基于“一核三段六環(huán)節(jié)”提升化學(xué)師范生教研教學(xué)能力的實(shí)踐與探索

鄒曉川，王貴鳳，穆仕盼，楊怡萌，王存，李倩，代秦琴，張迪，楊晶,*

1重慶第二師范學(xué)院生物與化學(xué)工程學(xué)院，重慶 400067

2南寧師范大學(xué)化學(xué)與材料學(xué)院，南寧 530100

當(dāng)前，有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)仍然采用知識(shí)與技能相結(jié)合的傳統(tǒng)傳授型教學(xué)方法，這種方法存在講授時(shí)間長、學(xué)生自主操作能力弱以及安全隱患突出等特點(diǎn)。近年來，學(xué)者們對(duì)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法不斷進(jìn)行探索和研究，已取得了一定的研究成果，如有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)專題式教學(xué)法[1,2]，有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)參與式教學(xué)法[3]，基于網(wǎng)絡(luò)資源的PBL教學(xué)法[4,5]以及有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)法[6–9]等。此外，南開大學(xué)韓杰[10]提出了“講一練二考三”新理念，旨在從教學(xué)方式、教學(xué)內(nèi)容和考核方式等方面對(duì)本科教學(xué)進(jìn)行改革，切實(shí)提高教學(xué)質(zhì)量。邊磊等[11]通過設(shè)計(jì)開發(fā)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程在線測(cè)試與學(xué)習(xí)平臺(tái)改進(jìn)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。平臺(tái)除了具備考試系統(tǒng)的基本功能外，還可以根據(jù)測(cè)試結(jié)果推送相關(guān)學(xué)習(xí)資源，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化精準(zhǔn)教學(xué)。筆者采用拍照輔助改革實(shí)驗(yàn)報(bào)告寫作方式，能夠有效避免學(xué)生相互抄襲的現(xiàn)象，圖片的再編輯過程能夠讓學(xué)生最大程度地再次熟悉實(shí)驗(yàn)內(nèi)容[12]。盡管學(xué)者們對(duì)于有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法、教學(xué)理念、在線平臺(tái)建設(shè)以及實(shí)驗(yàn)報(bào)告撰寫等方面進(jìn)行了大量的探索與實(shí)踐，取得了令人鼓舞的成績，但是對(duì)于實(shí)驗(yàn)過程如何提高師范生教研教改能力以及如何通過教學(xué)改革和創(chuàng)新從而提高師范生技能報(bào)道較少。本文以FeCl3·6H2O催化合成乙酸乙酯為例，基于“一核三段六環(huán)節(jié)”教學(xué)理念，采用“翻轉(zhuǎn)+分段式”混合教學(xué)模式，通過課前師生共同準(zhǔn)備學(xué)習(xí)資源，學(xué)生自主學(xué)習(xí)，課中分段講解，互動(dòng)交流、教學(xué)探究以及課后評(píng)價(jià)與教學(xué)基本能力培養(yǎng)，詳細(xì)展示如何提高化學(xué)師范生教學(xué)改革能力以及提升教學(xué)技能。

1 “一核三段六環(huán)節(jié)”教學(xué)理念

“一核”是指師范生的教研教學(xué)能力。學(xué)生畢業(yè)后主要從事的工作是中學(xué)化學(xué)(含實(shí)驗(yàn))的教研和教學(xué)，相應(yīng)的，在校期間，人才培養(yǎng)方案一方面要強(qiáng)化學(xué)生的教學(xué)基本技能，另一方面還要引導(dǎo)學(xué)生對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行教研教改，而后一方面也是很多中學(xué)化學(xué)教師面臨的難點(diǎn)。“三段”分別是課前、課中以及課后，不同階段對(duì)應(yīng)學(xué)生不同能力的培養(yǎng)(圖1)。為了達(dá)成“一核”，在課前段包括師生共同準(zhǔn)備學(xué)習(xí)資源、學(xué)生自主學(xué)習(xí)兩環(huán)節(jié)，教師提供參考文獻(xiàn)、操作視頻、安全視頻等，學(xué)生整理文獻(xiàn)、撰寫課程綜述、確定研究主題、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，以及查閱物質(zhì)安全信息等。課中兩環(huán)節(jié)主要包括分段講解、互動(dòng)交流以及實(shí)驗(yàn)探究。課堂教學(xué)以學(xué)生為主體，將實(shí)驗(yàn)分段講解，充分利用實(shí)驗(yàn)等待期，在等待期進(jìn)行教學(xué)探究、找錯(cuò)糾錯(cuò)、技能強(qiáng)化、安全提醒以及課程思政等。課后的評(píng)價(jià)與教學(xué)基本能力培養(yǎng)主要要求學(xué)生撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，錄制微視頻，根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容要求學(xué)生轉(zhuǎn)換為教師角色進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)、撰寫教案、制作PPT，同學(xué)之間說課、試講等。

圖1 不同實(shí)驗(yàn)階段中對(duì)學(xué)生能力的訓(xùn)練

2 “翻轉(zhuǎn)+分段”教學(xué)模式

“翻轉(zhuǎn)課堂”是一種新穎的教學(xué)模式[13]，主要是指重新調(diào)整課堂內(nèi)外的時(shí)間，將學(xué)習(xí)的決定權(quán)從教師轉(zhuǎn)移給學(xué)生，在課前學(xué)生通過觀看視頻、查閱資料等方式代替教師的傳統(tǒng)課堂講授，而課堂內(nèi)的寶貴時(shí)間，學(xué)生則更專注于實(shí)踐和對(duì)于相關(guān)知識(shí)更高層次的理解。但是由于受模擬實(shí)驗(yàn)過程和視頻制作成本限制，“翻轉(zhuǎn)課堂”教學(xué)法在地方高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)中還未廣泛普及，更多的是一種嘗試，或者微翻轉(zhuǎn)。此外，分段教學(xué)法是國外學(xué)者普遍采用的一種教學(xué)方法[14]。通常將一堂課的活動(dòng)過程分為五個(gè)階段來進(jìn)行，其中包括講授、閱讀、要點(diǎn)書面論述、小組討論、鞏固總結(jié)等，每個(gè)階段按照一定的時(shí)間安排來進(jìn)行。受此啟發(fā)，實(shí)驗(yàn)講授過程可分為若干不同的時(shí)間段，開始實(shí)驗(yàn)時(shí)先講解一部分內(nèi)容，后續(xù)的實(shí)驗(yàn)任務(wù)視實(shí)驗(yàn)進(jìn)行程度分批講解。

3 以FeCl3·6H2O催化合成乙酸乙酯實(shí)驗(yàn)為例提升師范生教研教學(xué)能力實(shí)踐

目前，合成乙酸乙酯的催化劑較多，如質(zhì)子酸、離子交換樹脂、固體超強(qiáng)酸、雜多酸以及離子液體等[15–17]。大部分教材如蘭州大學(xué)編寫的《有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)》(第4版)等，均選取濃硫酸為催化劑[18]，但是濃硫酸存在反應(yīng)溫度不易控制且使用不安全，反應(yīng)時(shí)間較長，轉(zhuǎn)化率較低，副反應(yīng)較多，最后產(chǎn)生的廢液污染環(huán)境等問題。因此尋求安全、價(jià)廉和低腐蝕的綠色催化劑催化合成乙酸乙酯是目前解決這些問題的有效途徑。白銀娟等[19]總結(jié)了FeCl3·6H2O催化長鏈脂肪酸與醇的酯化反應(yīng)，十六烷基醇、大分子的固醇(包括高膽固醇)與芳香族羧酸、C10–C18脂肪酸進(jìn)行酯化，也獲得較高的產(chǎn)量。分析認(rèn)為：反應(yīng)中鐵離子水解形成的陽離子簇具有催化活性，三價(jià)鐵離子利用其價(jià)層空軌道與羧酸的羰基形成了穩(wěn)定的復(fù)合物，加入醇后，水與羧酸羧基部分交換配體活化羧酸，從而催化反應(yīng)發(fā)生。此外醇的用量可能對(duì)羧酸-Fe3+復(fù)合物的形成有影響[20]。鑒于FeCl3·6H2O的催化效率高，與傳統(tǒng)酸催化方法相比具有用量少、反應(yīng)時(shí)間短、醇酸比小、產(chǎn)率高及催化劑重復(fù)使用性能好的特點(diǎn)，且產(chǎn)品純度高、不腐蝕設(shè)備、處理簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便、無污染、符合綠色化學(xué)[21]的要求，本文以FeCl3·6H2O為催化劑，詳細(xì)展示催化合成乙酸乙酯的教研教學(xué)過程。

3.1 課前準(zhǔn)備

課前，教師團(tuán)隊(duì)在教學(xué)設(shè)計(jì)過程中主要采取“專題研討探究式”教學(xué)方法，以科研問題為導(dǎo)向，培養(yǎng)學(xué)生自主探索、自主創(chuàng)新能力。以FeCl3·6H2O催化合成乙酸乙酯為例，教師提前兩周通過班級(jí)QQ群以學(xué)習(xí)資源包形式發(fā)布此次實(shí)驗(yàn)的安全知識(shí)、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、基本操作視頻以及課程要求。在這個(gè)階段，首先要求學(xué)生熟悉課程資源包(表1)，掌握實(shí)驗(yàn)?zāi)康囊约盎驹?，充分了解本次?shí)驗(yàn)內(nèi)容的背景以及會(huì)使用到化學(xué)藥品的安全信息，了解基本儀器的使用方法、注意事項(xiàng)等。其次，要求學(xué)生主要查閱CNKI、維普、萬方等專業(yè)數(shù)據(jù)庫，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，撰寫課程綜述代替預(yù)習(xí)報(bào)告，著重要求學(xué)生總結(jié)不同催化劑的優(yōu)缺點(diǎn)，以及展望是否有更優(yōu)的催化劑？隨后，以寢室為單位制作PPT通過在線或第二課堂時(shí)間向教師團(tuán)隊(duì)進(jìn)行匯報(bào)，教師對(duì)學(xué)生提出的方案進(jìn)行評(píng)價(jià)，引導(dǎo)學(xué)生思考方案的科學(xué)性以及可操作性，最后形成可執(zhí)行的實(shí)驗(yàn)方案。最后，教學(xué)團(tuán)隊(duì)組織學(xué)生組建不同的催化劑用量、反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)溫度等研究小組，在課堂上對(duì)FeCl3·6H2O催化合成乙酸乙酯進(jìn)行詳細(xì)的研究。

表1 學(xué)習(xí)資源包

3.2 課堂教學(xué)

改革之前乙酸乙酯的合成，通常是一個(gè)班級(jí)所有學(xué)生完成一個(gè)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)條件完全相同。這種教學(xué)方法雖然可以培養(yǎng)學(xué)生的基本操作技能，有利于理解有機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)理論知識(shí)，但在培養(yǎng)學(xué)生的科研思維及創(chuàng)新能力方面具有一定局限性，尤其是不利于師范生教研教改能力的提升。因此，將科研方法融入有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)，即采用探究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)，這有利于培養(yǎng)學(xué)生良好的教學(xué)能力。課堂教學(xué)總體原則是把實(shí)驗(yàn)過程分成三個(gè)階段，以學(xué)生為主體，充分利用實(shí)驗(yàn)等待期。第一個(gè)階段主要是根據(jù)學(xué)生預(yù)習(xí)情況，采用啟發(fā)式教學(xué)，首先引導(dǎo)學(xué)生思考為何要采用FeCl3·6H2O催化合成乙酸乙酯，F(xiàn)eCl3·6H2O催化合成乙酸乙酯比傳統(tǒng)催化劑的突出優(yōu)點(diǎn)在哪里？其次，教師根據(jù)學(xué)生分組數(shù)，設(shè)定單因素考查變量，如不同的催化劑用量、反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)溫度等，并對(duì)每個(gè)變量進(jìn)行編號(hào)，學(xué)生隨機(jī)抽簽確定實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，從而對(duì)最優(yōu)條件開展探究。第二個(gè)階段主要向?qū)W生描述本次實(shí)驗(yàn)可能存在的安全隱患，包括藥品隱患、操作隱患以及環(huán)境隱患。第三個(gè)階段主要是找錯(cuò)糾錯(cuò)、技能強(qiáng)化、安全提醒以及課程思政等。尤其是充分利用實(shí)驗(yàn)等待期，如加熱環(huán)節(jié)、冷卻結(jié)晶環(huán)節(jié)以及干燥環(huán)節(jié)，如果不充分利用該段時(shí)間，學(xué)生會(huì)閑聊、嬉戲、看課外書、看抖音甚至打游戲。為了更加充分利用這些時(shí)間，我們會(huì)邀請(qǐng)同學(xué)介紹傳統(tǒng)催化劑濃硫酸催化合成乙酸乙酯的基本原理，邀請(qǐng)同學(xué)分享濃硫酸的應(yīng)急處理、離子液體的優(yōu)點(diǎn)、固體酸的常見制備方式以及乙酸乙酯的用途等。

3.3 課后要求

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，一方面要求學(xué)生撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。實(shí)驗(yàn)報(bào)告中基本信息部分必須與教學(xué)日歷一致，如實(shí)驗(yàn)名稱、日期；原理部分使用化學(xué)方程式表示；實(shí)驗(yàn)報(bào)告中最重要的是步驟、現(xiàn)象以及結(jié)果討論部分；這些板塊均要求學(xué)生盡量以圖文并茂的形式描述。涉及到的表格需要使用三線表，含有中英文表頭，使用Chemdraw1996版ACS模板繪制分子式，采用PS軟件編輯美化圖片，利用Origin處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)等。結(jié)果與討論部分中，要求學(xué)生對(duì)反應(yīng)產(chǎn)率與理論值進(jìn)行分析，引導(dǎo)學(xué)生從化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)和一些外因進(jìn)行剖析。另一方面要求學(xué)生翻轉(zhuǎn)教師角色，以“宏觀辨識(shí)與微觀探析”“變化觀念與平衡思想”“證據(jù)推理與模型認(rèn)識(shí)”“實(shí)驗(yàn)探究與創(chuàng)新意識(shí)”以及“科學(xué)精神和社會(huì)責(zé)任”等五個(gè)要素的高中化學(xué)核心素養(yǎng)為依據(jù)，利用如錄屏大師、Pr視頻剪輯等軟件錄制微視頻，進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)、寫教案、做PPT，說課、試講等環(huán)節(jié)。如微課部分要充分融入五要素，詳細(xì)展示核心素養(yǎng)中的過程屬性和結(jié)果屬性，從催化劑的改變、反應(yīng)物的用量到最終產(chǎn)品的出現(xiàn)，從濃硫酸造成的嚴(yán)重安全事故到路易斯酸催化劑的應(yīng)用范圍等；再從直觀的液體、固體原料再到微觀的分子原子。實(shí)驗(yàn)過程要利用字幕或者語言提示關(guān)鍵操作步驟和總結(jié)性內(nèi)容，要體現(xiàn)探究式的學(xué)習(xí)模式。在錄制過程中，要求師范生突出語言的魅力，滲透教育情感，融入課程思政等內(nèi)容。此外，還要求師范生查閱《化學(xué)教育(中英文)》《化學(xué)教學(xué)》以及《大學(xué)化學(xué)》等學(xué)術(shù)期刊相關(guān)論文，跟蹤學(xué)科前沿，焦聚教研教改。

3.4 課程效果

課程結(jié)束以后，以隨機(jī)的方式對(duì)班上同學(xué)展開調(diào)研，目的在于了解師范生對(duì)于“一核三段六環(huán)節(jié)”理念的理解和認(rèn)識(shí)，以及通過融入該理念在有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中是否可以提高他們的教研教學(xué)能力。通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，學(xué)生普遍認(rèn)為“一核三段六環(huán)節(jié)”教學(xué)理念十分新穎、非常實(shí)用并具有吸引力。課前翻轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)學(xué)生可以了解到更多與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容相關(guān)的知識(shí)，不再拘泥于教材；課中的探究環(huán)節(jié)有利于教研能力的提高，能夠找到改革突破點(diǎn)，分段式教學(xué)充分利用了課程等待期，非常值得借鑒。此外，通過增加課后錄制微視頻、撰寫教案、制作教學(xué)PPT以及分組試講等環(huán)節(jié)(圖2)，要求學(xué)生不僅要會(huì)做實(shí)驗(yàn)，還要會(huì)寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，會(huì)表達(dá)，會(huì)分享，會(huì)編輯，會(huì)制作。學(xué)生們認(rèn)為這個(gè)過程既提高了實(shí)驗(yàn)技能，又翻轉(zhuǎn)角色，還強(qiáng)化了師范生技能，從“我”做實(shí)驗(yàn)到“我”組織實(shí)施此次實(shí)驗(yàn)，這是一種師范生全程融入的過程。

圖2 視頻實(shí)驗(yàn)報(bào)告

近年來，學(xué)院積極鼓勵(lì)學(xué)生申請(qǐng)學(xué)?？蒲许?xiàng)目，參加挑戰(zhàn)杯、大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)比賽、數(shù)學(xué)建模大賽、化學(xué)實(shí)驗(yàn)技能大賽等，取得突出成績，其中本草止癢產(chǎn)品在“創(chuàng)青春”全國大學(xué)生創(chuàng)業(yè)大賽中獲得了國賽銅獎(jiǎng)。在2020年，學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計(jì)劃項(xiàng)目市級(jí)立項(xiàng)5項(xiàng)，校級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)孵化項(xiàng)目7項(xiàng)，校級(jí)大學(xué)生科研立項(xiàng)15項(xiàng)，第一作者公開發(fā)表論文14篇，授權(quán)實(shí)用新型專利4項(xiàng)。

4 結(jié)語

基于“一核三段六環(huán)節(jié)”理念實(shí)施有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐與探索，我們發(fā)現(xiàn)師范生對(duì)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)興趣明顯提高，實(shí)驗(yàn)操作的熟練程度和規(guī)范性也得到明顯的改善。課前課中教學(xué)能夠顯著促進(jìn)師范生對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的理解和掌握，充分利用實(shí)驗(yàn)等待期，還能促進(jìn)師范生教研教改能力的提高。另一方面課后環(huán)節(jié)有利于提高師范生在課程設(shè)計(jì)、課堂組織、語言表達(dá)以及多媒體應(yīng)用、軟件使用等方面的能力。對(duì)于提升學(xué)生的教研教學(xué)能力有一定的推廣價(jià)值。