“無機及分析化學”教學中微課的設計及應用

徐先燕

（韶關學院 化學與環境工程學院，廣東 韶關512005）

微課或微課程，是一類在10分鐘以內，有明確教學目標，為集中說明一個問題的短小可視化視頻課程。它是現今信息技術高速發展使教育與信息技術相互融合的產物，具有時長較短（5～10分鐘）、內容精煉（有確定的知識點或明確的主題）、多樣化（類型、素材、制作方法豐富）、易于傳播（文件小）等特點［1］。在課堂前、課堂中、課堂后恰當的應用微課，可以助力教學。“無機及分析化學”是在生物科學、生物工程、動物科學、園藝、食品科學與工程、食品質量與安全等近化學類專業中，新生入校的第一門專業課，其教學效果將直接影響學生后續專業課程的學習。

微課作為新型的教學資源，為教師教學及知識交流提供了機會和平臺。國內微課始于2010年，其相關研究自2011年起逐年增多。筆者以“微課”為主題在中國知網（CNKI）全文數據庫檢索，2011年到2018年間共有24 574條檢索記錄。可見，國內學者越來越關注微課的研究。如李慧娟等就微課中的問題連續體進行了設計并結合案例加以說明，以助力微課教學應用研究［2］。楊茵提出微課教學可以作為信息化手段與教育教學相融合的橋梁，將其作為課堂教學的補充，可以更好地為學生學習服務［3］。江偉認為微課可以應用在課前、課間或課后，但關鍵在于找到微課的最佳切入點［4］。陳媛對微課在化學概念原理知識教學中的應用展開了研究［5］。陳曉姣等基于首要教學原理，以聚焦問題為原則，展示了碘量法測定維生素C含量的微課的模塊化設計，并探討了微課的教學評價及存在的問題［6］。他們提出微課的制作一定要精，需要教師投入大量精力和時間。筆者近年擔任“無機及分析化學”教學，考慮到微課的成效，為提高教學效果，緩解課時與內容的矛盾，在2018年度秋季學期開始嘗試在教學過程中有針對性的設計并應用微課，以提高學生的學習效果。此次教學選用了焦琳娟主編的《無機及分析化學》第二版為教材。

一、“無機及分析化學”教學現狀

作為近化學類專業化學學科知識體系搭建的基石，“無機及分析化學”的教學效果對后續專業課程如有機化學、生物化學、食品化學、食品分析等的學習具有重要的影響。“無機及分析化學”課程內容融合了關聯度較大的“無機化學”和“分析化學”兩門課程，在較全面地介紹化學基本原理的同時，又兼備了分析化學的實用性，其教學能較完整地體現化學學科的整體知識體系和學科思維。然而，正因其覆蓋了無機化學和分析化學的主要內容，“無機及分析化學”表現出內容繁多，涉及面廣，抽象復雜，各章獨立性強，且要求掌握的知識點很多等特點，因此課程教學難度及學習難度偏大。

“無機化學”和“分析化學”的融合使得“無機及分析化學”學時一般壓縮到64到48不等，教學課時有限［7-10］。要在有限課程學時內將知識面面俱到，往往會疏忽知識點的深化，使課程教學流于表面，學生能力和素質培養不夠，久而久之學生學習興趣索然，教學效果不佳［11］。因此，如何在緊張的課時下，加深學生對“無機及分析化學”的理解，提高其化學綜合素養就十分重要。

二、微課的設計及應用

張一春教授曾提出“微課”是指為使學習者自主學習獲得最佳效果，經過精心的信息化教學設計，以流媒體形式展示的圍繞某個知識點或教學環節［12］。而筆者認可“有生命”的課堂是建立在師生交互配合，交流溝通，共同完成的［8］15。教學活動包含師生間問答、討論、練習、反饋等互動環節，是師生間情感交流、心理互換的過程。完整性教學必是以溝通為目的的教學。所以，筆者將微課作為課堂教學的輔助和補充，所設計的微課是基于對學生學習現狀實時診斷的結果而制作，主要是有針對地拓展關聯知識點，或幫助學生消化課堂中某些難以理解的知識點，或解答學生解題過程的困惑。顯然，這些微課的知識點都是碎片化的，且與課堂教學緊密結合的，它自身并不是完整的知識體系，具有針對性、選擇性，一旦脫離原教學班級，其微課內容需重新調整。

（一）利用微課延伸課堂教學知識

溶液pH值計算的教學目標是要求學生掌握溶液pH值計算方法。溶液pH計算公式的記憶及其應用很簡單，然而這對學生獨立探索并解決問題能力的培養不利。知識學習有記憶、理解、應用、分析、判斷和創新等多個等級，課堂教學不應只停留在知其然不知其所以然。所以，筆者在溶液pH值計算的課堂教學中都會詳細講解一元強酸、一元弱酸溶液pH值的計算方法的推導過程。由于一元強堿、一元弱堿溶液pH值的計算思路與一元強酸、一元弱酸溶液pH值的計算相同，課堂教學過程通常一筆帶過。但據筆者多年教學經驗發現，高達70%的同學無法借鑒一元強酸、一元弱酸溶液pH值計算方法來掌握一元強堿、一元弱堿溶液pH值的計算。因此，針對這一情形，筆者在講解完一元強酸、一元弱酸溶液pH值的計算方法后會與學生強調一元強堿、一元弱堿溶液pH值的計算方法也很重要，由于公式的推導過程相同，課堂不再講解，由同學們課后自學 “一元強堿溶液pH值的計算”、“一元弱堿溶液pH值的計算”兩次微課，并告知下一節課會進行關于“一元強堿、一元弱堿溶液pH值計算”知識點的小測驗，同時強調小測驗是平時成績的一部分，回答正確的加分，回答錯誤的扣分，督促學生自學。在此，以“一元強堿pH值的計算”進行微課設計說明，其設計思路，如圖1所示，所涉及關鍵信息列于表1。

圖1 微課“一元強堿pH值的計算”設計思路

“一元強堿pH值的計算”微課詳細過程如下：

表1 濃度為 c mol·L-1的一元強酸（HCl）、一元強堿（NaOH）溶液pH值計算的相關信息

（1）回顧一元強酸溶液pH值的計算，建立一元強酸溶液與一元強堿溶液的關系，引入一元強堿溶液pH值的計算。

因一元強堿溶液與一元強酸溶液pH值的計算首先都需準確理解溶液中的零水準物質，再基于零水準物質的得失質子守恒，正確寫出質子條件式。如濃度為c mol·L-1的HCl溶液中的零水準物質為 H2O和H+，濃度為 c mol·L-1的 NaOH 溶液的零水準物質為H2O和OH-，這兩種溶液的質子條件式分別為：

其次，強調強酸強堿都是強電解質，可以完全解離，因此，如濃度都為 c mol·L-1的 HCl溶液、NaOH溶液中分別存在ceq(Cl-)≈c，ceq(Na+)≈c。再將其代入質子條件式，并聯合水的離子積，可整理獲得H+、OH-濃度的精確式，分別為式（3）、式（4）。

當溶液濃度c≥10-6mol·L-1時，溶液中水解離后對H+、OH-濃度的貢獻可以忽略，此時溶液中的H+、OH-濃度的貢獻幾乎全部分別來源于強酸、強堿，所以ceq(H+)=c，ceq(OH-)=c。此為一元強堿溶液與一元強酸溶液pH值計算的最簡式。

（2）例題講解。設計以下例題，加深對知識點的理解。

例1 請計算濃度分別為0.1 mol·L-1、2.0×10-7mol·L-1的NaOH溶液的pH值。

解 ①濃度為0.1 mol·L-1的NaOH溶液因OH-濃度大，因此可以忽略水解離對OH-濃度的貢獻，此時，采用最簡式進行計算。

ceq(OH-)=c=0.1 mol·L-1，即 0.1 mol·L-1的 NaOH溶液的pH值為13。

②濃度為2.0×10-7mol·L-1的NaOH溶液， 因c＜10-6mol·L-1，則需同時考慮水的解離對OH-濃度的貢獻，因此，采用精確式進行計算：

由 c=2.0×10-7mol·L-1，得 ceq(OH-)=2.4×10-7mol·L-1，pOH=6.62，則 pH=14-pOH=7.38。

（3）微課要點總結：這一內容難點在于學生對①質子條件式；②強酸強堿都是強電解質，可以完全解離，是否理解到位。這是建立求解溶液pH值等式的關鍵。通過微課呈現一元強酸、一元強堿的對比，幫助學生復習鞏固了一元強酸溶液pH值的計算方法，又延伸了一元強堿溶液pH值的計算方法，加深了學生對強酸（堿）溶液pH值計算所涉及的化學方法學的認知，培養學生化學方法論思維。

（二）利用微課強化課堂知識難點

課堂教學畢竟是面對幾十名學生的班級教學，解決大部分同學的基本問題，然而學習者存在個體差異性，在難度較大的知識點的理解中這種差異性更為突出。其次，課堂教學可能會存在無意識的重點要點疏漏，這也會使得知識點理解難度加大。因此，基于課堂實際情況，可以利用微課補充疏漏的重點要點，強化知識點的理解。在此，以“配合物的價鍵理論”為例進行微課設計。

“配合物的價鍵理論”微課設計背景：配合物的價鍵理論是配位化合物理論的重要組成部分，可以用于解釋配合物的成鍵和結構。由于價鍵理論比較抽象、概括性強，課堂教學時發現學生難以理解。在進行配合物價鍵理論的學習時，學生已掌握了共價鍵理論和雜化軌道理論的相關知識。筆者通過微課呈現難點內容，強化難點理解，其設計思路，如圖2所示。

圖2 微課“配合物的價鍵理論”設計思路

“配合物的價鍵理論”微課詳細過程如下：

（1）直接介紹配合物成鍵的常用解釋理論，引入配位化合物的價鍵理論，呈現價鍵理論要點。第一，成鍵主體——中心原子（空的軌道）與配位原子（孤對電子）；第二，成鍵方式——中心原子所提供的空軌道先雜化，形成數目相等、能量相同、具有一定空間伸展方向的雜化軌道，然后與配位原子的孤對電子沿鍵軸方向重疊成鍵；第三，配合物的空間構型——中心原子雜化軌道的空間取向決定了配體在中心原子周圍的排布方式，決定了配合物的空間構型。

（2）舉例分析。配合物根據成鍵過程是否改變中心離子的電子結構分為外軌型配合物和內軌型配合物，因內軌型配合物與外軌型配合物理解過程類似，在此以［Ag(NH3)2］+為例來詳細說明配位鍵的形成過程，成鍵過程，如圖3所示。［Ag(NH3)2］+是通過 Ag+和NH3中的N原子形成配位鍵，配位鍵中的共用電子對來自于N原子的孤對電子對，而Ag+是提供了可接受電子對的空軌道，即在成鍵時Ag+要提供2個空軌道來分別接受來自2個N原子的各一對孤對電子。由于Ag+的價電子層結構為4d10，4d軌道排滿10個電子，基于能量最低原理，以能量較低的5s和5p軌道作為接受孤對電子的空軌道。所以Ag+的一個5s空軌道和一個5p空軌道首先發生sp雜化，形成兩個sp雜化軌道，由于sp雜化軌道為直線型軌道，在接受來自與N原子的孤對電子后所形成的配離子也是直線型。從［Ag(NH3)2］+中配位鍵的形成過程可以發現，配位鍵的形成并未對Ag+的價電子層結構造成干擾，所以此類配合物為外軌型配合物。

圖 3 ［Ag(NH3)2］+中配位鍵的形成

（3）基于內外軌型配合物的成鍵講解，引出影響外軌型配合物、內軌型配合物形成的因素，深化對價鍵理論的理解。

內外軌型配合物的形成原因主要取決于配位原子的電負性，次要原因是中心離子的電子構型。當配位原子電負性大如F，則在成鍵時不易給出電子，因此難以干擾中心離子的價電子結構，所以一般形成外軌型配合物，如配合物［FeF6］3-；當配位原子電負性小如C，則在成鍵時易給出電子，干擾中心離子的價電子結構，所以一般形成內軌型配合物，如配合物［Ni(CN)4］2-。

（4）設計習題，鞏固知識點。習題：請依據價鍵理論分析［Fe(H2O)6］2+和［Fe(CN)6］4-的空間構型。

此微課的要點在于，首先要求學生能理解配位鍵形成是中心離子提供空軌道接受來自于配位原子的孤對電子。其次，能依據配位原子的電負性和中心離子的價電子層結構判斷配合物屬于外軌型配合物還是內軌型配合物，由此找出中心離子中發生雜化的空軌道，空軌道發生雜化后再接受配體提供的孤對電子，形成配位鍵。

（三）利用微課解答重點習題

由于課時受限，課堂教學只能對基本知識點進行講解，知識點的應用拓展相對不多，因此，學生對知識點的靈活應用能力較差，這可從作業中得到體現。為不受限緊張的課時，又能加深知識點的理解，筆者以微課形式解答習題。在此，以氧化還原反應中氧化物、還原物、氫離子等在溶液中濃度的改變對電對的電極電勢、原電池的電動勢的影響為例進行說明。

學生即使在課堂教學中表現出對氧化還原反應中氧化物、還原物、氫離子等在溶液中濃度的改變對電對的電極電勢、原電池的電動勢的影響這一知識點的理解較好，然而，80%以上的同學在完成作業時卻無法正確的應用所學能斯特方程來計算非標準濃度、標準壓力條件下的電對電極電勢、原電池的電動勢，為此特地制作了關于電極電勢、電動勢計算的習題（教材184頁習題9）講解微課，其設計思路如圖4所示。

圖4 微課“電極電勢、電動勢的計算”設計思路

以教材184頁習題9為例：計算298 K時下列電池的電動勢 (-)Pb|Pb2+(0.1 mol·L-1)||Cu2+(0.5 mol·L-1)|Cu(+)。

“電極電勢、電動勢的計算”微課詳細過程如下：

（1）首先引導同學回顧原電池正極發生還原反應、負極發生氧化反應。

（2）依據正、負極發生的反應類型，正確表達正、負極的電極反應方程式。

（3）引導學生關注習題中的已知條件，即Cu2+濃度為 0.5 mol·L-1，Pb2+濃度為 0.1 mol·L-1。 顯然這不是標準濃度，因此，應使用能斯特方程先計算出正極與負極此條件下的電極電勢。再根據E=φ+-φ-求出電動勢。

（4）解題。

這次微課設計源于學生對非標準態下電極電勢的理解不到位，所以是直截了當地講解習題，強化學生對非標準狀態電極電勢的理解。微課對習題的講解有利于學生以化學方法論來認識化學問題，提高其解決問題的能力。

三、微課應用效果

筆者于2017年與2018年先后擔任2017級與2018級園藝、動物科學專業的“無機及分析化學”教學。2017級園藝、動物科學專業學生數分別為37、43，2018級園藝、動物科學專業學生數分別為37、30。兩個年級的學生都是剛跨入大學校門的新生，他們都對即將開始的高校生活充滿好奇和熱情，對課程知識充滿興趣，他們年輕，可塑性強，但大部分同學自控力較差，易受周圍環境的影響。在經歷初高中的系統學習，大多數學生基本有過初高中化學實驗的學習經歷，對無機化學實驗的相關知識有基本的理解。而且，兩個年級兩個專業的培養方案對 “無機及分析化學”的教學要求基本不變，“無機及分析化學”課程標準對學生掌握課程知識和能力方面的要求也一致，課程考核方式一樣，都由30%平時成績和70%期末考試成績構成。作為任課教師，筆者在兩個年級中展開常規的課堂教學，以PPT課件呈現課堂講授主內容，以章節作業鞏固課堂教學，但在2018級學生中引入微課輔助教學。所以，筆者認為兩個年級的“無機及分析化學”考試成績能從一定程度上反映微課應用的成效。

2017級與2018級園藝、動物科學專業學生“無機及分析化學”考試成績顯示，2017級園藝、動物科學專業低分區間（＜50分）的比例分別為27.78%、23.36%，而2018級低分區間（＜50分）的比例分別為5.4%、16.66%；2017級兩個專業學生考試成績平均分都低于60，而2018級園藝、動物科學專業的平均分分別為65.51、67.43，表明與2017級相比，2018級大部分同學對知識點有了更好的掌握。2018級園藝、動物科學專業的及格率也分別由2017級的55.56%、30.23%提高到 67.57%、73.33%。與此同時，2018級園藝、動物科學專業的優良率分別由2017級的8.33%、0%提高到10.81%、23.33%，其中2018級動物科學專業的優良率提高顯著。可見，與2017級相比，2018級園藝、動物科學兩個專業在平均分、及格率、優良率都有了提高。這說明2018級學生對知識的掌握和應用總體上比2017級更好，一定程度上體現出微課作為課堂教學的輔助，對教學效果有一定的促進作用。

四、結語

本文的微課顯然沒有高超的多媒體技術的堆疊，可以說是簡單的內容呈現，但其針對性強，它是為補充課堂教學而存在，延伸課堂教學、強化難點理解、深化知識點應用，從而促進課程教學。