(shí)驗(yàn)是我目前接觸過(guò)操作最簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)，但它卻是我處理實(shí)驗(yàn)報(bào)告最久的一個(gè)實(shí)驗(yàn)。你根本不會(huì)想到，一個(gè)化學(xué)老師竟然會(huì)教你用Excel作圖”“老師從編程計(jì)算數(shù)據(jù)講解到制作圖形，十分有條理。尤其在對(duì)數(shù)據(jù)的形式以及散點(diǎn)圖的調(diào)整兩個(gè)方面十分精細(xì)”“老師細(xì)致的講解讓我們這群Excel的小白從入門(mén)到精通，同時(shí)Excel的學(xué)習(xí)對(duì)我們之后的學(xué)習(xí)生涯也幫助良多”“這的確是我非常非常需要的一項(xiàng)技能，學(xué)會(huì)后1個(gè)月內(nèi)我在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中已經(jīng)運(yùn)用了三次這個(gè)視頻傳授給我的方法去作圖，為我節(jié)省了大量的時(shí)間，提供了極大的便捷”。

(2) 教師的體會(huì)。應(yīng)用混合式教學(xué)后，任課教師體會(huì)到課堂講解輕松多了、學(xué)生實(shí)驗(yàn)順利多了、數(shù)據(jù)處理的出錯(cuò)率幾乎沒(méi)有了、實(shí)驗(yàn)報(bào)告的質(zhì)量高多了、批改報(bào)告的心情愉悅多了。值得一提的是，由于學(xué)生可以網(wǎng)上提交數(shù)據(jù)處理及作圖文件，任課教師只需檢查輸入的編程公式是否正確，而不需用計(jì)算器一個(gè)個(gè)核算學(xué)生的處理結(jié)果了，大大提高了批改報(bào)告的效率。

4 結(jié)語(yǔ)

反應(yīng)速率及活化能測(cè)定是基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)原理最難懂、處理數(shù)據(jù)最繁瑣、實(shí)驗(yàn)報(bào)告最難寫(xiě)的一個(gè)實(shí)驗(yàn)，應(yīng)用線上線下混合式教學(xué)取得了很好的效果，學(xué)生不但深刻掌握了實(shí)驗(yàn)原理，而且精通了運(yùn)用Excel軟件處理數(shù)據(jù)的能力，提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量。實(shí)踐證明，混合式教學(xué)能充分調(diào)動(dòng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的熱情，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)潛力，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維和技能，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)更加高效地開(kāi)展。我們將積極響應(yīng)教育部的金課計(jì)劃，繼續(xù)探索新時(shí)代大學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的改革[12–15]，為培養(yǎng)高素質(zhì)人才而不斷努力。