微课模式在“无机及分析化学实验”中的实践

苑立博 胡乐乾 李 波 谢文磊

(河南工业大学 化学化工学院,河南 郑州 450001)

“无机及分析化学实验”是一门新兴实验室课程,区别于传统“无机化学实验”和“分析化学实验”课程,此课程涉及“无机化学实验”和“分析化学实验”相关实验的整合,综合性较强[1,2]。以我校为例,“无机及分析化学实验”是我校工科类专业,如材料工程、环境工程、制药工程和化学工程与工艺等专业的基础化学实验课程,也是本科生的第一门实验课程,是验证无机及分析化学理论知识与技术的专门实验课程。期望学生通过该实验课程的学习,能够掌握基本的化学实验操作技能,掌握常见无机化合物的制备、分离、定性及定量分析方法,同时加深对化学基本原理和基础知识的理解和掌握,养成良好的实验习惯,树立实事求是、严谨务实的科学作风,为学生进一步学习后续实验课程和培养初步的科研能力打下基础,该课程是高校培养应用型工科人才的重要实践教学环节。随着工程教育专业认证的程度不断加深,越来越多的学校将“无机化学实验”和“分析化学实验”合并为“无机及分析化学实验”,但随之而来的问题是实验内容的简单合并,没有合适的教材,造成授课内容不能与时俱进、学生缺乏兴趣等问题,致使该门实验课程无法取得应有的教学效果。作者长期从事“无机化学实验”“分析化学实验”的教学工作,在实验课程的教学管理工作中积累了一些关于此类实验课程的体会和认识,现针对该课程中的一些实践及应用问题进行探讨。

1 “无机及分析化学实验”课程教学目前存在的问题

“无机及分析化学实验”主要面向非化学专业的工科本科生,是他们的第一门化学实验课程,一般在第一学期开设,是“无机化学实验”和“分析化学实验”内容的有机融合,目的是使相关专业的学生掌握基础的化学技能,能够利用相应的化学实验技能去解决和本专业相关的化学问题,培养基本的化学实验能力[3,4]。目前该门实验课程的受众面非常广泛,几乎所有与化学相关的工科专业都要开设,因此如何把该门课程的基础知识、实验技能和前沿动态传递给新一代的大学生,具有重要的现实意义。

但目前“无机及分析化学实验”的教学过程中仍然存在一些问题。主要表现为以下几个方面:(1)实验内容学习难度较大。由于“无机及分析化学实验”课程是此类专业本科阶段的第一门化学实验课程,学生在高中阶段基本没有受过专门的化学实验训练,且此门课程涉及的知识面较广,实验内容多且综合性较强,同时又需要将实验内容和理论课程对应的知识点联系在一起,在课时与实验条件均受到限制的条件下,学习难度较大。(2)实验授课方式僵化。化学的飞速发展为我们提出了大量需要实验来解决的全新科学问题,但目前的实验内容所包含的重复型、验证型实验过多,实际应用型实验及拓展型实验较少。同时受到传统教学方式的影响,“无机及分析化学实验”所涵盖的实验内容多数是理论课讲授知识点的实验验证,现行的授课模式多为学生实验前预习、教师讲授实验原理与演示实验规范操作、学生独立或分组完成预定实验、学生撰写实验报告与教师评估等,其间学生实验中所遇到的问题和所能得出的实验结果往往都有确定答案,学生在做实验之前已经预知了实验结果,导致缺乏实验兴趣和深度思考,难以达到培养学生利用实验技能解决化学相关问题的能力。(3)缺乏现代教学观的考核方式。目前我校“无机及分析化学实验”课程仍采取两人一组的实验方式,成绩大部分取决于实验报告的书写,对于学生实验过程中的考察无法直观的体现,成绩并不能完全体现学生的实验能力。这种较为单一的评价方式造成了教师评价学生的实验效果时受到了一定的限制,无法达到以学生的“学”为导向的现代教学观。(4)实验室安全教育无法充分保证。实验室安全教育是实验室安全管理的重要内容之一,是保障高校实验室安全的重要措施和关键所在。由于“无机及分析化学实验”大多数学校在第一学期开课,学生在此之前没有进入实验室开展化学实验的经历,对实验室的安全操作规范及安全设备没有直观的认识。教师在第一次授课时往往采用传统的授课模式讲述实验室安全要求及安全设备,缺乏直观的演示,学生理解不深,容易产生安全隐患。

2 微课模式在“无机及分析化学实验”课程中的应用

针对实验课程出现的问题,微课的应用对解决这些问题提供了一些新的思路。微课的学时较短,一般不超过10分钟,学生可以充分利用碎片化时间进行学习[5]。同时教学知识点较少,主题突出、重点突出、形式简化,便于利用现代信息化手段进行传播[6]。微课的核心即课堂教学视频,对于实验课程来说,主要是指关键实验步骤的演示。

作者在“无机化学实验”“分析化学实验”的教学过程中对相应的实验教材进行了比较、归纳与总结,针对“无机及分析化学实验”课程的特点及出现的问题,重新编排了课程内容,制定了相应实验课程的教学执行大纲,组织教研室老师录制了实验内容,并编写了新版的实验课程教材[7],将相应实验素材放在超星学习通中供学生提前预习,同时以微课二维码的形式插入到新版实验教材中,为教学实践改革奠定了良好的基础。

2.1 梳理课程内容,构建“无机及分析化学实验”课程新体系

“无机及分析化学实验”不仅仅是“无机化学实验”和“分析化学实验”的简单合并,还同时涉及两门实验课程的交叉融合。因此作者对相应实验内容进行了重新梳理,选取了比较具有代表性的实验,现就典型的代表性实验加以说明:(1)氯化钠的提纯及纯度分析。此实验通常作为无机化学的入门实验,要求学生掌握玻璃仪器的用途及使用方法、玻璃仪器的洗涤、常压过滤、减压过滤、蒸发浓缩等常规基本操作,在“无机及分析化学实验”实际教学过程中引入了纯度分析等初级化学分析的手段和方法,同时锻炼了学生无机化学实验和分析化学实验的基本操作,为后续的实验打好基础。(2)三草酸合铁(Ⅲ)酸钾的合成及组成分析。此实验为综合类实验,前期采用间接法,以硫酸亚铁铵为原料合成三草酸合铁(Ⅲ)酸钾。对学生的基本操作尤其是如何在控温条件下滴加过氧化氢溶液的操作要求比较严格,同时在前期合成三草酸合铁(Ⅲ)酸钾的基础上,直接引入氧化还原滴定法,利用高锰酸钾的滴定反应,测定所得产品中草酸根离子和铁离子的含量,分析所得产品的含量。此实验既训练了学生无机化学实验的基本操作,又训练了学生氧化还原滴定的基本操作及实际产品测定中的数据处理能力,是“无机化学实验”与“分析化学实验”的有机结合。(3)食用醋酸含量的测定。我校长期致力于粮食产品加工领域的基础理论及工程技术研究,食品科学与工程专业为我校特色专业,很多学生毕业后从事食品生产、加工等行业。因此在实验教学环节中,将食品和化学结合起来,增加了食用醋酸含量的测定这个实验,在学生前期学习过氢氧化钠、盐酸等化学品的酸碱滴定后,训练学生酸碱滴定法在食品行业中的实际应用,既保留了化学分析的本质,又与我校优势特色学科相结合,吸引了学生的学习兴趣,获得了较好的实验效果。(4)可溶性硫酸盐总量的离子交换法测定。化学分析中的滴定分析在以往的教学中往往是教师准备好相应的溶液,学生进行滴定练习,对样品的前处理涉及较少,不利于学生后期实验能力的培养。此实验引入了科研、实际样品处理中经常使用的离子交换色谱法处理样品,将通过阴离子树脂交换得到的含有氢离子的溶液收集,再用事先标定的氢氧化钠标准溶液进行滴定,从而计算出溶液中所含的硫酸根离子浓度。此实验既锻炼了同学们柱层析的实际操作,又和酸碱滴定融合在一起,同时训练了处理实际样品数据的能力。(5)微量镍的萃取与分离测定。无机化学的理论课程通常都会讲授利用丁二酮肟和镍离子生成鲜红色配合物的方法鉴定镍离子,但对于复杂样品中存在干扰离子情况下镍离子的鉴定和分离往往涉及较少。此实验利用不同pH值对丁二酮肟镍配合物的影响,通过调节pH值的方法对镍离子进行富集和萃取,最后通过分光光度法测定微量镍离子的含量,使学生初步了解复杂物质分离、分析的常见操作,标准曲线的绘制以及常见分析仪器的使用。通过对实验内容的梳理,调整老旧并且与实际应用脱节的实验,引入和无机及分析化学理论知识密切相关且具有一定实际应用价值的代表性实验,降低了实验课程的学习难度,同时提高了学生处理实际问题的能力。

2.2 积极引入微课,合理利用碎片化时间

如何合理地利用学生的碎片化时间,使理论课所学内容和实验课程结合,培养学生的实验能力及创新能力,是目前实验课程教学的一个难点。微课是一类区别于传统单一资源类型的教学课例、教学课件的新型教学资源,对于实验课来说,微课可视化程度较强,内容直观,有利于激发学生的学习兴趣,提高实验课程学习的积极主动性。为了充分利用微课的这些优点,作者组织教研室相应老师录制了实验的微课视频。以配位滴定法测定水的硬度为例,首先,通过PPT讲解了配位滴定的实验原理、配位滴定指示剂变色的原理、为什么使用固体指示剂、固体指示剂的使用量、测定水中钙离子、镁离子的原理及方法、最终的数据处理等。其次,录制配位滴定法测定水的硬度的实验视频,通过实验视频讲解配位滴定的基本操作、注意事项及典型实验现象演示,供同学们在课前预习。最后,将录制的视频通过二维码的形式插入到教科书中,学生扫描后即可随时随地观看实验视频,不受时间和地点的限制,最大程度地合理化利用碎片时间。通过微课这种“短视频”的形式,教师可以极大地丰富教学资源与教学手段,学生也可以充分利用碎片时间,让学生可以对实验进行深度思考,提高学生的学习兴趣,真正达到培养学生利用实验技能解决问题的能力。同时微课的“短视频”模式中极其丰富的视频资源可以将虚拟实验室引入到学生脑海中,学生在进入实验之前就可以对未接触过的实验仪器和实验操作有比较充分的了解,很大程度上解决了实验室的安全隐患问题。

2.3 多元化评价学生学习效果

为考核学生实验的操作能力及综合利用所学化学知识,解决本专业实际问题的能力,作者尝试将以往的考核方法进行优化,由以往重实验报告的考核模式向过程考核模式过渡。以“无机及分析化学实验”课程为例,最后的总成绩包括课前实验预习成绩、实验过程成绩、实验结果成绩、考核实验成绩。(1)课前实验预习成绩:在课程开始前,由授课老师将相应课程的微课视频、知识点、测验题目导入到学习通平台中,要求学生在相应实验开始之前完成预习内容,根据视频的完成度及测试题目的完成情况由系统直接给出相应的分数。通过这样的模式,授课教师可以及时掌握学生对实验内容的掌握情况,同时根据发现的问题可以有针对性地调整授课内容。(2)实验过程成绩:根据实验完成情况给出相应的成绩,包括但不限于产品的质量、纯度;移液、滴定操作的规范性;分析天平的使用;试剂取用的规范性;废液的回收;实验的安全防护、实验记录等。(3)实验结果成绩:主要考查学生实验报告书写的规范程度及数据处理。包括产品的产率计算、有效数字的保留、偏差的计算、工作曲线的绘制等。(4)考核实验成绩:选取比较有代表性的实验,单人单组完成。此项内容完整地考察了整个无机及分析实验的全过程,包括是否有数据记录本、分析天平称取样品操作是否规范、读数时天平门是否关闭、称量瓶是否放在托盘中间、称完天平盘上是否有药品、称量是否超时、定量转移操作是否正确、容量瓶定容是否超刻度、容量瓶是否摇匀、移液时是否润洗移液管、是否大拇指堵移液管口、移放液操作是否规范、是否按顺序加试剂、是否浪费试剂、滴定时滴定操作是否规范、是否滴定过量或不到终点、滴定管有无气泡或漏水、记录与读数是否一致、实验结果的准确度及精密度、实验报告格式及相关数据表格是否规范、有无缺项,实验数据计算及有效数字表达是否正确、有无涂改数据行为等。通过分类细化考核学生实验的过程,能更加直观地反映学生对无机及分析化学实验基本操作的掌握情况,评判更加合理。以我校应用化学专业21级某班为例,引入过程化考核后,学习通中视频资源所占的比例超过50%,明显提高了学生进行实验学习的吸引力,学生对微课视频的平均观看时长145分钟(图1),学生成绩优秀比例上升9个百分点,实验技能及实验兴趣有了明显的提高。通过多元化的考核方式,从多角度考查学生的实验能力与分析解决问题的能力,更能体现以学生的“学”为导向的现代教学观。

图1 学习通中各种资源的比例及学生观看时长

2.4 鼓励教学与科研相结合

教书育人离不开科研平台的支持,很多同学参与教师科研项目的兴趣很高,但是由于学校提供的科研平台有限,某种程度上打击了学生后期参与化学相关实验的积极性。因此如何使教学和科研有效的结合,培养学生探索式的学习能力对于培养专业化学人才具有重要的意义。在“无机及分析化学实验”的基础上,鼓励学生在教师的指导下查阅相关文献,寻找和本专业相关的化学研究前沿热点问题,通过基本的化学实验手段,设计相关实验,以提高学生对化学实验的兴趣,培养学生的创新能力和科研探索能力。通过参与教师的科研项目,打破传统按照实验步骤照本宣科的验证式实验模式,开展了一部分探索式实验,鼓励学生参与业余科研,使学生在相关的实验中初步掌握了科研实验的基本思维和研究方法,培养了相应的科研精神,也更加符合“科教融合”的现代教育观。经过一学期的试点,以我校化学专业为例,大二时接近一半的同学主动进入教师科研实验室开展业余科研,取得了较好的效果。

3 总结与展望

在互联网时代,如何利用学生的碎片化时间进行学习,是现代教师需要思考的一个问题,而微课的出现为我们提供了新的思路。通过运用现代化的教学方式指导教学过程,使实验教学展现出多元化、精准化和智能化,提高了学生对化学实验的主动创造性。通过多元化的考核及评价方式,更好地评价了学生对基本实验操作的掌握程度,以及利用基本的化学实验手段去解决实际问题的能力,从而为后续的实验课程和职业发展打下坚实的基础。同时微课模式在无机及分析化学实验中的应用,也为在类似实验课程中的推广提供了一些新的思路。