教育現代化背景下分析化學實驗課程的信息化建設

李 嬌， 金 谷， 姚奇志， 李玲玲， 劉紅瑜， 魏 偉

（中國科學技術大學a.化學與材料科學學院；b.化學國家級實驗教學示范中心，合肥 230026）

0 引 言

《加快推進教育現代化實施方案（2018—2022年）》明確指出，不斷促進信息技術與教育教學深度融合，支持學校充分利用信息技術開展人才培養模式和教學方法改革，信息技術對教育發展具有革命性影響［1-2］。隨著信息化時代的到來，教學信息化是高校教學改革實現跨越式發展途徑。以學生為中心，以“互聯網＋教育”為思路，促進課堂教學與基于信息技術的自主學習深度融合，對教學模式、教學內容、教學形式進行綜合性、系統化改革，加強課程建設，推動信息技術與教學深度融合［3］，給學生提供更加生動、便捷的學習體驗，激發學習熱情和創新能力。

1 傳統教學的弊端

化學實驗教學中心開設的分析化學實驗課程面向全校化學、材料、高分子、地球化學等專業的學生，教學覆蓋面較廣，傳統教學模式與時代發展走向相佐，具體體現在以下幾點：①學生不重視實驗課，學生不愿意投入時間到實驗課上；②實驗預習流于形式，學生基本上處于被動學習狀態，無法達到有效的實驗教學的根本目的［4］；③教學形式枯燥、無新意，缺乏直觀性；④師生基本“零”交流，“學生懶得問，教師沒時間問”，折射出目前在校大學生治學和求知的消極心態。⑤教師分身乏術，基礎操作、實驗內容重難點及實驗安全等方面都需要教師從旁監督和指導，做不到對每位學生都進行細致指導。

綜上所述，傳統的教學模式已經落后于時代的發展，現代信息網絡化建設會逐步填補傳統教學形式的不足之處，兩者優勢互補，相輔相成，共同促進教學改革的長遠發展。

2 分析化學實驗課程的信息化建設

分析化學實驗教學緊跟時代步伐，結合自身特點，利用“現代＋傳統”信息技術成果，不斷完善教學手段，積極建設了多維度新型信息化平臺（見圖1）。利用信息化平臺，學生可以隨時隨地利用智能手機或者便攜電腦進行自主學習（預習＋復習＋拓展），體現了“以學生為主體，教師為輔”“自主學習和課堂教學相結合”的教學模式，融入開放式實驗教學的特點，能有效拓展實驗教學的時間和空間，充分調動學生學習積極性，大大提高了實驗教學質量，全面提升人才培養質量。

圖1 課程信息化建設內容

2020年初，新冠疫情的蔓延導致學生無法按時返校，這對實驗教學的影響遠超理論課程，線下實驗難以開展，這些信息化建設的成果起到了雪中送炭的重要作用，在非常時期下保障了正常實驗教學的順利開展，教學效果遠超預期。

2.1 微信公眾平臺建設（手機端）

通過微信公眾平臺，向學生提供優質教學資源，也可即時發布各種實驗知識、安全知識、科研前沿熱點和課程安排等，培養學生預習復習的良好習慣，拓展學生的知識領域，提高學生的安全意識，促進師生之間的互動與交流，提升實驗教學質量。

2.1.1 微信公眾平臺的建設模式

分析化學實驗室的微信公眾號為“蝸殼分析化學實驗室”。所有課程資源均通過微信公眾平臺進行展示和推送，學生通過掃描二維碼關注課程公眾號后就可進入該平臺查閱信息，見圖2［5-9］。根據實驗課程特點，采用微信公眾平臺輔助課程教學中對該平臺的建設模式設置如下：

圖2 微信公眾平臺構架及二維碼

具體菜單項。Lab安全菜單——實驗室介紹、實驗室安全知識、安全應急預案；課程資訊菜單——實驗注意事項（實驗規章制度、儀器設備使用及注意等）、課程安排、實驗報告要求；掌上隨學菜單-課程資源合集。

實驗室安全是實驗教學的前提，將安全放置于首位，提醒學生安全第一原則；課程資源目前包含多媒體課件（PPT）、教師制作視頻以及學生自制基礎操作視頻。為了便于學生對常規教學實驗的進一步理解和掌握我們將這些實驗內容拍攝、剪輯，為學生自主學習、輔助教師教學服務。

2.1.2 微信公眾平臺的教學實施模式

微信公眾號的應用只是輔助分析化學實驗教學，如何將其更好的應用于實踐教學，更好地激發學生的學習興趣和主動性，主要在于教師的引導方式。經過教學實踐，公眾號在課程教學的課前和課后環節都得到了應用，見圖3。

圖3 微信公眾號輔助實驗教學具體表現形式

2.2 信息化資源建設

2.2.1 創新“動態”PPT課件制作，提高教學質量（電腦端）

區別于傳統“文字化”課件（PPT文件），創新“動態”課件加入了動畫元素，可以輕松實現分析化學實驗的整個過程，讓學生對實驗過程一目了然。例如：實驗步驟中試劑加入、震蕩攪拌、滴定動作、顏色變化等，將繁瑣的實驗流程簡化為可視化的動態演示，有助于學生更為直觀的感受整個實驗步驟，提高教學質量和教學效果。以兩個綜合實驗為例，“聚乙二醇－硫酸銨－亞硝酸鹽體系用于鈷鎳的分離富集和測定”，整個萃取過程，顏色變化、“SDS在Al2O3表面的自組裝及用于銅離子的分離、富集及測定”銅離子富集，原理過程如圖4、圖5所示。

圖4 “聚乙二醇－硫酸銨－亞硝酸鹽體系用于鈷的分離富集和測定”萃取過程，顏色變化

圖5 “SDS在Al2 O3表面的自組裝及用于銅離子的分離、富集及測定”銅離子富集原理

另外，針對學生在實驗中可能遇到的問題和可能出現操作失誤之處，編寫注意事項，使學生知道在實驗中遇到類似問題時應該如何處理；此外，提出實驗拓展供學生課后思考。

2.2.2 精選實驗項目，制作教學視頻及微視頻（電腦端＋手機端）

分析化學實驗課程中采用視頻教學法，使得所學知識能夠進一步加深鞏固，能極大程度地激發學生的學習興趣，也提高了學生的實驗技能和創新意識，把學習從課堂上拓展到隨時隨地，一改傳統的“教師在課堂上灌輸知識，學生被動接受”的局面，從而達到教學效果的較優化。同時也擺脫了現實教學中場地少、時間緊等的限制，讓學生有更充分的實踐和動手機會，為創新應用型人才的培養提供幫助［10］。

為了更好地幫助學生理解和掌握實驗內容，在充分討論、精選實驗內容的前提下精選實驗項目，按照實驗室安全教育微視頻、基本操作微視頻，基礎實驗和綜合實驗四個部分拍攝，制作成教學短視頻，視頻中采用了大量特寫鏡頭對實際過程進行細微的記錄和示范，直觀生動；后期用“Adobe Premiere Pro”軟件對視頻進行剪輯和制作，在教學視頻中還添加靜態圖片，并進行文字或圖示說明。教學視頻的內容主要包括實驗目的、實驗原理、實驗操作和流程、注意事項以及思考題等，能方便初學者盡快理解實驗原理并熟練。

(1)個人安全防護教學視頻。“安全是重中之重”，一切實驗教學活動都建立是需要建立在安全的基礎之上，因此，微視頻教學從課前實驗室安全教育開始是必須的［11-13］。教師主動收集素材，自己拍攝、學會剪輯、DIY制作視頻，將難于用語言精確表述的實驗安全操作和實驗室安全技術等教學內容制作成教學微視頻，見圖6。在分析化學實驗的先導課上，對新生進行化學實驗的安全培訓。在安全教育過程中，介紹化學實驗室的危化品使用、防灼傷燙傷、防觸電等安全防護措施，包括噴淋、洗眼器的使用、實驗事故應急方法。

圖6 實驗室安全教育視頻

(2)基礎型實驗教學視頻。分析化學實驗對“量”的概念的要求尤為嚴格，規范基本實驗操作是前提條件，但由于基礎實驗操作內容瑣碎，學生短時間完全掌握不容易，為此，教師將一系列基本操作分別制作成短視頻，以鞏固學生基礎實驗操作的熟練性和規范性，見圖7。

圖7 基本實驗操作視頻

與此同時，為鞏固基礎實驗操作，充分調動學生對基礎操作技能的積極性，嘗試舉辦微視頻競賽（小班嘗試），學生以小組為單位，分工合作，對于優秀的制作團隊設置了小獎狀、小獎品之類以示鼓勵，讓學生收獲滿滿成就感。學生對視頻制作積極性也很高，制作的視頻各具特色，遠超過教師的預期。

通過自制微視頻，學生對基礎操作有了更為深刻印象，實驗過程中更具自信心，提升了實驗效率和數據準確性。同時，自制微視頻補充和豐富了分析化學實驗課程線上學習資源，微視頻能反復觀看學習，學生的基礎操作的熟練程度提升明顯，大大節約了教師重復指導實驗細節的時間，其教學效果更優。

(3)基礎型實驗教學視頻。定量分析化學實驗依據溶液顏色的變化來控制實驗的進程，特別是滴定前的預處理中，顏色變化復雜，僅通過課前預習和老師的講解，很難讓學生更深入的理解。以“無汞鹽法測定鐵礦石中全鐵”為例，實驗中不僅要求有熟練的基本操作技能，而且有復雜的預還原步驟：礦樣溶解完全，溶液呈橘黃色。近沸條件下，滴加15%SnCl2到淺黃色，加入3滴硅鉬黃指示劑，溶液為黃綠色。改用2%SnCl2滴到溶液為純藍色，立刻加入100 mL蒸餾水，避免空氣中O2氧化Fe2＋帶來誤差，最后用重鉻酸鉀標準溶液予以滴定。

此實驗整體操作難度大，預處理和滴定過程中顏色眾多，學生若對這種處理方式沒有直觀的真實感受，很難對實驗進行精準控制，見圖8。視頻可供學生反復觀看，實際實驗中事半功倍，效果顯著改善。同時，也包含預處理中可能出現的意外及處理方法，提醒學生需要注意和規避的操作。

圖8 “無汞鹽法測定鐵礦石中全鐵”各步驟顏色變化

2.3 開展混合式教學（手機端＋電腦端）

2020年初，新冠病毒在國內的爆發嚴重影響了全國高校的教學進程，對實驗教學的影響尤為突出。為響應“停課不停教、停課不停學”要求，化學實驗教學中心依托化學國家級實驗教學示范中心和化學國家級虛擬仿真實驗中心來開展化學實驗教學工作，及時調整教學計劃，實行“一課一策”的信息化教學方案［14-15］。分析化學實驗課程組依據自身課程特點，結合微信公眾平臺、Blackborad（Bb）教學平臺和ClassIn在線課堂等平臺實施線上實驗教學，取得了良好的教學效果。

（1）微信公眾平臺中信息化課程資源，供學生在線預習。Blackborad（Bb）教學平臺，供學生上傳預習實驗報告。

（2）建立微信／QQ群，開展混合式教學。為了更好地開展線上答疑解惑和互動交流，在實驗開課前，由教師建立微信群，助教和學生入群。每次實驗前，教師把實驗的原理、實驗的設計思路以及實驗過程的關鍵操作等設計成預習題發布在群里，讓學生進行有針對性的預習和準備工作，突破了教學學時對實驗教學平臺的限制。同時，針對實驗過程中出現的異常現象，無法給出明確結論的，可以通過微信群進一步的探討交流。微信群不僅可以加強師生溝通交流，也為同學們展示實驗成果、討論實驗現象提供平臺，鍛煉了相互溝通能力。

（3）通過ClassIn在線課堂（直播互動）以PPT論述、質疑提問、答辯討論等多種教學形式與學生實時而深度的互動，學生參與度高，積極性更高，線上答辯考評的實際效果遠超過預期，值得我們深入思考總結。

（4）待疫情結束開學后，學生再補做實驗，將線上線下有機融合，完成整個實驗教學活動。這次疫情催生的線上信息化教學及考核模式，為今后的教學工作開拓了新思路，如何做到線上線下有機結合，優勢互補，相輔相成，這是我們以后需重點關注和研究的教學方向。

2.4 強化實驗室信息化管理

2.4.1 微信公眾平臺下實驗室管理模式（手機端）

在傳統實驗室管理模式中，引入信息化管理的新思路，有效提升管理水平。

(1)實驗室安全管理。建立教師每日安全管理檢查及公開通報的安全管理新模式，即：教師將每日安全檢查情況，直接用手機拍照或者錄像，上傳至公眾號，并予以推送，以督促每位教師和學生及時整改并時刻謹記安全第一，讓安全風險處于可控狀態，真正做到防患于未然，確保實驗室安全無虞。

(2)教學管理。建立統一的信息化教學新方式。根據每學期實驗室儀器更新情況和教學要求的調整，及時更改和推送具體的實驗要求，使得每位教師的教學要求統一規范。

(3)儀器管理。建立實驗儀器設備的動態管理新模式，實現儀器報修工作的網絡化。儀器出現故障，師生可直接用手機拍照或錄像，上傳至公眾號，實現簡單及時的網絡化報修。

(4)藥品試劑及玻璃儀器管理。建立藥品和玻璃儀器的庫存動態管理新模式，實現藥品及玻璃儀器庫存的網絡化。方便教師和學生及時查閱其庫存情況，以便及時采購和增添。

2.4.2 二維碼應用，提高教學管理效率（手機端）

歷年來，實驗室的實驗教學內容安排、學生排位表、玻璃儀器柜清單、試劑清單、玻璃儀器存放單、儀器使用說明等都需要打印并貼在醒目的位置，而且每學期都需要大量更換（紙質破損或丟失），造成紙質嚴重浪費。針對這一方面，我們采用新型二維碼的形式，將上述表單的內容制作成相應的二維碼，貼在相對應的儀器或者柜面上，在實施實驗操作前，學生自行掃二維碼獲取相關內容，方便學生隨時查閱，同時避免紙質浪費，提高教學管理效率。

3 結 語

教育現代化背景下，分析化學實驗課程組與時俱進，從微信公眾平臺、創新“動態”課件，教學視頻、學生自制視頻、微信群、直播互動課堂和二維碼等多方面進行探索和實踐，經整合資源，優化配置，完善管理，構建了信息化教學平臺，獲得學生的認可和好評的同時，教學質量也得到很大的提高，并起到良好的示范輻射作用。