基于翻转课堂的分析化学实验教学研究——以“EDTA溶液的配制与标定”为例

李志锋，姚霞玲，雷志敏，孙云霞

（天水师范学院 化学工程与技术学院，甘肃 天水 741001）

1 引言

翻转课堂又称颠倒课堂、反转课堂或反转学习。翻转课堂最早由J.Wesley Baker于2000年提出，其基本涵义是“时序重构”课堂内外时间，将学习的决定权及自主权从教师转移至学生，实现“深度学习”。正如比尔·盖茨所言，翻转课堂“预见了教育的未来，引领了一场革命”。[1]翻转课堂作为对传统教学模式的“破坏性创新”，[2]彻底颠覆了“先教后学”的教学方式，将教学模式转变为“先学后教”。翻转课堂弱化了“教”，强调了“学”，突出了“做”，[3]课前学生自行下载学习视频等资料并自主学习，与同学及教师在线交流，课上时间主要用于学生实验操作、问题解答、交流讨论。[4]2012～2015年间翻转课堂得到了快速发展，人们对翻转课堂的关注点已从教学形式的转变过渡到教学内涵的提升，翻转课堂也已从学生的知识和技能学习为主（翻转课堂1.0）逐渐转变为培养学生的创新素养和创造性思维能力、实现创造驱动的智慧学习新型教学范式（翻转课堂2.0）。[5-7]

自2012年传入我国以来，经过近十年的发展，翻转课堂在我国高等及中等教育中均有大量的具体实践，翻转课堂不仅彻底引发了传统课堂教学时空的重新配置与组合，更深刻改变了传统课堂教学的结构、流程，[1]学生的个性化、自主化学习能力在翻转课堂中均得到了提升，教学成绩斐然。[8-16]

化学是以实验为基础的学科，大学分析化学实验课是教育部化学类专业指导委员会推荐开设的专业必修课，实验内容主要涉及酸碱、配位、氧化还原与沉淀四大滴定。笔者长期从事分析化学理论及实验课程的教学工作，与分析化学理论课相比，分析化学实验课既涉及专业知识，又要掌握实验仪器操作方法，传统的“讲授”型实验教学效果较差，不利于提高学生的实验操作能力，更谈不上对学生创造性驱动的智慧学习能力的培养。比如在“EDTA溶液的配制与标定”实验中，学生对金属指示剂及其变色原理理解得不透彻；用Ca2+标准溶液标定EDTA溶液时，学生对实验操作要领掌握不到位；对实验中滴加氨水、Mg2+－EDTA溶液、NH3－NH4Cl缓冲溶液的作用，学生并不是十分清楚等。即使教师在课堂上对此类问题进行深入讲解，在课堂短暂的时间内学生也很难理解、消化，不利于学生实验操作。基于此，我们尝试将翻转课堂模式引入到分析化学实验教学中，以实验“EDTA溶液的配制与标定”为例进行翻转课堂教学设计，探索新的分析化学实验教学模式，以期达到培养学生发现及解决问题的能力。[17]

2 翻转课堂教学设计

2.1 学情分析

教育的本质是使学生得到全面发展，教学活动贵在因材施教。翻转课堂模式只有在教学实践过程中与学生的学情正向“耦合”，以“同频”求得“共振”，学生在教学活动中的主体性功用才能最大程度凸显，才能达到事半功倍的教学效果。高校的化学化工类专业一般在大二或大三开设分析化学实验课程，学生的学情涉及理论基础和操作技能两个方面。

在进行“EDTA溶液的配制与标定”实验之前，学生已在无机化学理论课中学习了配位反应的相关知识，在分析化学理论课中学习了误差与实验数据的处理、标准溶液的配制和标定、滴定分析中的计算、酸碱缓冲溶液、配位滴定等基础知识。尤其是在“配位滴定”章节中已经学习过EDTA及其二钠盐的性质，EDTA为质子化的六元酸，能与大多数金属离子形成稳定的1:1型配位化合物，而且反应速率也比较快，通常使用的为其二钠盐（用Na2H2Y表示），酸效应是影响配位滴定最主要的因素之一，在实验时应当控制其大小。在学习配位滴定指示剂时，以EDTA滴定Mg2＋（pH＝10），用铬黑T（EBT）作指示剂为例，讲述了金属指示剂的变色原理。[8]配位滴定理论知识的学习，为翻转课堂模式在“EDTA溶液的配制与标定”实验中的具体实践提供了“理论”支撑。

在前期的无机化学及分析化学相关实验中，学生初步接触了滴定的基本装置——酸式及碱式滴定管，了解了电子天平的构造及称量原理，掌握了固定质量称量和递减称量（差减法）两种称量方法。通过前期的酸碱滴定练习，已经掌握了酸式及碱式滴定管的操作方法及滴定实验的操作技巧，能够比较熟练地使用滴定管、移液管及吸量管等仪器，这为“EDTA溶液的配制与标定”实验中融入翻转课堂教学范式打下了“技能”基础。

2.2 教学流程设计

基于翻转课堂理念及其内涵特点，对“EDTA溶液的配制与标定”教学流程从课前、课中和课后三部分进行了设计，[13]实验总时180分钟。课前主要为学生自主学习和线上交流讨论，课中教师主要检查学生的自主学习情况、精讲疑难知识和指导学生进行实验，课后教师跟学生交流讨论、反思、总结，具体教学流程如图1所示。

图1 分析化学实验“翻转课堂”教学流程

2.3 教学活动的实施

2.3.1 课前

分析化学实验教材主要介绍了利用Ca2+标准溶液对EDTA溶液进行标定的方法。[18]翻转课堂课前教学活动的主要内容是：（1）教师在课前根据分析化学实验室的具体情况和自身的教学特点录制教学讲解视频和操作视频，制作教学PPT，并利用现代多媒体信息技术合成既有音频又有视频的教学课件，通过班级微信群或QQ群等媒介发放给学生；（2）学生通过观看教学课件，查阅资料自助学习完成“自学菜单”（表1），根据表2实验内容绘制好实验数据记录表。教师在课中环节通过设置相关问题了解和掌握学生的“课前”自学状况，达到实现“课前”监控的目的，确实提高学生主动学习的效果。

表1 “EDTA溶液的配制与标定”实验自学菜单

2.3.2 课中

自学检查。教师将学生分为A、B两组对学生的自主学习情况进行分组检查，每组10分钟，总共20分钟。为了能让教师充分了解每位学生的学习情况，学生与教师更好地交流，以及避免学生在由于人数过多在称量实验药品时出现“打架”的情况，先B组同学称量药品，A组同学回答问题，并与教师交流讨论。之后A、B两组的学生交换流程，B组的学生回答问题，A组的同学称量药品。根据表1自学菜单提问的问题可设为：

（1）实验目的是什么？

（2）EDTA作为最常用的配位滴定试剂的依据？为什么要用基准物质对EDTA溶液进行标定？铬黑T和二甲酚橙指示剂各自的作用原理和适用条件是什么？

（3）滴定过程中溶液中发生的反应？

（4）酸式滴定管和移液管的正确使用方法和洗涤方法？

交流探讨。交流与探讨主要围绕以下三个问题进行：第一，滴定为什么要在缓冲溶液中进行？第二，在实验中为什么要加入Mg2+－EDTA溶液？第三，EDTA或本次实验在生活中有什么应用？

知识精讲。教师根据学生的自学情况，重点对共性问题进行讲解。具体实践中发现，学生存在对加入Mg2+－EDTA不甚理解，滴定终点的判断能力还有待于提高等问题。

进行实验。经过“自主学习”“自学检查”“交流探讨”和“知识精讲”环节，学生进一步掌握了“EDTA溶液的配制与标定”的相关理论知识，实验中所需药品也称量完毕，实验环节开始（表2）。实验环节单人单组进行，在实验的过程中学生要专心致志，教师要指导学生观察实验现象，判断滴定终点，准确记录实验数据，及时纠正学生的不当操作、引导学生对出现的异常现象进行探究。

表2 “EDTA溶液的配制与标定”实验内容

2.3.3 课后

交流与讨论。学生之间通过对比实验现象和实验数据，发现实验过程中的不当操作。比如，通过对比滴定终点溶液颜色的深浅程度，滴定过程中消耗EDTA溶液的用量，反思总结实验中药品的滴加量是否合理，Ca2+标准溶液的配制方法是否正确，浓度是否准确等问题。最后教师对学生的实验数据进行查看并签字，发现异常数据指导其反思总结。

书写实验报告。简要书写实验目的、实验原理、实验药品和仪器、实验步骤等内容，重点对实验数据进行处理，并对实验数据进行分析，对实验结果进行评估。

2.4 教学实践反思

基于“EDTA溶液的配制与标定”实验的翻转课堂教学设计，初步将翻转课堂模式应用于了“EDTA溶液的配制与标定”的实验教学。总体来说，学生掌握了EDTA溶液的配制与标定方法，教学效果良好。较传统教学模式，翻转课堂新模式在实验中表现出以下优势。

（1）节省了课堂教学时间。在传统的分析化学实验课堂中，教师要花大量时间对EDTA溶液标定的实验原理和实验操作步骤进行讲解，而在翻转课堂中，学生根据教师发放的教学课件和查阅资料在课前进行自主学习，在课前进一步掌握了EDTA的结构式和性质，配位滴定原理，铬黑T指示剂的指示原理，NH3－NH4Cl缓冲溶液的作用等相关知识。教师在课堂将花很少的时间对每位学生的学习情况进行检查，对学生还没有掌握的知识进行精讲，这样学生既可以很好地理解实验原理，而且将有更多的时间进行实验操作，更好地和教师进行讨论和交流。

（2）增强了学生的自学能力。学生在EDTA溶液的配制与标定实验之前，已经学习了配位滴定的相关知识。在本实验的教学设计下，学生结合教师课前下发的相关资料，会积极主动地去复习配位滴定中的指示剂、EDTA及其二钠盐的性质、金属离子－EDTA配位化合物的特点等知识，能更好回答Mg2＋－EDTA提高终点敏锐度的原理，滴定在缓冲溶液中进行的原因。在充分的理论知识指导下，学生能更好地理解并观察EDTA标定终点溶液由酒红色变为蓝绿色的实验现象。结合实验实践，学生对实验中出现的异常现象的探究能力进一步增强。

翻转课堂在具体实验中的成功落地落实主要取决于两个方面的因素。一是课前自主学习环节。在实验中发现，少数学生的自觉性不高，课前没有对教师下发的课程资源包进行充分学习和探究，存在对实验原理掌握得不够透彻，电子天平，滴定管及移液管的操作不规范等情况，以至于教师在“自学检查”环节花费大量时间，这既不利于教师翻转课堂教学活动的展开，也不利于学生自主学习能力的提高。比如，在实验过程中，如果对配位滴定的原理理解不透彻，那么学生只会“照方抓药”，敷衍了事，流于形式，这样既不利于培养学生实事求是的科学态度，也不利于养成良好的实验习惯。二是课程资源的质量直接影响翻转课堂教学模式的实施效果。课前课程教学资源是翻转课堂实现的现实载体，教师要能够制作出画面精美、内容丰富、契合学生学习需求的课前教学资料，就必须具备较高的信息技术处理能力，教师不仅要熟练掌握office软件（比如word文档，PPT课件等）的应用，还需熟练掌握视频录制及剪辑合成与处理等软件应用技术。[11]由于教师信息处理技术水平所限，课前课程教学资源还不够丰富、画面还不够精美、与学生的学习需求契合度还不够高，课程教学资源对学生的课前自主学习动机的驱动引领作用还不够强，这些因素也直接影响了教学效果。

3 结语

基于翻转课堂教学模式，以“EDTA溶液的配制与标定”实验为例进行了教学设计并初步进行了实践。较传统的教学模式，翻转课堂模式的应用增强了学生的学习兴趣，调动了学生的学习积极性与主动性，提高了学生的自学能力和独立思辨能力，教学效果较为良好。针对实施中出现的问题，在后续工作中，分析化学实验翻转课堂的教学在进一步加强学生自主学习能力培养、着力提升教师的现代信息技术素养及加强课程评价的同时，应大力营造分析化学实验翻转课堂教与学新氛围，为新时代打造“金课”、提高教学质量、实施素质教育创造条件。