线上开展无机化学实验教学的实践与思考——以“Cr(III)系列配合物的合成与分裂能的测定”为例

孙长艳，李文军，路丽英，董彬，周花蕾

北京科技大学化学与生物工程学院化学系，北京 100083

2020年一场突如其来的新冠肺炎疫情席卷全国，给人们的生活、工作和学习都带来了深远的影响。在教育部“停课不停学”的要求下，在线教学全面走入人们的视野[1,2]。据官方报道，截止5月8日，全国在线开学的普通高校共计1454所，参加在线课程学习的学生达23亿人次[3]。在MOOC和微课堂等前期探索的基础上，借助雨课堂、腾讯课堂等网上教学平台，理论课的在线教学很快都开展得有声有色[4,5]。在线教学的优势也相继被挖掘出来，这一教学模式的变革让人们对于“精准教学”“个性化教学”有了更多的期待。但是，一些操作性强的实践类课程在从线下转为线上时就遇到了重重的障碍。如何保质保量地完成教学任务，实现人才培养目标，成为教师们深入探讨的问题[6]。我校的无机化学实验课程就是这样一门操作性很强的实践性课程，该课程的教学目的是让学生加深对无机化学基本概念和基本原理的理解，掌握规范的实验操作步骤和正确的仪器使用方法，培养学生严谨的科学态度和创新能力，全面提高学生的科学素养。借助微瑞虚拟仿真实验平台和自己拍摄的演示实验视频，通过雨课堂+腾讯会议+微信群的形式，构建了线上实验教学课堂。在这里以“Cr(III)系列配合物的合成与分裂能的测定”为例介绍线上开展实验课的全过程，为同行们实施线上实验教学提供参考。

1 教学设计

互联网技术的高速发展，使得线上师生的交流与线下相比毫不逊色，甚至还更加便捷。对于实验课，线上教学最大的障碍是学生缺乏实验过程的切身体验，为此，我们选取了虚拟仿真实验平台和拍摄演示实验视频两种方式作为补充。图1是开展线上实验课的整体框架。

图1 开展线上实验课的整体框架

从图1可以看出，雨课堂+腾讯会议+微信群的组合模式覆盖了课前–课中–课后的每一个教学环节，为师生的互动交流提供了充分的保障。通过雨课堂，课前教师可以将讲义、课件、习题等资料推送到学生手机，让学生提前预习；课堂上可以随机点名、实时答题、弹幕互动；课后提供回放，学生可以反复观看，教师也可以根据后台提供的数据了解学生学习情况，记录平时成绩。应该说这是一个功能很强大的线上教学平台，为实现“精准教学”提供了可能。美中不足的是没有语音交互功能，所以我们选择了腾讯会议作为补充。微信群主要用于平时的沟通交流，有点类似线下的答疑，但是比线下的答疑更灵活，几乎不受时间、空间的限制。教师在实验室拍摄的演示实验视频让学生对整个实验过程有了清晰的认识，而虚拟仿真实验平台用来让学生体验实验过程。接下来我们以“Cr(III)系列配合物的合成与分裂能的测定”为例介绍实验课的开展。

2 教学活动的开展

“Cr(III)系列配合物的合成与分裂能的测定”实验是在学生学完配合物的晶体场理论之后同步开展的实验，其目的是加深学生对晶体场理论的理解，培养学生用理论解决实际问题的能力。巩固称量、固液取用、加热、减压过滤、沉淀洗涤、固体干燥等基本操作，学习紫外-可见分光光度计的原理和使用，掌握分裂能的测定方法。具体的教学活动开展过程如下。

2.1 课前准备

在实验课开课之前，我们通过微信群和学生进行了充分的沟通，让学生了解上课的形式，熟悉虚拟仿真实验平台的使用。

课前预习是通过雨课堂完成的。教师把实验讲义、演示实验视频等资料提前上传到雨课堂里，发布预习任务。本实验我们制作了两段演示视频，一段是配合物的制备(15分钟，如图2所示)，一段是分裂能的测定(16分钟)。演示实验充分地展示了实验的所有细节，并且配上了完整的解说，学生可以根据需要反复观看。更重要的是，演示实验可以弥补虚拟仿真平台的不足，让学生清楚地了解操作的细节。

图2 演示实验Cr(III)配合物的制备视频截图

在发布预习任务时，教师将预习要求和预习问题同时发布在雨课堂里，学生根据要求自主预习，提前写好预习实验报告，并且完成预习问题(图3)。

图3 预习要求和预习问题示例

2.2 课上交流

我校无机化学实验课教学采取的是研究型教学模式。在课堂上，教师仅仅是引导者，对于有实验步骤的常规实验，教师的任务是设置问题，引导学生思考，通过讨论找出实验的关键影响因素，从而加深学生对实验的理解，完成知识的传授和能力的培养；而对于综合性的设计实验，需要学生自己查阅资料，提前设计实验方案，课上教师和学生一起讨论方案的可行性，最后通过实验验证。这样的授课模式让学生成为课堂的主体，极大地激发了他们的学习热情和求知欲，培养了学生的探索精神和创新能力。

本次实验课教师主要设计了以下问题：

(1) 什么是分裂能？

(2) 分裂能受哪些因素的影响？

(3) 怎么测定分裂能？

(4) 怎么制备配合物？

整个课程通过以上问题串连起来，在通过腾讯会议的授课过程中，教师逐一提出上述问题，根据学生的回答情况进行引导和总结。因为前期学生已经进行了预习，而且这些问题中的一部分在预习问题中出现过，所以学生都有了比较充分的准备。在讨论前两个问题的过程中，完成了对实验原理-晶体场理论部分的回顾和复习；在讨论测定分裂能的问题时，加入了对紫外-可见分光光度计原理和操作的介绍，并通过拍摄的演示视频带领学生体会操作过程(图4)；在讨论制备配合物的问题时，除了传统的加热回流方法以外，还进行适当的扩展：介绍水热溶剂热法以及微波法，让学生了解学科发展前沿。接着，和学生一起对实验中的关键操作进行讨论并总结如下：

图4 紫外-可见分光光度计的使用视频截图

(1) 制备K3[Cr(C2O4)3]时，一定要将烧杯拿离电炉，否则反应太激烈；

(2) 减压抽滤时，要用母液转移固体；

(3) 制备K[Cr(EDTA)]时，要调节pH 3–5；

(4) 吸收光谱前，一定要做基线；

(5) 两个样品池，靠外面的放样品，靠里面的放去离子水。

然后，指导学生在虚拟仿真实验平台上练习。因为学生对平台的使用已经比较熟悉，再加上已经看过了演示实验视频，所以学生的操作都比较顺利，即使遇到问题，学生也可以通过腾讯会议的屏幕分享展示给老师和同学寻求帮助。

最后，组织学生对本次实验进行反思和总结。本次实验涉及配合物的制备和分裂能的测定两部分，学生反映配合物的制备还是希望有机会在线下真正操作，这样更能真切地体会到成就感；而分裂能的测定部分学生对于线上教学的模式予以了认可。线上教学学生可以反复观看教师拍摄的讲解视频，能在虚拟仿真实验平台上重复练习，虽然不是亲手操作，但是学生感觉对仪器的使用反而掌握得更好。

2.3 课后扩展

配合物是无机化学的前沿热点研究领域之一，关于新型配合物的制备及其在光学材料、电学材料、磁学材料、催化材料、气体分离和存储等方面的应用研究是人们关注的重点。要求学生在提交实验报告时，通过查阅资料，以配合物的制备和应用研究为主要内容，写一份调研报告，督促学生关注学科前沿。

3 教学效果与反思

无机化学实验课程线下授课时，课程的考核成绩全部来源于平时成绩，包括操作(30%)、预习(20%)、实验报告(40%)和小组评议(10%)。此次线上授课，除了操作，其他环节的计分情况没有改变。为了和线下教学的实验报告情况进行比较，我们没有使用虚拟仿真实验平台的实验报告系统，而是让学生自己书写实验报告并上传。为了考查学生对实验操作的掌握情况，课程结束前我们专门组织了一次线上考试。30分试题的考查平均分达到了27分，表明学生对实验操作的掌握情况良好。实验报告的书写情况与线下教学几乎没有差别，这也进一步说明线上授课没有影响教学效果。我们又对参与课程的936名学生进行了无记名问卷调查，从学生的反馈情况来看，94%的学生认为线上教学效果好(其中42%的学生认为效果很好)，75%的学生认为虚拟仿真实验平台有助于操作训练，89%的学生希望进实验室进行实际操作。

通过一个学期的线上授课实践，我们认为在以后的实验课程教学中，线上线下混合式教学将会是一个很好的发展方向。一方面可以充分利用虚拟仿真实验平台、MOOC等网上资源，让学生的学习不受时空限制，更加灵活，而且学生可以通过人机互动模式在线自主实验，通过虚拟仿真实验环境的代入感，突破实验资源的限制，能够反复练习，提高学生实验的积极性，增强学生的自主学习能力；另一方面线下的实际操作可以强化学生对操作细节的认识，获得最真实的实践体验，培养良好的实验习惯。但是如何充分利用线上线下两种教学形式的优势，加强师生互动交流，提高学生学习的积极性和主动性，实现人才培养目标，还需要在以后的教学实践中加强探索。