“無機及分析化學實驗”線上線下混合式教學改革的設計與實踐

李玉姣 黃 堅 王 芳 陶呈安

(國防科技大學 理學院,湖南 長沙 410072)

“無機及分析化學實驗”是我校為生物、醫學等化學相關專業低年級本科生開設的第一門化學實驗課程,是學科的基礎必修課。課程共計40學時,由基本操作、元素性質、無機合成、滴定分析等實驗單元構成,每年上課人數為320人左右。授課對象一般具備一定的高中化學基礎知識,使用過常見的玻璃儀器,也接觸過簡單的化學實驗,但對該課程中需要用到的減壓抽濾裝置、量熱裝置、定量分析儀器等較為復雜的設備,學生基本沒有受過相關使用訓練。課程的總成績由各個實驗成績按學時數加權平均而得,每次實驗成績由預習、實驗、報告三部分組成。

作為第一門化學實驗課,幫助學生打牢基本功、養成好習慣,對于后續實驗課程、課題研究以及未來就業都是非常必要的。在傳統的線下實驗教學模式中,學生課前瀏覽教材、撰寫預習報告,課上先由老師講解實驗原理和內容、演示關鍵操作,然后從旁指導學生分組實驗,課后學生完成并提交實驗報告。由于授課對象年級低,接受能力比較有限,在教學實踐中出現了不少影響課程訓練目標達成的情況,如,預習時,學生撰寫預習報告經常只是機械抄書、過筆不過心,對實驗任務的認知不明確;課堂上,在有限的時間內,多數同學無法掌握儀器操作的所有細節,關鍵步驟出錯也并非個別現象,實驗過程經常顯得手忙腳亂,不少學生難以在規定時間內完成實驗,損壞儀器、實驗結果不理想等情況時有發生;課后總結反饋的時效性不夠強,一般要等到下次課時再提起,一是占用課堂寶貴時間,二是學生對上次實驗的印象已經很模糊了,起不到督促改進的作用。

1 線上線下混合式教學改革設計

1.1 化學實驗教學改革情況調研

在化學實驗教學中,傳統線下教學模式的弊端逐漸凸顯,成為各高等院校的共同認知。出于配合疫情防控、克服設備短缺、避免危險、提高教學效益、激發學習興趣、推進因材施教等目的,一些院校將線上教學手段引入化學實驗當中,形成線上線下混合式實驗教學模式[1-6]。其中,線上教學部分集中在課前預習、互動反饋、拓展創新等階段[7-9]。針對預習,一般是發布一些幫助理解實驗內容和熟悉實驗操作的資源,通常包括精品慕課、虛擬仿真實驗等權威網絡資源,以及自制的視頻資源、預習題、預習游戲等[10,11]。線上互動可以為學生提供個性化答疑輔導,也幫助教師及時調整線下授課內容及安排,形成具有時效性的教學效果反饋機制[12,13]。課后為具有不同學力的學生創造自主學習條件,實驗回看視頻可以鞏固薄弱環節,自主創新實驗清單可以鍛煉創新能力及團隊合作意識[14-16]。

1.2 線上資源庫建設

基于以上調研結果,結合我校的實際情況及教學團隊的多年經驗,以教學效益最大化為指導目標,我們提出了“無機及分析化學實驗”線上線下混合式教學改革設計方案。前期,在大量準備工作的基礎上,我們建設了線上預習資源庫,包括操作演示視頻、預習講義、預習測試題等,部分代表性線上資源按照實驗單元列于表1。視頻資源主要分兩類,一類是重點儀器操作步驟,利用預習視頻為學生建立初步的認知,課上再重申關鍵操作步驟要點,并邀請學員上臺進行互動,進一步加深印象;另一類是初次接觸但較簡單的儀器操作步驟,學生有能力通過自學掌握,不必占用課上時間進行講解,避免課上講授內容過于瑣碎,影響主體邏輯。預習測試題涵蓋實驗原理、儀器操作、安全規范三方面內容,包括單選、多選、填空、計算、簡答、投票等題型,難度較低,但需要切實完成所有預習資源的學習才能順利作答,起到督促學生有效預習、幫助教師掌握情況的作用。

表1 部分代表性線上預習資源清單

1.3 線上線下混合式教學流程

每次實驗的總體教學流程如圖1所示,線上部分的時間節點包含“3個1”:課前1周,開放本次實驗的線上預習資源,給學生留有充足的預習時間;課前1小時,截止測試題作答,便于教師在課前完成預習情況統計;課后1天,教師完成報告批改,制作成績分布圖,將學生的課堂表現、報告撰寫情況進行小結并反饋。線下部分:課前,教師需要準備模塊化的教學設計,將實驗涉及的從基礎到創新層次的知識點條目化。課上,首先由教師講解背景知識、實驗原理等內容,然后針對重點儀器操作進行演示,最后視情況提供拓展創新任務,教學模塊的取舍根據預習統計結果進行精準調整;然后學生分組實驗、記錄現象及數據,教師從旁指導;實驗結束提交報告,儀器歸位、整理衛生,經檢查無誤方可離開。課后,隨時可以預約教學開放實驗室,允許在本次實驗基礎上進行試錯或拓展,滿足部分學生想要觀察副產物等方面的好奇心;也可以預約科研開放實驗室,依托大學生創新項目、全程導師科研項目等進行探索實驗、創新實驗等自主學習或研究工作。課程全階段開放線上答疑平臺,幫助學生解決具體問題或提供方法建議。

圖1 線上線下混合式教學設計流程圖

2 線上線下混合式教學改革成效

自2020年春季學期以來,“無機及分析化學實驗”的線上線下混合式教學模式已施行至第5個教學周期。我們分別取教學改革前后兩個教學周期的學生成績進行分析對比,如圖2所示。在評分標準不變的前提下,良好以上成績的學生比例明顯提升,尤其對大一的學生而言,教學改革的收效更為顯著。其中,主要減少的失分項為超時和儀器損壞,超時率從之前的65%左右下降為目前的20%左右,玻璃儀器(燒杯、玻璃棒、量筒、抽濾瓶等)損壞率從之前的每400人時8件左右下降至0.5件左右,為實驗室管理員大幅減輕了保障工作壓力。同時,學生在實驗時的一次成功率也從之前的50%左右上升至85%左右。此外,將較為淺顯的內容抽提至課前預習后,課上空出的講授時間可以用于介紹實驗相關的生物醫學、國防軍事背景及應用,進而得以更充分地將思政元素打磨浸潤其中,使實驗課程設計更為立體、目的性更強,讓學生意識到這些實驗確實“有用”,進而有效地激發學習興趣,更好地服務德育目標。線上反饋的高時效性有助于學生學習和教師授課的共同調整進步,顯著縮短了師生“磨合期”。線上實時答疑機制的便利性使學生提問的意愿更為強烈,促進學生對實驗相關知識進行主動思考和深入挖掘。

圖2 不同專業教學改革前后的成績對比圖:專業1(A)、專業2(B)(改革前:18春、19春、18秋、19秋;改革后:20春、21春、20秋、21秋)

3 結語

針對傳統線下教學中,學生預習效果不佳、課上狀況頻出、課后反饋延遲等問題,我們提出“無機及分析化學實驗”的線上線下混合式教學改革設計并進行實踐。通過數據對比可以發現,改革后學生的實驗失誤率大幅下降、學習興趣明顯提升。但目前教學又遇到了新問題——無法完全滿足新增的“拔尖學生”培養需求。對此,我們計劃整體重構化學實驗課程體系,使基礎實驗與中、高階實驗課程無縫接軌,注重課外實踐實訓活動,形成一體化、分層次、多維度的特色化學實驗課程體系。時代在發展,知識在更新,教學改革永遠在進行。