金課背景下設計性無機化學實驗混合式教學實踐

董瑞婷，羅濤朋，史 超

（1.南昌師范學院化學與食品科學學院，南昌 330032；2.江西理工大學無序物質科學研究中心，南昌 330006）

0 引 言

2018年6 月，時任教育部部長陳寶生在全國高等學校本科教育工作會議上對課程提出了“金課”的概念。“金課”即指具有高階性、創新性和挑戰度的課。因此“打造金課，淘汰水課”成了目前我國各高等院校課程建設的重心，也成為我國高等教育教學質量的一個重要標尺［1-2］。

無機化學實驗是面向化學或相關專業的學生所開設的一門專業基礎課程，是學生入學后所學習的第一門實驗課程。本課程在培養學生的基本實驗技能、嚴謹求實的科學態度以及創新思維方面具有重要的作用［3-5］。其中設計性實驗是要求學生自主查找資料，設計實驗方案并進行實驗驗證。此類實驗內容多樣化、過程自由化、開放性強，能夠更好地培養學生的創新能力、自主學習能力和學以致用的綜合能力，同時也對學生和教師均提出了更高的要求，是演示性和驗證性實驗的進階，也是課程建設的重點［6-8］。相關研究者普遍認為在設計性實驗教學過程中教師的引導作用至關重要。然而，在教學實踐中仍存在“注重形式，缺乏實效”的現象［9］。部分教師難以改變傳統的教育思想，更傾向于基于固化的教學內容開展教學，以至于把設計性實驗“引導”成驗證性實驗，不利于學生創新能力的提高；另外，隨著現代信息技術的飛速發展，“線上＋線下”混合式教學能夠將“線上”和“線下”教學的優勢進行有機融合，因此“互聯網＋”教育已經成為實現教育跨越式發展的新路徑。然而，實驗課程的教學模式未能與時俱進，存在大量的傳統教學的弊端，難以實現教學目標［10-14］。

本文基于“線上＋線下”混合式教學模式，依據“金課”建設標準，開展有關設計性無機化學實驗的教學研究與實踐。以堿式碳酸銅的制備經典設計性實驗為例展示教學設計［15］，以期使無機化學實驗教學水平提升至更高的臺階。

1 當前設計性實驗教學現狀

設計性實驗能夠系統地培養學生的創新意識和科學思維，激發學生的創造性和參與性，提高學生的綜合能力，因此其教學方式及效果倍受教育者的關注。

目前普遍的教學組織形式如圖1 所示，可以分3段式具體開展：課前，學生根據要求進行設計實驗方案，并上交給教師進行初步檢查；課中，師生共同探討方案，確定最優方案后進行實驗探索驗證；課后，學生將實驗進行總結分析，書寫實驗報告，教師進行評閱。此教學設計雖然很大程度上體現出了“以學生為中心，教師為主導”的教學理念，但是參照金課建設標準，仍然存在許多問題。

圖1 傳統設計性實驗教學流程

（1）學生參與度低，方案設計缺乏創新性。隨著信息技術飛速發展，對于經典的設計性實驗在網上可以搜到大量的設計方案、實驗報告、文獻等資料。但是流傳于網上的那些方案內容較為簡單，并未對將實驗細節進行說明，甚至有誤。比如“堿式碳酸銅的制備”實驗中，確定最佳條件的評判標準之一是根據顏色來判斷，那么什么樣的顏色是最佳的，為什么是最佳的，網絡中的方案中并未提及。

針對學生如何應用網上資源進行方案設計這一問題，做了問卷調查（見圖2），調查對象是我院2019 和2020 級的化學本科生，共203 人，回收率為100%。結果表明，只有18.99%的學生能夠進行認真思考，并設計成有特色的方案；大部分學生是直接抄襲或者在此基礎上稍加修改便形成自己的設計方案。這也意味著大部分學生對原理及實驗注意事項認識不到位，設計方案變成了通過抄襲而完成的疲于應付的形式方案，所以學生提交的設計方案基本雷同，缺乏創新性。

圖2 設計方案調查結果

（2）課程缺乏挑戰度，教學效果不佳。學生由于沒有進行深入思考，課堂討論反而會變成教師的“獨角戲”，最終將設計性實驗“導成”驗證性實驗。對于設計性實驗本身具有較高的挑戰度，實驗結果并不能給予統一的標準，很多不確定的因素會對實驗結果造成影響。比如“堿式碳酸銅的制備”實驗中，溫度、試劑純度、操作習慣等均會對最佳條件的選取造成影響［16］，此時就需要學生進行深入思考并探索。但是部分學生為了按時完成學習任務，存在應付了事的心態，最終只是將教師所確定的方案內容“驗證”一番，致使設計性實驗本身的創新性，挑戰度大打折扣。

（3）互動受限，資源難以共享。教師若想上好一堂課，必須要知道學生的預習情況，充分了解學情，否則影響教學效果。傳統教學是要求學生上交紙質版的設計方案，然后讓老師去檢查。這種單一的形式受時間和地點的限制，不便于所有的任課教師進行及時審核，這就意味著教學中部分教師根本不知道學生存在哪些問題，難以給予正確的引導，最終將任務壓在某個教師身上，勢必對教學效果造成不良影響，對于學生而言也很難進行朋輩互助式學習。

（4）評價標準單一、過于注重結果。實驗教學的目標之一是培養學生實事求是的科學態度和嚴謹的科學作風。傳統的實驗教學課后僅要求學生書寫實驗報告，再根據報告書寫情況進行評價。因教師已經把預期的結果告知了學生，在書寫報告時難免會有學生拼湊數據，弄虛作假。設計性實驗重在過程，不能單從實驗結果或者實驗報告書寫得好壞評價學習效果，從而失去了探究過程的意義。

2 混合式教學改革

2.1 線上資源建設

依托超星泛雅教學平臺建設了線上課程，并提供了相配套的線上教學資源，充分利用線上平臺的監督、管理、共享、測試等功能，促進學生進行有效學習。

對于設計性實驗的線上資源要區別于驗證性實驗，更注重對學生思維能力的培養。“堿式碳酸銅的制備”是一項經典的設計性無機化學實驗，在網上可以搜到相關的設計方案、實驗報告、文獻等資料。然而從單一的資料上很難獲取對實驗的全面理解，需要通過綜合查閱大量的文獻來解決實際問題。對于大一的學生缺乏設計實驗的科學思維，不知道如何選擇及整理有用信息。因此，線上教學重點是引導學生開發科學思維及有效信息的篩選。主要建設的線上資源如圖3 所示。

圖3 線上課程資源

（1）視頻及文檔。將課程安排，設計方案的要求，查詢及下載文獻的方法，如何有效地閱讀文獻等錄制成視頻供學生學習。

（2）文獻。為學生提供了較有價值的5 篇左右的文獻放在學習平臺上，并選擇1 或2 篇，將其中重要信息進行標記，幫助學生學會思考并查找有效信息。

（3）思考討論題。為了增強線上學習效果，將實驗探究過程所要解決的核心問題設計成了討論題。本課程在線上資源中設置的討論題為“在設計方案時，通過哪些標準去確定最佳反應條件的，如何進行操作？”從學生反饋情況來看，大部分學生知道是要查文獻，大致從顏色、反應速率、產率等方面進行觀察，但是學生并未寫出什么顏色的產物比較好，反應速率如何判斷快慢，也就是理論和實踐相脫離。

（4）學生實驗探究報告。經過幾輪教學之后，在課程資料庫中存有往屆學生的實驗探究報告，即將實驗探究過程通過圖或視頻的形式進行記錄并進行分析，這些實驗探究報告可以作為很有價值的資料供學生去學習。

（5）“巧問妙答”專欄。在課程中設置討論專區供學生自由發帖，針對本實驗進行互問互答，此方式不受時間和空間的限制，能夠很好地解決課時不足的難題，特別是實驗結束后，學生在實驗中遇到的問題或者學習心得均可以在線上進一步解決及分享。

（6）討論文件夾。供學生上傳課前的設計方案和課后的探究報告，可供班級學生和教師進行查閱點評。

2.2 教學實施

圖4 所示列出了線上＋線下混合式教學流程圖。與傳統教學相比，此教學過程更能夠培養學生的創新能力，體現出課程的挑戰度。

圖4 線上＋線下混合式教學流程

（1）課前：學生小組討論進行方案設計，師生線上研討。在實驗課堂教學開展的前2 周，要求學生以小組為單位，一般是6 個學生作為1 個學習小組，并選取小組長作為線上提交設計方案，實驗分析報告等的主要負責人。在組長的帶領下，學生經過線上學習、查閱資料、小組研討等方式設計實驗方案，并將方案提前1周上傳至線上學習平臺。之后將各小組的設計方案上傳于學習通上的討論文件夾中，可供班級學生和教師進行查閱點評，從而打破了時間、地點的局限性，充分發揮線上教學的優勢。通過線上討論，師生點評、討論等活動，學生初步優化設計方案，達成“設計方案—討論—設計方案”的學習閉環。通過不斷研討的形式，充分挖掘學生的創新思維，也促使學生自主查閱文獻，了解目前相關領域的研究進展，提高了課程的高階性。

（2）課中：實驗探究—課堂討論—實驗探究—總結點評。本課程采用“實驗探究—課堂討論—實驗探究—線上討論—總結點評”的方式開展課堂教學。關于設計實驗教學中的討論環節，大部分研究中有提及，一般是在學生實驗探究之前組織學生進行課堂討論。然而，此時學生對整個實驗的認知并不夠準確與深入。經過多輪的教學實踐，發現此討論方式易打擊學生的學習積極性，將設計性實驗“導成”驗證性實驗，降低了課程的挑戰度。

因此，在教學中通過對學情的充分分析，首先對學生表示了認可，并給適當的時間讓學生以小組為單位，按照本組的設計方案先進行初步的實驗探究。學生則表現出很高的積極性，通過組內討論可以再次解決實踐中所遇到的較簡單的問題。比如：堿式碳酸銅的制備實驗中提及可以通過反應速率來判斷最佳條件，學生一般均能夠想到反應速率越快越好，但是并沒有考慮如何進行測試。硫酸銅和碳酸鈉的反應幾乎是瞬間就能夠表現出明顯的實驗現象，所以對判斷反應速率快慢的方法的選擇很重要，類似的實驗細節還有很多。此教學環節教師要根據實際情況控制好時間，不擬超過1 課時。大約1 課時，大部分學習小組的實驗已經難以進展。通過初步的實驗探索，學生意識到自己方案的不足，然后教師再組織課堂討論，學生均能夠有針對性地展開討論，起到事半功倍的效果。討論過程中教師要起到主導作用，優先鼓勵學生間的討論，對于學生解決不了的問題，教師再及時引導學生思考，防止過多的消耗課堂時間。課堂活動可以基于線上學習平臺開展，教師及時將學生所出現的問題整理出來，并提供相關的參考資料供學生能夠進行鞏固學習，同時也能夠促使學生重視線上學習，提高自主學習的有效性。

經過有針對性地研討之后，學生已經清晰實驗的細節，然后再次進行實驗驗證。要求各小組進行合理分工，拍攝并記錄探究過程作為探究報告的支撐材料。教師則進行巡視并給予及時指導。

（3）課后：線上匯報，總結討論。本教學將學生實驗后的交流討論環節移至線上進行，并通過資源共享促進師生進行交流學習。課堂教學結束后，學生需要整理實驗數據、課堂拍攝的圖片或視頻等素材，結合實驗實際情況寫出實驗探究分析報告，并以小組為單位上傳至學習通，供師生進行線上點評討論。另外，還在線上設有“巧問妙答”專欄，供學生自由發帖、互問互答，針對本實驗中遇到的問題或者學習心得均可在線上進一步地解決及分享。除此之外，每位學生均要再次改進實驗方案，書寫實驗報告，進行實驗反思，按時上交，供教師評閱。教師則需要將較好的實驗報告上傳至學習平臺，供大家學習。

2.3 考核評價

傳統的設計性實驗教學的考核方式較為單一，主要是根據學生的設計方案、實驗報告書寫情況，結合學生的實驗操作確定單次實驗的成績。然而，對于設計方案及實驗報告大部分學生僅是簡單地寫出實驗目的、原理、方法、過程、結果等內容，特別是設計方案幾乎千篇一律，直接將網上現有的內容照搬，缺乏自己的思考。這種考核方式很難綜合評價學生的綜合能力。

本教學采用了多元化的考核方式和可量化的評價手段，重視過程性評價及對學生能力的培養。主要從學生的線上學習及參與討論情況、設計方案、實驗操作、實驗報告、實驗探究過程報告等方面進行綜合考核。并且每個方面又進行了多緯度評價。基于線上學習平臺，學生的線上學習及參與討論情況系統后臺能夠實時記錄。對于學生的設計方案及實驗探究過程報告能夠充分體現出學生的綜合創新能力、分析解決問題的能力，對此本課程采用了“3＋2”的評價及反饋機制，“3”指的是“學生自評＋學生互評＋教師點評”；“2”指的是“學生反思＋教師反思”。此評價過程均是基于線上學習平臺進行，充分發揮線上教學的優勢，促進師生不斷進步。

3 改革成效

（1）進一步提高了課程的創新性和挑戰度，提高了學生的創新能力。本教學設計充分體現了以學生為中心，教師為主導的教學理念。充分發揮線上及線下教學的優勢，給予學生充足的時間和空間，讓學生敢說、敢思、敢做。學生在探中學、評中學、議中學、思中學，真正地體會到設計性實驗的挑戰性，并主動進入高階的學習過程，從而提高了學生的創新能力、實驗素養、合作精神等，實現綜合能力的逐步提升。自改革以來，我院大一學生在“互聯網＋”創新創業比賽中表現非常積極并有新的突破，于2021 年獲得創新創業競賽省級銅獎1 項，校級一等獎1 項，二等獎2 項，國家級創新創業項目4 項，省級2 項。

（2）促進線上線下實驗教學的有機融合，提高了教學效果。本課程依托于超星泛雅線上教學平臺，充分分析了學情，建設了配套的線上教學資源。為學生提供自主、合作、交流的學習平臺，實現師生一對一、一對多的即時互動，促進個性化學習。通過合理的教學設計，優化教學模塊，融入多元教學方法及考核方式，促進線上線下實驗教學的有機融合。學生通過線上預學、討論、互評等方式增強了自主學習能力，較好地解決實驗時間不足的問題，確保實驗教學的有效性。

（3）將學生的實驗資料納入課程建設中，豐富了線上課程資源。學生的設計方案、實驗探究分析報告等均可以保存至線上課程資料中，供本學期及后繼學期的學生進行參考學習。此方式有助于師資精力有限的團隊，在較短的時間內搭建起豐富的線上課程資源。調查發現，學生對此表現出很高的熱情，很樂將自己的作品分享至平臺中，學生能夠真正體會到學習的樂趣，從而充分調動學習的積極性。并且這些資料可以長期保存于平臺中，相當于為學生建立了成長檔案，促進學生不斷反思進步。

（4）教學團隊使用信息技術水平和專業素養明顯提高。混合式教學將現代信息技術應用于教學中，提高教師信息化技術的水平和專業素養，切實改變教師的教育教學理念，增強教師的教學改革意識。另外本教學設計更能夠突出學生主體、教師主導的作用，這對教師本身的專業水平要求很高，因此可以促進教學相長。基于混合式教學的研究，本課程獲得了“江西省2020 年線上線下混合式一流本科課程”的項目立項，并于2021 年獲批立項江西省教學改革課題1 項。

4 結 語

通過對我院化學本科專業的無機化學實驗課程的改革探索，將“線上＋線下”混合式教學模式應用于設計性實驗教學中，彌補了傳統教學的不足，促使學生由被動型轉變為主動型學習。學生在“探究—討論—探究—討論—總結”迭代式的學習過程中，真正體會到設計性實驗的挑戰度，并主動進入高階的學習行為，進而提高了學生的創新能力和對知識的綜合應用能力，充分體現出“金課”建設理念。