以學(xué)生為中心的“五法聯(lián)動”分析化學(xué)實驗教學(xué)創(chuàng)新實踐

宿艷，張永策，潘玉珍，楊成，王雪，黎原，姜文鳳

大連理工大學(xué)化工學(xué)院，遼寧 大連 116024

分析化學(xué)實驗教學(xué)所面對的學(xué)習(xí)對象是大學(xué)一年級學(xué)生，通過對學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)分析和調(diào)查問卷分析，發(fā)現(xiàn)學(xué)生的化學(xué)知識基礎(chǔ)參差不齊，但是他們思維活躍、求知欲旺盛，對于傳統(tǒng)的以課堂教師講授為主的教學(xué)方式普遍不感興趣，更喜歡具有挑戰(zhàn)性的學(xué)習(xí)任務(wù)[1,2]；而且，作為移動互聯(lián)網(wǎng)時代的“數(shù)字原住民”，他們見證了信息化的蓬勃發(fā)展，更喜歡主動學(xué)習(xí)場景豐富的學(xué)習(xí)資源[3]。因此，教師應(yīng)該充分挖掘?qū)W生現(xiàn)有潛能，采取適合學(xué)生特點的課程教學(xué)模式和有效的教學(xué)方法組織教學(xué)，揚其長避其短，充分調(diào)動學(xué)生的主觀能動性，充分發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的主體作用，實現(xiàn)課程教學(xué)目標(biāo)。

本文通過建設(shè)“思政引領(lǐng)、項目牽引、虛實結(jié)合、平臺支撐”的“四輪驅(qū)動”教學(xué)資源，有效解決實驗教學(xué)形式單一、學(xué)習(xí)資源有限、學(xué)習(xí)時空受限大而導(dǎo)致的價值引領(lǐng)薄弱、學(xué)生創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)不足的問題。通過應(yīng)用“預(yù)研先導(dǎo)→問題思辨→實操探究→前沿引領(lǐng)→賽學(xué)結(jié)合”的“五步法”教學(xué)設(shè)計，將預(yù)習(xí)上升為預(yù)研，為打造高效課堂奠定基礎(chǔ)，培養(yǎng)學(xué)生初步具備應(yīng)用研究能力。通過建立全過程、多維度的考核評價體系，對實驗教學(xué)全過程的信息進行綜合分析評價，從多環(huán)節(jié)、多維度考查學(xué)生的學(xué)習(xí)投入、學(xué)習(xí)成果和差異化能力，促進學(xué)生自主學(xué)習(xí)，提升學(xué)習(xí)內(nèi)驅(qū)力。

1 教學(xué)資源建設(shè)

本課程建設(shè)了“思政引領(lǐng)、項目牽引、虛實結(jié)合、平臺支撐”的“四輪驅(qū)動”教學(xué)資源。思政案例，培養(yǎng)學(xué)生堅韌的科學(xué)品質(zhì)，形成本課程的動力引擎[4]；實驗項目，擴展課程的廣度和深度，提高解決復(fù)雜化學(xué)問題的能力[5]；在線課程，提供預(yù)研、安全規(guī)范操作的資源支撐[6]；教學(xué)管理平臺，高效管理實驗教學(xué)全過程[7]。

1.1 思政案例建設(shè)

為了使學(xué)生獲得熱愛化學(xué)、崇尚科學(xué)的情感和價值觀，建成了課程思政案例庫。在實驗授課過程中引入思政元素，使“引導(dǎo)有抓手、融入有依據(jù)”，潤物無聲地實現(xiàn)課程的價值引領(lǐng)功能，實現(xiàn)課程育人目標(biāo)，形成本課程的動力引擎。

1.2 實驗項目建設(shè)

為擴展課程的廣度和深度，驅(qū)動學(xué)生創(chuàng)新實踐，建設(shè)了創(chuàng)新性、環(huán)境友好和方法改進實驗項目。為此，改進方法滯后實驗項目2個，更新環(huán)境不友好實驗項目1個，增加綜合性和創(chuàng)新性實驗項目9個。將新開發(fā)實驗項目編入實驗教材，在高等教育出版社出版新形態(tài)教材《基礎(chǔ)化學(xué)實驗》1部、數(shù)字課程教材《分析化學(xué)實驗》1部。

1.3 在線開放課程建設(shè)

為解決學(xué)生個性化能力差異，縮短學(xué)生從低階到高階的認(rèn)知過程，建設(shè)了在線開放課程，為學(xué)生掌握實驗原理和基本操作搭建自主學(xué)習(xí)平臺。建成1門課程“分析化學(xué)實驗”上線愛課程中國大學(xué)慕課中文平臺、1門英文課程“Analytical Chemistry Experiment”上線愛課程中國大學(xué)慕課國際平臺，包括知識點視頻32個、虛擬實驗8個、測試題200道，為學(xué)生提供預(yù)研和安全規(guī)范操作的資源支撐。

1.4 教學(xué)平臺建設(shè)

為高效管理實驗教學(xué)全過程，自主研發(fā)三個實驗教學(xué)管理平臺[7](圖1)，有利于實驗教學(xué)效果的循環(huán)優(yōu)化。移動實驗教學(xué)平臺，可以實時跟蹤學(xué)生的實驗行為，課前的預(yù)習(xí)測試幫助教師掌握學(xué)生預(yù)習(xí)情況，課中的電子報告記錄學(xué)生實驗操作情況，課后的教學(xué)反饋全過程管理實驗教學(xué)；虛擬實驗教學(xué)平臺，可以“以虛補實、以虛促實”，彌補實驗教學(xué)資源不足，學(xué)生可以完成因涉及有毒有害藥品、或因涉及眾多大型貴重儀器而無法實操的實驗項目；安全準(zhǔn)入平臺，可以強化學(xué)生安全意識，通過在課前完成安全資源學(xué)習(xí)、安全準(zhǔn)入測試，保障學(xué)生在實驗過程中的安全規(guī)范操作。

圖1 實驗教學(xué)平臺

2 課程教學(xué)設(shè)計

下面以“鄰二氮菲分光光度法測鐵”實驗為例，講述本課程的教學(xué)設(shè)計。

為深入貫徹因“材”施教、鼓勵“個”性、兼顧“多”數(shù)的思想，本實驗實行分層次教學(xué)。基礎(chǔ)班注重基礎(chǔ)實驗?zāi)芰?，學(xué)生只完成教學(xué)大綱既定的實驗“鄰二氮菲分光光度法測鐵”。高階班注重拓展課程深度，學(xué)生完成結(jié)合實際、具有一定挑戰(zhàn)度的課題項目“抗氧化物質(zhì)含量測定試劑盒”，本課題是由2019年第六屆卓越杯大學(xué)生化學(xué)新實驗設(shè)計競賽獲獎作品轉(zhuǎn)化而來。教學(xué)中，通過“預(yù)研先導(dǎo)、問題思辨、實操探究、拓展應(yīng)用、賽學(xué)結(jié)合”的“五法聯(lián)動”進行教學(xué)設(shè)計并組織實施。同時，借助本課程已在愛課程平臺上線的教學(xué)資源“分析化學(xué)實驗”，實施線上線下混合式教學(xué)(圖2)，學(xué)生線上預(yù)研、報告提交、考評測試，線下實操探究、數(shù)據(jù)分析、交流互動和教學(xué)評價等。

圖2 線上線下混合式教學(xué)設(shè)計樣例

2.1 預(yù)研先導(dǎo)

實驗課前，通過系列線上學(xué)習(xí)完成從預(yù)習(xí)到預(yù)研的延伸。教師通過QQ群分別在線布置實驗課題“鄰二氮菲分光光度法測鐵”和“抗氧化物質(zhì)含量測定試劑盒”，引導(dǎo)學(xué)生通過愛課程平臺在線學(xué)習(xí)本課程的教學(xué)資源，包括實驗視頻、虛擬實驗、實驗動畫、思政案例等，使學(xué)生掌握實驗的基本原理和基本操作，進而提高課堂利用率和實操效果，完成對基本實驗內(nèi)容的預(yù)習(xí)；學(xué)生通過閱讀指定實驗文獻，在線檢索相關(guān)文獻，了解物性，設(shè)計實驗方案，并通過QQ群提交，完成對拓展實驗內(nèi)容的預(yù)研。預(yù)研先導(dǎo)的實施培養(yǎng)了學(xué)生自主探究能力，使學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中能夠真正“動起來”。此外，在進入實驗室前，學(xué)生還應(yīng)該完成在線安全準(zhǔn)入測試，要求學(xué)生安全考核的準(zhǔn)確率必須為100%，提高學(xué)生的安全環(huán)保意識，保障課堂的實操效果，并為目標(biāo)達成度的實現(xiàn)奠定基礎(chǔ)。

2.2 問題思辨

實操前，教師根據(jù)學(xué)生提交的實驗方案，研判預(yù)研效果，并圍繞實驗設(shè)計方案，開展師生間、生生間的互動討論，幫助學(xué)生理論聯(lián)系實際，注重提升學(xué)生的思考和思辨能力，使課堂“活起來”。例如，在預(yù)研方案中，涉及到金屬離子標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度的有效數(shù)字保留問題，經(jīng)過與學(xué)生深入探討，使學(xué)生明白在化學(xué)分析實驗中濃度應(yīng)保留四位有效數(shù)字，而在分光光度法等儀器分析實驗中一般保留三位有效數(shù)字。

同時，注重教書和育人相統(tǒng)一，將育人元素貫穿于課程教學(xué)全過程。例如，在“抗氧化物質(zhì)含量測定試劑盒”實驗中，由于實驗的分析檢測對象是茶飲品，因此由詩人黃庭堅的著名詩句“茶甘酒美汲雙井，魚肥稻香派百泉”引出古人對茶的喜愛和我國茶文化的博大精深(圖3)，并引出茶葉的保健功能主要與茶多酚等還原性物質(zhì)的抗氧化能力有關(guān)，以及評價茶抗氧化能力的方法，使課程“引導(dǎo)有抓手、融入有依據(jù)”，潤物無聲地實現(xiàn)課程價值引領(lǐng)功能。

圖3 思政育人

2.3 實操探究

實操中，教師指導(dǎo)學(xué)生規(guī)范操作，強化安全環(huán)保意識，探究實驗現(xiàn)象；學(xué)生根據(jù)所學(xué)理論知識或設(shè)計方案，進行實際操作探究。例如，本實驗中分別以鄰二氮菲(Phen)和三吡啶基三嗪(TPTZ)為顯色劑時(圖4)，由數(shù)據(jù)分析可知，TPTZ-Fe3+的最大吸收波長不與游離Fe3+的吸收峰相重合，因此選擇TPTZ為顯色劑時的準(zhǔn)確度更高。由實操探究培養(yǎng)學(xué)生團隊協(xié)作、融會貫通和解決實際問題能力。

圖4 鐵配合物的紫外-可見吸收光譜圖

實驗過程中，針對全班同學(xué)共享數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，展開互動討論，教師進行思維引導(dǎo)，注重對學(xué)生個性化創(chuàng)新能力培養(yǎng)和對目標(biāo)達成度評價。例如，16位同學(xué)對綠茶、白茶和紅茶的抗氧化物質(zhì)含量測定實驗中，其中一位同學(xué)的綠茶實驗數(shù)據(jù)與其他組同學(xué)數(shù)據(jù)有顯著性差異，圍繞此問題，根據(jù)全班同學(xué)的共享數(shù)據(jù)展開問題討論(圖5、圖6)。部分同學(xué)能夠理論聯(lián)系實際，運用分析化學(xué)理論課上學(xué)過的可疑值統(tǒng)計檢驗方法，利用格魯布斯(Grubbs)檢驗法檢驗差異性大的實驗數(shù)據(jù)，借助統(tǒng)計檢驗決定可疑數(shù)據(jù)的取舍問題。通過在實操探究中討論問題，幫助學(xué)生理論聯(lián)系實際，并能運用理論知識指導(dǎo)實際操作。

圖5 抗氧化物質(zhì)含量測定數(shù)據(jù)(綠茶、白茶、紅茶)

圖6 師生互動討論

2.4 前沿引領(lǐng)

實操后，學(xué)生以小組討論的形式開展實際課題研究，給出問題的實驗設(shè)計方案，注重對學(xué)生團隊協(xié)作能力的培養(yǎng)。例如：在“抗氧化物質(zhì)含量測定試劑盒”實驗項目中，由茶葉中茶多酚能清除人體自由基，引出檢測自由基的最新研究進展(圖7)，即用于檢測自由基過氧化亞硝基的比率型熒光探針，該探針能夠靶向活細胞的線粒體，可以對過氧化亞硝基進行比率信號響應(yīng)，并生物成像。通過案例引導(dǎo)，鼓勵有興趣的同學(xué)查閱相關(guān)文獻，了解學(xué)科前沿。

圖7 前沿引領(lǐng)

2.5 賽學(xué)結(jié)合

課后，實驗室全面開放，教師結(jié)合科研和競賽提出一些創(chuàng)新實驗項目，也鼓勵學(xué)生結(jié)合生活、實際應(yīng)用等自主提出項目，指導(dǎo)學(xué)有余力的同學(xué)完成創(chuàng)新拓展實踐，并通過參加科技競賽等提升學(xué)生綜合能力。

3 課程考核評價

基于成果導(dǎo)向教育(Outcome-based education，OBE)的理念，本課程建立全過程、多層次考核評價體系，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)動力，提升課程挑戰(zhàn)度。從考核內(nèi)容方面來看，注重對學(xué)生能力考核，為此增加方案設(shè)計、應(yīng)用分析、團隊協(xié)作等觀測點，突出對創(chuàng)新能力和科學(xué)素養(yǎng)的考核，激勵學(xué)生思辨、創(chuàng)新和呈現(xiàn)等能力，提升挑戰(zhàn)度。從考核評價方式來看，注重多元化的考核，為此采用過程性與終結(jié)性結(jié)合、線上線下結(jié)合、定性定量結(jié)合、師評生評結(jié)合等多元化的全過程評價方式，全面評定學(xué)生綜合運用知識和解決實際問題的能力。具體考核標(biāo)準(zhǔn)為如下。

課程總成績由平時成績(70%)和期末成績(30%)組成。平時成績根據(jù)過程考核評定，主要觀測點為查閱文獻、方案設(shè)計、操作規(guī)范、應(yīng)用分析及創(chuàng)新思維等能力，其中預(yù)研占15%、實操探究占60%、數(shù)據(jù)分析討論占25%。期末成績根據(jù)綜合應(yīng)用知識能力評定，主要觀測點為對實驗理論、實驗方法及安全操作規(guī)范等的掌握情況。

對應(yīng)課程目標(biāo)和畢業(yè)能力要求，對本實驗項目的目標(biāo)達成度進行考查(圖8)。分層次實驗教學(xué)結(jié)果表明，相比于傳統(tǒng)教學(xué)的基礎(chǔ)班，高階班學(xué)生在方案設(shè)計、數(shù)據(jù)分析、問題思辨等方面成績都明顯高于傳統(tǒng)教學(xué)的基礎(chǔ)班，學(xué)生對朗伯比爾定律、參比溶液選擇等知識點的理解加深，學(xué)習(xí)主動性有所提升。學(xué)生反饋和調(diào)查問卷顯示本實驗項目的目標(biāo)度能較好達成，學(xué)生表現(xiàn)出想學(xué)愛學(xué)，能力得到整體提升。

圖8 學(xué)生知識-能力-素養(yǎng)考核及達成情況

4 結(jié)語

通過建設(shè)“思政引領(lǐng)、項目牽引、虛實結(jié)合、平臺支撐”的“四輪驅(qū)動”教學(xué)資源，并在實驗教學(xué)過程中實施“五步法”教學(xué)設(shè)計，學(xué)生在方案設(shè)計、數(shù)據(jù)分析、問題思辨、自主探究等方面的能力整體得到提升，安全環(huán)保理念和科學(xué)素養(yǎng)也顯著改善。近幾年，學(xué)生在國家級等各類化學(xué)創(chuàng)新設(shè)計賽中獲獎12項。師生互進實現(xiàn)了教學(xué)相長。團隊教師在教學(xué)創(chuàng)新大賽等比賽中獲獎16項，其中線上線下“五法聯(lián)動”混合式教學(xué)設(shè)計榮獲第二屆全國高?；旌鲜浇虒W(xué)設(shè)計創(chuàng)新大賽三等獎；相關(guān)成果發(fā)表實驗教學(xué)論文21篇，獲得教學(xué)軟件著作權(quán)15個。新的教學(xué)體系和實驗項目固化為1部新形態(tài)實驗教材、1部數(shù)字課程教材，均在高等教育出版社出版。分析化學(xué)實驗課程分別在愛課程中國大學(xué)慕課中文平臺和國際平臺上線，18所高校利用本課程開展SPOC教學(xué)，一學(xué)年的選課人數(shù)達2.1萬，位列化學(xué)類實驗課程前列。形成的課程體系和教學(xué)設(shè)計受到廣泛關(guān)注，團隊教師應(yīng)邀在全國性的教學(xué)會議作大會報告9次，起到廣泛的示范引領(lǐng)作用。