“主題-模塊法”“大學化學”實驗教學新嘗試

［摘 要］ 針對“大學化學”實驗教學，提出一種多形式結合互動的“主題-模塊法”教學模式，并進行探索實踐。采用理論學習—深度思考—實踐應用多環(huán)節(jié)相融合的綜合方式，以提高學生參與度，培養(yǎng)學生獨立思考、團隊協(xié)作、自查自檢、實驗技能、歸納總結等綜合能力為目標。選用大學實驗中的開放性實驗水凈化與軟化實驗，對教學過程、成果展示及學生學習效果進行討論，通過分析初步取得了預期效果，根據(jù)不足之處歸納總結，為后期進一步改善課程提供支撐。

［關鍵詞］ “主題-模塊法”教學；理論實踐有機結合；全方位素質培養(yǎng)；大學化學實驗

［基金項目］ 2021年度中國地質大學（武漢）本科教學改革研究立項項目“大學化學A理論——實驗綜合‘模塊法’應用探索”（2021A52）

［作者簡介］ 李 靜（1984—），女，河南洛陽人，理學博士，中國地質大學（武漢）材料與化學學院副教授，碩士生導師（通信作者），主要從事功能高分子材料開發(fā)和應用研究；蔡衛(wèi)衛(wèi)（1985—），男，江蘇蘇州人，理學博士，中國地質大學（武漢）材料與化學學院副教授，博士生導師，主要從事燃料電池開發(fā)和應用研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）18-0006-04 ［收稿日期］ 2023-03-21

21世紀，化學已滲透至人類社會各技術領域，高級工程、科技、文法經(jīng)管等人才均要求其具備一定水平的化學知識。各大高校普遍將“大學化學”或“基礎化學”作為非化學專業(yè)理工科的必修基礎課。化學是一門圍繞物質變化和檢測的實驗科學，目前國內(nèi)相關課程普遍采用傳統(tǒng)教授方式。實驗課采用教師當堂講解原理、安排實驗內(nèi)容，學生進行重復性驗證操作的方式。此方式理論與實踐缺乏有機結合，對學生基本實驗技能的培養(yǎng)有一定作用，但對學生科學思維的訓練和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)收效甚微。

為提高教學質量，多種教學方式被提出［1-3］。為進一步提高大學生的素質，提出將“主題-模塊法”融入“大學化學”課程教學，并進行應用探索。遵循“感知—理解—運用”的教學思路，將“大學化學”中合適的實驗內(nèi)容與對應的原理及理論結合為有機整體，并設計為專題項目，先將需要解決的問題拋出，學生自行分組對其進行分析處理，通過綜合模塊化學習，實現(xiàn)理論學習—深度思考—實踐應用的教學效果，達到培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維的目的。線上線下混合式教學是當前高校普遍采用的方式［4］，有助于拓展課程，提高學生的參與度，包括案例項目分析、尋求理論支撐、方案設計、自我分析、實踐實施；培養(yǎng)學生獨立思考、團隊協(xié)作、自查自檢、實驗技能、歸納總結的綜合能力。實現(xiàn)學生科學思維訓練及創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，促進專業(yè)研究型、應用型人才培養(yǎng)目標的達成。

一、“主題-模塊法”教學模式

“主題-模塊法”教學模式以線上線下相結合的方式進行，通過完成各個模塊，從而實現(xiàn)內(nèi)容的完整貫通，如圖1所示。

課前通過線上平臺完成模塊1—3：模塊1，提出待解決實驗案例，包括實驗層面的問題及延伸科學前沿或社會實踐相關案例；模塊2，學生自主組建團隊；模塊3，各小組對案例進行分析討論，通過多渠道對實驗背景及相關理論知識進行學習。課堂完成模塊4：解析問題，引入原理知識，并深入講解。課后通過線上平臺完成模塊5：學生團隊根據(jù)實驗室提供的實驗條件（藥品、器材、儀器等）對實驗步驟、實驗操作的設計理念進行深入理解。課堂討論實操完成模塊6—8：模塊6，學生團隊通過PPT匯報結果，教師對其內(nèi)容進行點評；模塊7，教師引入實驗內(nèi)容，并詳細講解實驗步驟及設計思路；模塊8，在對原理理論充分理解及對實驗內(nèi)容清晰掌握的基礎上開展實驗操作。實驗課后通過線上平臺完成模塊9：學生進行自我總結并提交反饋意見。教師根據(jù)教學效果及學生反饋對此教學模式進行進一步改進。

二、“主題-模塊法”實驗教學模式實踐

大學化學實驗包括：基礎操作實驗，主要培養(yǎng)學生的基本實驗素養(yǎng)及基本儀器的使用能力；常規(guī)實驗，針對專業(yè)性較強的部分理論的論證及應用進行相關的驗證性實驗；開放實驗，如水的凈化與軟化處理，此部分具有更強的趣味性及實踐相關性，更加貼近生活，并可延伸至能源前沿科研領域，更適用于實踐此教學模式。在此選取水凈化與軟化實驗為實踐對象。

（一）主題的提出

課前通過線上平臺完成前期工作。通過學習通布置課題，學生須在規(guī)定時間內(nèi)完成相關預習工作，包括學習何為“主題-模塊法”及需要完成的內(nèi)容，進行分組及思路整理。各小組學習案例后，進行相關討論與分工。

1.“主題-模塊法”簡介。將“主題-模塊法”的關鍵信息及內(nèi)容通過線上平臺傳達給學生，學生通過自學與討論，了解該教學模式。以簡潔清晰的圖文表述，說明該模式的具體實施方案。

2.主題案例引入。素質教育背景下的課堂學習，不能單靠教師灌輸，需要引領學生由被動轉為主動，將課本中的知識與現(xiàn)實生活銜接，使學生真正投入學習中，充分利用豐富的網(wǎng)絡資源，發(fā)揮其對教學工作的積極作用［5］。年輕人對于具有挑戰(zhàn)性、新奇刺激的事物具有更大的興趣。

《荒野求生》是Discovery頻道的一檔探險節(jié)目，以野外生存專家貝爾·格里爾斯為主角，記錄其在地球上最惡劣最驚險的環(huán)境中的求生經(jīng)歷。每次生存考驗都伴隨一個至關重要的問題，那就是如何解渴。通過展現(xiàn)貝爾在雨林、沙漠、草原、高山、沼澤等惡劣環(huán)境中憑借自身強大的荒野生存技能化險為夷，逃出生天，以此激發(fā)學生的興趣與熱情。進一步引導學生思考：在野外生存中，最困難的是什么？對于具有超強生存能力及超強心理素質的貝爾來說，這似乎并不是太大的難題。叢林中各類蛇蟲鼠蟻都是他的“美味”。從中可以得出結論：維持生命的重要補給——水，才是關鍵。盡管雨林、江河中的水源有很多，但是這些水并不適合人類直接飲用。自然界中的水含有雜質沉淀、細菌病毒、各種有機或無機污染物，直接飲用會帶來諸多危害。因此，喝到干凈水是非常困難的。接著便順勢引出貝爾在各種環(huán)境條件下進行的簡易的水處理方法，包括在太平洋荒島通過蒸餾的方法取水，此方法能獲得的蒸餾水量十分有限，并且非常耗時；相較而言，采用麥稈及木炭當作過濾器過濾渾濁的泥水，抑或在沙漠中同樣采用干草與木炭過濾的方法，可以更加便捷地獲得飲用水。通過視頻案例分析可以認識到凈化水最為有效的方法即為過濾，進而引入本次實驗內(nèi)容。

3.完成課前準備工作。通過案例了解本次實驗內(nèi)容之后，學生須在規(guī)定時間內(nèi)完成課前準備工作，包括組建團隊，進行案例討論與挖掘，完成背景調研、PPT總結、實驗方案設計等。小組成員按照要求合理分工，要求全體成員參與背景文獻調研工作，并在后期匯報過程中有所體現(xiàn)，資料匯總后經(jīng)各小組討論與篩選總結歸納并制作PPT。

4.背景調研指南。對于如何進行背景調研，給予相應的指導，建議從原因、方法、意義等三個角度出發(fā)。原因：通過分析地球水資源分布及種類，思考為何需要進行水凈化。可通過多種形式進行資料查閱，包括圖書館相關書籍雜志查閱、網(wǎng)絡資源搜索、結合新聞報道及咨詢本校或外校環(huán)境專業(yè)的相關人士。可從多角度進行分析，如地球淡水資源的匱乏現(xiàn)狀及原因，人類現(xiàn)有的健康飲水條件及重要性，地球水質日益變差的原因分析，對水進行凈化及處理的必要性與重要性等，不限于此，鼓勵學生發(fā)散思維進行多元考慮。方法：思考現(xiàn)有的進行水凈化的方法和手段有哪些。學生運用自己所掌握的資源與方式方法對現(xiàn)有水處理的手段進行總結歸納，鼓勵結合自身的化學知識儲備進行分析討論，鼓勵多形式形態(tài)表達描述，忌長篇大論，簡單復制粘貼，要求善于總結概括。意義：思考實現(xiàn)水凈化對人類生存及社會發(fā)展有何重大意義。建議結合資料及自身體會，聯(lián)系身邊現(xiàn)實案例進行說明，此部分為自我發(fā)揮部分。

（二）背景調研報告匯總討論

各小組按照5～6人分組，提交背景調研報告，并說明分工及討論結果。總體制作水平符合要求，從內(nèi)容到形式，從模板設計到圖文配置，從效果到美觀等均體現(xiàn)了當代大學生的創(chuàng)造性與較高的配合度。各小組在后期課上進行了成果展示，學生經(jīng)過交流學習討論后，指導教師給予點評。

以某小組成果為例，該小組成員完成度較高，體現(xiàn)了較好的邏輯性和條理性，課件美觀及表述內(nèi)容均反映出小組成員的高度參與性和思考投入。背景調查部分內(nèi)容充實，除了參考背景指南的內(nèi)容外，在小組成員討論分析之后，選擇了“飲用水”切入點進行論述。分析了目前人類的飲用水健康調查結果，從兩個角度進行論述：一是飲用水安全狀況不佳的現(xiàn)狀，以聯(lián)合國教科文組織發(fā)布的文件作為數(shù)據(jù)支持進行闡述，并以日本核廢水排入太平洋為例進行動態(tài)展示。二是資源管理不善及衛(wèi)生狀況不佳，同樣給出了相關數(shù)據(jù)，以日本水俁病事件為例，輔以觸目驚心的病例圖片，更加說明了健康飲用水的重要性。

隨后對水質下降的人為因素進行了分析，包括工業(yè)廢水污染、城市污水污染、農(nóng)業(yè)回流水污染、固體廢物污染，進而對現(xiàn)今人類飲用水類型進行介紹，包括純凈水、礦泉水、自來水，以及各種偽科學水，如“弱堿性水、小分子水、活性水、富氧水、電解水、離子水”，介紹其含義及各自的特點。

學生在背景介紹中加入了軟水和硬水的介紹，通過圖示介紹了軟水和硬水的定義及區(qū)分依據(jù)，并介紹了軟水和硬水的優(yōu)缺點，呼應了實驗內(nèi)容。在最后還整理了水凈化的相關技術，如活性炭吸附技術、生物預處理技術、臭氧-生物活性炭技術、膜分離技術，并對飲用水深度處理工藝的發(fā)展趨勢進行了陳述，對健康飲用水的標準進行了總結，符合本次實驗的結論。

指導教師點評：此部分內(nèi)容，邏輯合理，內(nèi)容合適，文字敘述過多，仍為缺乏自我二次思考總結的過程，停留在搬運的初始步驟。（1）頁面設計：整體色調平和，大部分頁面內(nèi)容適量，內(nèi)容布局合理，圖片使用恰當，建議使用更為專業(yè)的模板。（2）內(nèi)容設計：切入點恰當，內(nèi)容呈現(xiàn)順序合理，部分頁面文字過多，建議用關鍵詞總結概括，通過講解語言表述，擺脫讀課件的誤區(qū)，圖片舉例無需過多。

（三）實驗課堂完成實驗內(nèi)容

在實驗室完成水的凈化與軟化處理實驗內(nèi)容。本實驗采用離子交換法，使水樣中的鈣離子、鎂離子等與陽離子交換樹脂進行陽離子交換，交換后的水即為軟化水（簡稱軟水）；使水樣中的陽離子、陰離子與陽離子交換樹脂、陰離子交換樹脂進行離子交換，可除去水樣中的雜質陽離子、陰離子而使水凈化，得到去離子水。水中的微量鈣離子、鎂離子，用鉻黑T指示劑進行檢驗。在pH=8～11的溶液中，鉻黑T能與鈣離子、鎂離子作用生成紫紅色的配離子。純水是一種極弱的電解質，水樣中所含的可溶性電解質（雜質）常使其導電能力增強。用電導率儀測定水樣的電導率，可以確定去離子水的純度。

學生在充分了解實驗背景、現(xiàn)實意義及相關前沿領域后，對本次實驗有了更加深入的了解，對實驗產(chǎn)生了更大的興趣，從傳統(tǒng)被動地完成實驗步驟，轉變?yōu)榉e極主動地參與其中。

實驗結束后，教師還提供了相關的內(nèi)容拓展，例如：再生水技術、中國廢水排放技術改良、全球水安全與未來水資源服務、海水淡化、污水處理、太陽能水處理技術、膜技術、垃圾滲濾液處理技術等，進一步使學生感受實驗的重要性及意義。

三、學生反饋

在了解到本次實驗采用不同于以往的模式后，大部分學生表示會有不安、焦慮的情緒，這是面對新挑戰(zhàn)、新困難時的正常反應，但也有一絲新鮮感在其中。不安和焦慮源于之前沒有相關的經(jīng)驗，從高中到大學，相似的教學模式及方法，已經(jīng)漸漸使學生失去了迎接新挑戰(zhàn)的心理素質及實踐能力。也正因如此，打破常規(guī)尤為重要。

在準備工作過程中，包括教師引導案例分析、進行背景調研，并將工作細節(jié)具體化后，80%以上的學生表示，之前所產(chǎn)生的負面的不安情緒已經(jīng)基本消失，對于如何進行本次實驗已經(jīng)有了大致的輪廓與了解。恐懼源于未知，行動起來是克服恐懼的最好方式。在項目進行過程中，學生體會到了團隊的強大作用，在協(xié)作過程中學會了如何高效地與他人溝通，有些學生表示發(fā)掘了自身的統(tǒng)籌領導能力，或者表現(xiàn)出優(yōu)異的口頭表達能力。

通過新型的教學模式，除了對實驗內(nèi)容進行了更深刻的學習與準備之外，在實驗心理建設方面也發(fā)揮了積極正面的作用。這一點在實驗課的進行過程中也得到了體現(xiàn)，在充分的實驗準備之下進行的實驗操作，無論是條理性還是準確性均優(yōu)于以往。當然，此教學模式也體現(xiàn)出一定的不足，如課前準備工作需要額外投入較多的時間和精力，部分學生反映增加了課業(yè)負擔；再如部分無化學基礎的學生反映實施起來較為困難。對此，在未來的實踐過程中，需要精選課題，并根據(jù)學生的程度及基礎，提供不同難度的課題，教師必須做好學生基礎調查統(tǒng)計，并進行更精細的教學設計。

結語

本文設計了結合實際與理論的“主題-模塊法”教學模式，在“大學化學”的實驗教學中進行了實踐，通過實際過程及結果進行總結，此教學模式可以彌補傳統(tǒng)實驗教學的不足，較為有效地提高了學生的學習興趣、學習積極性及學習參與度。不僅有助于理論知識的理解及實驗技能的培養(yǎng)，還有利于鍛煉學生的心理素質及思維能力。考慮此模式的優(yōu)勢及存在的不足，下一步計劃設立一門面向各專業(yè)學生的選修開放性實驗課程，通過制定當今大學生感興趣的相關領域的趣味性和實踐性更強的主題模塊，使主題模塊更加細化，求精求真，開發(fā)學生的全腦思維能力。

參考文獻

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［5］章文偉，呂煒，黃偉.充分利用優(yōu)質網(wǎng)絡資源和教學立方平臺，助力配位化學線上教學［J］.大學化學，2020，35（5）：209-216.

A New Attempt on Teaching of College Chemistry Experiment with Project Module Style： Taking Water Purification and Softening Experiment as an Example

LI Jing， CAI Wei-wei

（Faculty of Materials Science and Chemistry， China University of Geosciences（Wuhan）， Wuhan，

Hubei 430074， China）

Abstract： A “project module style” teaching method is explored and carried out in College Chemistry experiment courses， which could combine theoretical learning， deep thinking and practical application to improve students’ participation in learning， and cultivate students’ comprehensive abilities of independent thinking， team cooperation， self inspection， experimental skills and induction. Taking the water purification experiment as an example， the results were analyzed. The preliminary expected results were achieved， which were summarized to provide support for further improvement of the curriculum in the later period.

Key words： project style teaching method; integration of theory and practice; all-round quality training; college chemistry experiment