宿艷，張永策，潘玉珍，楊成，王雪，黎原，姜文鳳

大連理工大學化工學院，遼寧 大連 116024

分析化學實驗教學所面對的學習對象是大學一年級學生，通過對學習數(shù)據(jù)分析和調查問卷分析，發(fā)現(xiàn)學生的化學知識基礎參差不齊，但是他們思維活躍、求知欲旺盛，對于傳統(tǒng)的以課堂教師講授為主的教學方式普遍不感興趣，更喜歡具有挑戰(zhàn)性的學習任務[1,2]；而且，作為移動互聯(lián)網(wǎng)時代的“數(shù)字原住民”，他們見證了信息化的蓬勃發(fā)展，更喜歡主動學習場景豐富的學習資源[3]。因此，教師應該充分挖掘學生現(xiàn)有潛能，采取適合學生特點的課程教學模式和有效的教學方法組織教學，揚其長避其短，充分調動學生的主觀能動性，充分發(fā)揮學生學習的主體作用，實現(xiàn)課程教學目標。

本文通過建設“思政引領、項目牽引、虛實結合、平臺支撐”的“四輪驅動”教學資源，有效解決實驗教學形式單一、學習資源有限、學習時空受限大而導致的價值引領薄弱、學生創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)不足的問題。通過應用“預研先導→問題思辨→實操探究→前沿引領→賽學結合”的“五步法”教學設計，將預習上升為預研，為打造高效課堂奠定基礎，培養(yǎng)學生初步具備應用研究能力。通過建立全過程、多維度的考核評價體系，對實驗教學全過程的信息進行綜合分析評價，從多環(huán)節(jié)、多維度考查學生的學習投入、學習成果和差異化能力，促進學生自主學習，提升學習內(nèi)驅力。

1 教學資源建設

本課程建設了“思政引領、項目牽引、虛實結合、平臺支撐”的“四輪驅動”教學資源。思政案例，培養(yǎng)學生堅韌的科學品質，形成本課程的動力引擎[4]；實驗項目，擴展課程的廣度和深度，提高解決復雜化學問題的能力[5]；在線課程，提供預研、安全規(guī)范操作的資源支撐[6]；教學管理平臺，高效管理實驗教學全過程[7]。

1.1 思政案例建設

為了使學生獲得熱愛化學、崇尚科學的情感和價值觀，建成了課程思政案例庫。在實驗授課過程中引入思政元素，使“引導有抓手、融入有依據(jù)”，潤物無聲地實現(xiàn)課程的價值引領功能，實現(xiàn)課程育人目標，形成本課程的動力引擎。

1.2 實驗項目建設

為擴展課程的廣度和深度，驅動學生創(chuàng)新實踐，建設了創(chuàng)新性、環(huán)境友好和方法改進實驗項目。為此，改進方法滯后實驗項目2個，更新環(huán)境不友好實驗項目1個，增加綜合性和創(chuàng)新性實驗項目9個。將新開發(fā)實驗項目編入實驗教材，在高等教育出版社出版新形態(tài)教材《基礎化學實驗》1部、數(shù)字課程教材《分析化學實驗》1部。

1.3 在線開放課程建設

為解決學生個性化能力差異，縮短學生從低階到高階的認知過程，建設了在線開放課程，為學生掌握實驗原理和基本操作搭建自主學習平臺。建成1門課程“分析化學實驗”上線愛課程中國大學慕課中文平臺、1門英文課程“Analytical Chemistry Experiment”上線愛課程中國大學慕課國際平臺，包括知識點視頻32個、虛擬實驗8個、測試題200道，為學生提供預研和安全規(guī)范操作的資源支撐。

1.4 教學平臺建設

為高效管理實驗教學全過程，自主研發(fā)三個實驗教學管理平臺[7](圖1)，有利于實驗教學效果的循環(huán)優(yōu)化。移動實驗教學平臺，可以實時跟蹤學生的實驗行為，課前的預習測試幫助教師掌握學生預習情況，課中的電子報告記錄學生實驗操作情況，課后的教學反饋全過程管理實驗教學；虛擬實驗教學平臺，可以“以虛補實、以虛促實”，彌補實驗教學資源不足，學生可以完成因涉及有毒有害藥品、或因涉及眾多大型貴重儀器而無法實操的實驗項目；安全準入平臺，可以強化學生安全意識，通過在課前完成安全資源學習、安全準入測試，保障學生在實驗過程中的安全規(guī)范操作。

圖1 實驗教學平臺

2 課程教學設計

下面以“鄰二氮菲分光光度法測鐵”實驗為例，講述本課程的教學設計。

為深入貫徹因“材”施教、鼓勵“個”性、兼顧“多”數(shù)的思想，本實驗實行分層次教學?；A班注重基礎實驗能力，學生只完成教學大綱既定的實驗“鄰二氮菲分光光度法測鐵”。高階班注重拓展課程深度，學生完成結合實際、具有一定挑戰(zhàn)度的課題項目“抗氧化物質含量測定試劑盒”，本課題是由2019年第六屆卓越杯大學生化學新實驗設計競賽獲獎作品轉化而來。教學中，通過“預研先導、問題思辨、實操探究、拓展應用、賽學結合”的“五法聯(lián)動”進行教學設計并組織實施。同時，借助本課程已在愛課程平臺上線的教學資源“分析化學實驗”，實施線上線下混合式教學(圖2)，學生線上預研、報告提交、考評測試，線下實操探究、數(shù)據(jù)分析、交流互動和教學評價等。

圖2 線上線下混合式教學設計樣例

2.1 預研先導

實驗課前，通過系列線上學習完成從預習到預研的延伸。教師通過QQ群分別在線布置實驗課題“鄰二氮菲分光光度法測鐵”和“抗氧化物質含量測定試劑盒”，引導學生通過愛課程平臺在線學習本課程的教學資源，包括實驗視頻、虛擬實驗、實驗動畫、思政案例等，使學生掌握實驗的基本原理和基本操作，進而提高課堂利用率和實操效果，完成對基本實驗內(nèi)容的預習；學生通過閱讀指定實驗文獻，在線檢索相關文獻，了解物性，設計實驗方案，并通過QQ群提交，完成對拓展實驗內(nèi)容的預研。預研先導的實施培養(yǎng)了學生自主探究能力，使學生在學習過程中能夠真正“動起來”。此外，在進入實驗室前，學生還應該完成在線安全準入測試，要求學生安全考核的準確率必須為100%，提高學生的安全環(huán)保意識，保障課堂的實操效果，并為目標達成度的實現(xiàn)奠定基礎。

2.2 問題思辨

實操前，教師根據(jù)學生提交的實驗方案，研判預研效果，并圍繞實驗設計方案，開展師生間、生生間的互動討論，幫助學生理論聯(lián)系實際，注重提升學生的思考和思辨能力，使課堂“活起來”。例如，在預研方案中，涉及到金屬離子標準溶液濃度的有效數(shù)字保留問題，經(jīng)過與學生深入探討，使學生明白在化學分析實驗中濃度應保留四位有效數(shù)字，而在分光光度法等儀器分析實驗中一般保留三位有效數(shù)字。

同時，注重教書和育人相統(tǒng)一，將育人元素貫穿于課程教學全過程。例如，在“抗氧化物質含量測定試劑盒”實驗中，由于實驗的分析檢測對象是茶飲品，因此由詩人黃庭堅的著名詩句“茶甘酒美汲雙井，魚肥稻香派百泉”引出古人對茶的喜愛和我國茶文化的博大精深(圖3)，并引出茶葉的保健功能主要與茶多酚等還原性物質的抗氧化能力有關，以及評價茶抗氧化能力的方法，使課程“引導有抓手、融入有依據(jù)”，潤物無聲地實現(xiàn)課程價值引領功能。

圖3 思政育人

2.3 實操探究

實操中，教師指導學生規(guī)范操作，強化安全環(huán)保意識，探究實驗現(xiàn)象；學生根據(jù)所學理論知識或設計方案，進行實際操作探究。例如，本實驗中分別以鄰二氮菲(Phen)和三吡啶基三嗪(TPTZ)為顯色劑時(圖4)，由數(shù)據(jù)分析可知，TPTZ-Fe3+的最大吸收波長不與游離Fe3+的吸收峰相重合，因此選擇TPTZ為顯色劑時的準確度更高。由實操探究培養(yǎng)學生團隊協(xié)作、融會貫通和解決實際問題能力。

圖4 鐵配合物的紫外-可見吸收光譜圖

實驗過程中，針對全班同學共享數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，展開互動討論，教師進行思維引導，注重對學生個性化創(chuàng)新能力培養(yǎng)和對目標達成度評價。例如，16位同學對綠茶、白茶和紅茶的抗氧化物質含量測定實驗中，其中一位同學的綠茶實驗數(shù)據(jù)與其他組同學數(shù)據(jù)有顯著性差異，圍繞此問題，根據(jù)全班同學的共享數(shù)據(jù)展開問題討論(圖5、圖6)。部分同學能夠理論聯(lián)系實際，運用分析化學理論課上學過的可疑值統(tǒng)計檢驗方法，利用格魯布斯(Grubbs)檢驗法檢驗差異性大的實驗數(shù)據(jù)，借助統(tǒng)計檢驗決定可疑數(shù)據(jù)的取舍問題。通過在實操探究中討論問題，幫助學生理論聯(lián)系實際，并能運用理論知識指導實際操作。

圖5 抗氧化物質含量測定數(shù)據(jù)(綠茶、白茶、紅茶)

圖6 師生互動討論

2.4 前沿引領

實操后，學生以小組討論的形式開展實際課題研究，給出問題的實驗設計方案，注重對學生團隊協(xié)作能力的培養(yǎng)。例如：在“抗氧化物質含量測定試劑盒”實驗項目中，由茶葉中茶多酚能清除人體自由基，引出檢測自由基的最新研究進展(圖7)，即用于檢測自由基過氧化亞硝基的比率型熒光探針，該探針能夠靶向活細胞的線粒體，可以對過氧化亞硝基進行比率信號響應，并生物成像。通過案例引導，鼓勵有興趣的同學查閱相關文獻，了解學科前沿。

圖7 前沿引領

2.5 賽學結合

課后，實驗室全面開放，教師結合科研和競賽提出一些創(chuàng)新實驗項目，也鼓勵學生結合生活、實際應用等自主提出項目，指導學有余力的同學完成創(chuàng)新拓展實踐，并通過參加科技競賽等提升學生綜合能力。

3 課程考核評價

基于成果導向教育(Outcome-based education，OBE)的理念，本課程建立全過程、多層次考核評價體系，激發(fā)學生學習動力，提升課程挑戰(zhàn)度。從考核內(nèi)容方面來看，注重對學生能力考核，為此增加方案設計、應用分析、團隊協(xié)作等觀測點，突出對創(chuàng)新能力和科學素養(yǎng)的考核，激勵學生思辨、創(chuàng)新和呈現(xiàn)等能力，提升挑戰(zhàn)度。從考核評價方式來看，注重多元化的考核，為此采用過程性與終結性結合、線上線下結合、定性定量結合、師評生評結合等多元化的全過程評價方式，全面評定學生綜合運用知識和解決實際問題的能力。具體考核標準為如下。

課程總成績由平時成績(70%)和期末成績(30%)組成。平時成績根據(jù)過程考核評定，主要觀測點為查閱文獻、方案設計、操作規(guī)范、應用分析及創(chuàng)新思維等能力，其中預研占15%、實操探究占60%、數(shù)據(jù)分析討論占25%。期末成績根據(jù)綜合應用知識能力評定，主要觀測點為對實驗理論、實驗方法及安全操作規(guī)范等的掌握情況。

對應課程目標和畢業(yè)能力要求，對本實驗項目的目標達成度進行考查(圖8)。分層次實驗教學結果表明，相比于傳統(tǒng)教學的基礎班，高階班學生在方案設計、數(shù)據(jù)分析、問題思辨等方面成績都明顯高于傳統(tǒng)教學的基礎班，學生對朗伯比爾定律、參比溶液選擇等知識點的理解加深，學習主動性有所提升。學生反饋和調查問卷顯示本實驗項目的目標度能較好達成，學生表現(xiàn)出想學愛學，能力得到整體提升。

圖8 學生知識-能力-素養(yǎng)考核及達成情況

4 結語

通過建設“思政引領、項目牽引、虛實結合、平臺支撐”的“四輪驅動”教學資源，并在實驗教學過程中實施“五步法”教學設計，學生在方案設計、數(shù)據(jù)分析、問題思辨、自主探究等方面的能力整體得到提升，安全環(huán)保理念和科學素養(yǎng)也顯著改善。近幾年，學生在國家級等各類化學創(chuàng)新設計賽中獲獎12項。師生互進實現(xiàn)了教學相長。團隊教師在教學創(chuàng)新大賽等比賽中獲獎16項，其中線上線下“五法聯(lián)動”混合式教學設計榮獲第二屆全國高?；旌鲜浇虒W設計創(chuàng)新大賽三等獎；相關成果發(fā)表實驗教學論文21篇，獲得教學軟件著作權15個。新的教學體系和實驗項目固化為1部新形態(tài)實驗教材、1部數(shù)字課程教材，均在高等教育出版社出版。分析化學實驗課程分別在愛課程中國大學慕課中文平臺和國際平臺上線，18所高校利用本課程開展SPOC教學，一學年的選課人數(shù)達2.1萬，位列化學類實驗課程前列。形成的課程體系和教學設計受到廣泛關注，團隊教師應邀在全國性的教學會議作大會報告9次，起到廣泛的示范引領作用。