與時俱進的無機及分析化學實驗教學改革與實踐*

苗金玲, 范迎菊，范大偉，朱沛華，楊紅曉

(濟南大學化學化工學院，山東 濟南 250022)

化學是一門理論與實踐并重的學科，實踐教學對化學化工類的學生的培養至關重要。無機及分析化學實驗是化學化工有關專業的必修課，課程內容包括元素及其化合物的性質驗證和應用、無機和分析化學的基本操作、定性定量分析方法和相關原理的應用[1]。本門課的目標是加深學生對無機及分析化學理論相關知識的理解，鍛煉學生的實驗操作技能，同時培養學生的綜合分析能力，啟發他們的創新意識[2]。此外，本課程一般是化學化工類本科生接觸的第一門實驗課，課程的學習效果直接關系到學生后續課程的學習積極性，甚至是對專業的熱愛度。

隨著互聯網時代的發展，當代大學生的學習和交流方式已發生了翻天覆地的變化，他們已經習慣了通過網絡獲取信息，不滿于形式單一的線下教學；希望主動獲得知識，而不是被動接受知識；希望學到的知識更加鮮活實用，而非陳舊跟不上時代。因此，為了保證學生學習的主體地位，處于主導地位的教師必須進行全方位的教學改革，以適應時代的發展，保證課程教學質量。多年來，我校的無機及分析化學實驗教學也在不斷的進行調整[3-5]，目前我們分別在教學模式、教學方法和教學內容三方面進行了改革，實現了線上線下結合、多法并舉，內容鮮活的教學體系，取得了良好的教學效果。

1 改革教學模式，創建線上資源，實現混合式教學

1.1 線上資源建設

傳統的實驗教學，一般都是線下教學。我們認為，單純的線下教學存在三個方面的不足：①預習效果差。實驗課不同于純理論課，預習是實驗課的重要環節，預習效果直接關系到實驗是能夠否順利進行。傳統教學，學生通過實驗課本上的文字資料，雖然可以明白實驗要做什么，但往往不明白怎么做和為什么這樣做。另外，紙質實驗預習報告書寫和批改需要花費大量時間，導致教師不能及時掌握學生預習效果。②課堂教學，學生沒有消化和反思時間。線下教學一般是教師當堂講解實驗內容、演示基本操作，然后指導學生實際動手操作。但是，在這種教學模式下，學生聽完講解、看完演示后，沒有消化和反思時間，直接動手操作，往往導致學習效果不盡人意。③實驗報告反饋不及時。線下教學實驗報告通常需要課代表收齊后，交給教師，教師再全部批閱完后，統一發放給學生，整個過程花費時間長，導致反饋不及時，不利于學生及時修正錯誤。鑒于這些原因，線上和線下混合式教學模式成為不二選擇。目前線上課程資源很多，但適用性不強。因此。我們創建了適合自己學校特點的課程資源。線上內容包括課程介紹、講解視頻、操作視頻、教學資料、有針對性的預習題、作業、拓展資源和課程宣傳片等。教學視頻內容言簡意賅，深入淺出，針對實驗內容和和操作方法的講解能夠有效幫助學生對難點、重點問題的理解；視頻長度一般在 10 min 內，符合學生的認知特點，能夠滿足不同學生學習的需求。學生可以通過電腦或手機端隨時學習課程內容，實現個性化學習。

1.2 混合式教學設計

線上線下相結合的教學模式，我們已經應用兩屆，克服了線下單一教學模式的不足，取得了良好的教學效果。線上線下結合教學模式如圖1所示。我們的具體做法是：①課前。教師將實驗講解和操作視頻設置為任務點，發放有針對性的預習題和相應的實驗報告模板，學生需完成90%以上的觀看任務，才能進行預習題的解答；預習題的解答需要早于線下實驗 24 h 完成；預習題均為選擇題，線上平臺自動批改，學生提交即可得到反饋。通過這樣的方式學生明白了實驗內容，也了解了如何進行實驗，同時教師通過學生的答題情況也掌握了學生的預習情況。②課中(線下)。教師根據學生實驗預習題的解答情況，調整教學側重點，選擇性的進行課堂講解和實驗操作的現場演示，或者采用翻轉課堂，由學生講解和討論的方法，加深學生對實驗內容和方法的認識。之后學生進行實驗操作，教師巡回指導。由于預習充分，學生實驗操作過程中手忙腳亂的情況明顯較少。③課后學生利用線上提供的實驗報告模板完成實驗報告，在下次課 48 h 前在線提交實驗報告，實驗報告可以手寫，拍照上傳，有條件的同學，可以提交電子版的實驗報告，實現因材施教。課后教師在電腦端或手機端隨時進行實驗報告的批改，學生可同步了解自己實驗報告的不足，而引以為戒。除了這些內容外，線上課程還推送了課程拓展資源，開設了討論模塊，供有需要的同學參考和參與。

圖1 線上線下結合教學模式實施方案

我們的混合式教學，線下為主，線上為輔；線上指導線下教學。學生通過線上學習時間占到總學時的20%，支持學生完成課前的預習和課后的實驗報告提交。為幫助學生充分預習，我們設置的預習題都非常有針對性。比如，第一次實驗課，學生需要學習實驗室安全，我們設置了有關滅火器正確使用、電爐燒傷、強酸堿灼傷后的正確處理有關的題目，如表1所示。

表1 與實驗安全有關的預習多選題

再比如，溶液的配制實驗需要學生實驗前計算出配制各種溶液取用試劑的量，并明白不同類型溶液的配制需要選用哪些儀器進行。針對這些要求設置了相應的預習題，如表2所示。對于第一次寫實驗報告的同學來說，寫實驗報告是很有挑戰性的事情，學生普遍反映書寫實驗報告繁瑣，重點內容把握不到位，數據處理不全面。鑒于此，我們創建了定性實驗、定量實驗、制備實驗、綜合實驗的報告模板，學生只需要在模板中填寫實驗具體得到的現象、數據和結果即可完成實驗報告，通過實驗模板，學生學會了不同類型報告的書寫方法，有助于他們將來的學習。雖然線上教學時長短，但通過實驗預習題答題情況，可以及時掌握學生的預習效果，從而有針對性的安排線下教學內容；實驗報告的線上提交，保證我們及時了解學生對實驗的掌握程度，從而進行有針對性的教學總結，可以說線上教學有效地指導了線下教學。

表2 溶液配制實驗有關試劑用量和儀器選擇的預習測試題

2 改革教學方法，多措并舉，打造高效課堂

以往的教學過程我們主要采取課堂講授的教學方法，方法單一，學生易疲勞，影響教學效果。為了解決此問題，根據每個實驗內容的特點，我們設置了不同的教學方法，對于首次接觸的實驗內容和操作我們采取傳統的教師主講的BOPPPS教學法，包括引入、闡述學習目標、前測(學生預習題的解答) 、學生參與(講解和演示，學生聽講討論)、后測(學生操作)、總結。對于那些實驗中的操作學生已經熟悉的實驗和設計實驗，采用翻轉課堂的方法，由學生以小組為單位講解，教師引領討論的方法完成理論學習；需要應用復雜儀器的實驗，請助教幫忙，進行朋輩教學。助教為本級已做過實驗的同學或是高年級的學生，事實證明同輩間的交流更順暢有效，學生非常歡迎。對于操作步驟較多的實驗我們采用分組實驗的方法，兩人一組，協同完成實驗。相較于傳統的授課方式，翻轉課堂增加了學生的參與度，正如學生所說“翻轉課堂促進了他們對問題的探索和思考，鍛煉了他們的交流表達能力和創新思維”。最受歡迎的是朋輩教學，相較于與老師之間交流，學生更愿意與同輩交流，這種教學方法可以使教的和被教的都受益。我校的基礎化學實驗室，與大多數高校一樣建設非常完善，儀器和試劑都充足，完全可以實現單人單組實驗。但在教學過程中，我們發現學生缺乏合作精神，常常以自我為中心，為培養學生的團隊合作能力，我們抽取3個實驗進行小組實驗，通常是2～3人為一組，小組成員通過協商確定自己的任務，合力完成實驗，實驗數據共享，在實驗過程中學生基本都能進行積極交流，付起自己的責任，協助其他小組成員完成整個實驗。

3 改革教學內容，適應時代發展

無機及分析化學實驗屬于基礎實驗，有些實驗內容成熟但偏陳舊，與學科前沿脫節，與現實生活聯系小。為讓學生了解學科前沿和實驗方法實用性，我們對部分實驗內容了進行了改進。

3.1 增加安全教育環節，增強學生安全意識

實驗室安全關系到每個學生的人身安全，教育部每年都會部署高校實驗室安全檢查專項行動。為切實做好學生的實驗室安全教育工作，增強學生安全意識，我們增加了實驗安全教育環節，要求學生在第一次進入實驗室之前，必須通過學校開發的實驗室安全考試系統，如圖2所示。在線完成安全知識、安全手冊、安全標示和安全視頻的學習，通過安全考試，成績95分以上才準許進入實驗室上課。進入實驗室后，指導教師也會現場演示實驗服、滅火器、滅火毯、防毒面具、全身淋洗器、洗眼器、醫用急救箱和通風櫥的使用方法，并組織學生進行疏散演練，防患于未然，保證學生的實驗安全。

圖2 實驗室安全教育平臺

3.2 改進三草酸合鐵(III)酸鉀的制備和組成分析實驗的內容，與學科前沿接軌

三草酸合鐵(III)酸鉀的制備和組成分析實驗是經典的無機化學實驗。三草酸合鐵(III)酸鉀合成方法有多種，其中以硫酸亞鐵銨為原料的反應均需要用雙氧水作為氧化劑[1]，將Fe(II)氧化為Fe(III)。雙氧水現在屬于易制毒化學試劑，其購買和儲存受到限制，為避免使用雙氧水我們將硫酸亞鐵換成硫酸鐵銨。其次為減少空氣污染，我們將易揮發具有刺激性氣味的沉淀劑氨水換成了KOH，改進后的合成反應如式(1)-(3)。

+NH3+2K2SO4+H2O

(1)

(2)

(3)

首先利用硫酸鐵銨與氫氧化鉀的反應得到氫氧化鐵，然后與氫氧化鉀和草酸反應得到的草酸氫鉀反應，得到三草酸合鐵(III)酸鉀。合成流程圖如圖3所示。改進后學生報告的合成產率為30%～60%，與未改進前，沒有顯著差別，說明對合成的改進是成功的。

圖3 改進后三草酸合鐵(III)酸鉀的合成流程圖

除了實驗步驟的改進，我們對產物的結構表征也做了改進，原先化合物的結構表征是首先通過定性實驗確定配合物的內外界，再利用高猛酸鉀氧化還原滴定法確定化學式。考慮到現在對于能得到單晶的配合物的結構普遍是通過元素分析和X-射線單晶衍射技術進行確定，為讓學生的認知與學科前沿接軌，我們增加了元素分析和單晶結構分析的內容。通過測試的進行學生明白了元素分析測試有哪些模式，明白了怎樣的數據才是合格的，知道了如何挑選適合X-射線單晶衍射實驗的單晶樣品，掌握了利用Diamond軟件繪制晶體結構圖和分析結構的方法。當立體結構呈現在學生面前時，學生表現的非常興奮，直觀認識了中心離子Fe(III)是如何與草酸根配位，形成八面體形結構的。本實驗的改進，不僅促進了學生對對理論知識的掌握，也加深了他們對學科前沿的認知。

3.3 改進水硬度的測試實驗，使其更接近生活

水硬度，指水中Ca2+、Mg2+離子的含量。在我國水硬度表示方法通常有兩種，一種是以碳酸鈣含量計，單位是mg/L；另一種的單位是度，即 1 L 水中鈣鎂含量相當于 10 mg CaO為1度。長期飲用高硬度的水，會引起心血管、神經、泌尿造血等系統的病變。因此我國的《生活用水衛生標準》規定，飲用水的總硬度不超過 450 mg/L(即8度)[6]，世界衛生組織推薦最佳飲用水硬度是 170 mg/L。水的總硬度測試實驗是經典的分析化學實驗，測定對象是自來水。但現在學生們卻很少有人飲用自來水，他們飲用的可能是礦泉水、桶裝水、直飲水或直接取的泉水，自來水主要用于洗滌。為更貼近學生的生活，我們對實驗水源進行了改進，要求學生以宿舍為單位取水，水源不限。這樣的改進把測試權交到了學生自己手中。事實證明，學生的主動性被充分調動起來，大家取的水有飲用水、也有湖水和泉水。表3中是部分學生的測試結果。濟南是著名的泉城，擁有72名泉，在有自來水之前，居民一直飲用泉水，即使現在，也有很多居民喜歡飲用泉水。學生測試用泉水均來自居民飲用水取水點，從測試看，泉水的硬度普遍高于自來水，但在飲用水國家標準范圍之內，單就硬度來看，是可以飲用的。這樣的改進，既增加了實驗的趣味性，又增加其實用性，受到學生的積極響應。

表3 學生測得的部分水硬度(以CaCO3計，mg/L)

4 結語

為適應時代的發展，保證學生學習的主體地位和教師的主導地位，以及課程的學習效果，我們對無機及分析實驗教學進行了多方位改革，建立了線上線下結合的混合式教學模式。根據教學內容特點，采用了BOPPPS、翻轉課堂、朋輩教學和小組合作四種不同的教學方法，教學內容中增加了安全教育環節、改進了部分實驗內容，增強了實驗的科學性和實用性，取得良好的教學效果。