混合式教学在反应速率和活化能测定中的应用及体会

曾秀琼，蔡吉清，徐孝菲，委育秀，李宁

化学国家级实验教学示范中心(浙江大学)，杭州 310058

化学是一门实验科学，化学实验不但可以让学生更好地理解和掌握化学原理，而且可以培养学生的综合实验能力，因此很多高校都把大学化学实验或者普通化学实验设置成通识课程，并不断探索教学内容和教学模式的改革[1–4]。反应速率和活化能测定是一个非常经典的基础化学实验，涵盖了一系列的化学动力学概念，能让学生直接观察到浓度、温度以及催化剂对化学反应速度的影响。虽然实验操作非常简单，但是涉及众多的实验原理和繁琐的数据处理，使得课堂讲解既费时又费力。此外，该实验堪称基础化学实验中数据处理最耗时、实验报告最难写的，因为要经过上百次包含分数、倒数和对数等的运算，还要绘制3个线性图。虽然已有利用计算机软件用于该实验处理的报道[5–9]，但是学生很难自己掌握，还是只能用计算器算、用坐标纸画，不但数据结果的准确度很低，而且时间成本很高。为了提高课堂教学的效率和质量、引导学生运用计算机处理技术，将线上线下混合式教学应用于本实验中，取得了非常好的教学效果，受到了学生的高度肯定和欢迎。

1 教学分析

1.1 实验原理

本实验是让学生理解影响化学反应速率的因素，掌握反应速率及其活化能测定的原理及方法，掌握实验数据处理及作图的方法。

实验方法中通常测定的是K2S2O8和KI反应(式(1)，为主反应且为慢反应)的反应速率及活化能，利用Na2S2O3和的反应(式(2)，为次反应且为快反应)来指示主反应的进度，从而获得主反应的反应时间。由于很多教材都详细介绍了本实验的原理[10,11]，这里就不再详细展开，而只是简单表述一下。根据主反应和次反应的关系，式(1)的反应速率可以用式(3)表示。

将式(3)进一步演变，可以得到式(4)。根据式(4)可知，通过控制K2S2O8和KI两个变量，能够获得式(3)中的反应级数m和n。如表1所示，当只改变K2S2O8浓度时，先测定反应时间，根据式(3)可以得到ν，再以lgν对作图得到一条直线，其斜率即为反应级数m。同样，只改变KI浓度时，以lgν对lg[I-]作图可以得到反应级数n。

表1 K2S2O8浓度对反应速率的影响

当保持K2S2O8和KI浓度不变时，测定不同温度下的反应时间而获取相应的反应速率常数，再根据式(5)以lnk对1/T作图，可以得到一条直线，通过其斜率可以求得活化能。

1.2 学情分析

在浙江大学，本实验在面向大一本科生的普通化学实验课程里开设。普通化学实验每学年选课学生超过1900人次，教学班达到60多个(每班配任课教师和研究生助教各一位)。由于绝大部分大一本科生缺乏化学实验基础，再加上我校化学实验课是单独开设，使得学生对于本实验的理论知识相对欠缺。传统教学设计中，为了讲解本实验涉及的基本原理、演示用计算机数据处理及作图等，任课教师需要讲解1个多小时，留给学生实验时间就不充裕了，因此学生只能忙于照搬教材完成规定内容。此外，以这种模式完成的教学，势必造成学生课前看不明白、课中听不明白、课后写不明白的不良状况。

1.3 教学策略

为了解决传统教学中存在的问题，探索线上线下混合式教学。制作了2个教学视频，分别为实验讲座视频和数据处理及作图技术视频，这些视频事先发布到浙江大学信息化教学平台“学在浙大”课程章节里，学生可以随时观看和学习(图1)。从图1还可知，学生线上学习的积极性非常高，全班31名学生，从2020年9月14日开学至2020年12月16日这13周时间里，累计访问量高达1.17万次，扣除国庆假期以及秋学期考试周，每位学生周访问量达到30多次，说明线上教学资源为学生利用片段时间进行短时或者反复学习提供了便捷。值得注意的是，学习分析图中峰值基本出现在周末或者上课当天，说明学生利用周末通过线上资源进行课前预习，而实验结束当天还会通过线上资源进行课后巩固。

图1 “学在浙大”的相关章节信息(左)及课程访问统计(右)

2 混合式教学的设计及应用

2.1 课前准备

(1) 以教学视频支撑课前教学。在实验讲座视频里，教师先抛出一系列的问题，吸引学生开始专注本次讲座；再通过一道化学动力学习题吸引学生思考本实验原理；最后再通过一步步的公式推导，让学生理解式(1)和式(2)的关系及实验设计(图2)。讲座视频里，教师不是从头讲到尾，而是精心设计了不少问题，让学生时时思考、紧跟讲座节奏，这样不但强化了学生观看视频的注意力，而且提升了学生分析和解决问题的能力。调查表明，所有学生通过线上学习都能提前掌握实验原理及实验操作。

图2 实验讲座视频的部分截图

(2) 以预习考试检查学生线上学习。为了督促学生有效地自主预习，每次实验都设置了预习考试。学生课前需要登录“浙大化学实验教学中心”微信公众号完成线上预习考试，考试内容以实验讲义和教学视频内容为主。学生考完后，不但能立即查看成绩，而且在一定时间内可以查看错题，以便学生能根据预习考试结果知晓课前学习情况，并能及时补救或者完善。任课教师能够查看学生成绩及班级错题情况，以便课堂讲解时能有针对性地引导学生分析错题(图3)。

图3 预习考试的部分截图

2.2 课中实施

(1) 讲解时引导学生思考。通过课前线上学习，学生带着充足的知识储备进入实验室，因此课堂讲解不需花费很多时间。教师以提问或小组讨论形式引导学生自觉思考，讲解时间由原来的1个多小时缩短到20分钟左右，同时也提高了学生课堂互动的积极性。

(2) 实验时鼓励学生探究。讲解时间缩短加上对实验内容胸有成竹，很多学生能顺利地提前完成实验。针对这种情况，教师鼓励学生自主开展一些小探究。比如，有学生将表1中的KNO3和K2SO4以等体积水代替，测试离子强度变化对反应速率有何不同。

2.3 课后数据处理及分析

课后完成实验报告时需要计算的数据多达70个，还要将结果作图。如果用计算器的话，不但需要进行包括分数、倒数和对数等复杂运算，而且只要输错一个数字，后面结果全部出错。此外，将计算器得到的结果再抄写到实验报告上，又是一个繁琐细致的劳动。为了减轻学生完成报告的负担、提高报告的质量，录制了一个计算机处理数据及作图技术的教学视频，发布到“学在浙大”供学生线上学习(图1)。由于Excel是最常见的计算机处理软件，因此本次讲座是Excel版本。当然学生掌握此技术后，再采用其他软件处理数据也是很方便的。

如图4所示，教师先演示如何输入编程公式得到表1中各组分混合后的起始浓度(见图4a中黄色部分)；再演示如何利用“插入散点图”和“增加趋势线”将图4b中的黄色数据拟合成直线，并获得线性方程式和R2，从而获得m和n；最后利用图4c中的不同温度下反应速率常数作图，根据直线斜率求出活化能。本次数据处理时涉及很多编程公式，这里只简单列举几个：混合后[KI]0= 0.2*B2/SUM(B2 :B7)、反应速率=B5/2/B6、lg[KI]0= LOG10(B3)、1/T(K-1) =1/(273 + B3)，公式中的大写字母及后面数字表示该数据所处位置，编辑时可以直接选中该数据即可，同一列下面的数据处理时只要下拉上一行计算结果即可。从图4的3个EXCEL表格还可知，本实验需要计算得到的数据有70个。

图4 数据处理及作图视频的部分截图

该视频中除了讲授编辑公式及作图方法，教师还演示了有效位数的取舍、坐标轴刻度的调节、坐标轴名称的插入、字体字号的调节等，使得最后图形美观、有效数字规范。对于得到的数据处理结果和图形，学生不用重新抄写或画到纸质报告上，既可以打印出来上交，也可以网上提交(图1)。

3 混合式教学的体会

(1) 学生的体会。本次线上线下教学模式受到了学生的高度称赞。学生一致认为，实验讲座视频帮助他们重新整理了化学动力学知识点，进一步掌握了反应速率常数及活化能的概念；数据处理及作图视频帮助他们完成第一次用计算机处理数据及作图，很好地掌握了公式输入、数据调整和作图等。学生们纷纷在实验感想里表达了对这种教学方式的肯定，以下摘自部分学生的实验感想：“活化能测定实验是我目前接触过操作最简单的实验，但它却是我处理实验报告最久的一个实验。你根本不会想到，一个化学老师竟然会教你用Excel作图”“老师从编程计算数据讲解到制作图形，十分有条理。尤其在对数据的形式以及散点图的调整两个方面十分精细”“老师细致的讲解让我们这群Excel的小白从入门到精通，同时Excel的学习对我们之后的学习生涯也帮助良多”“这的确是我非常非常需要的一项技能，学会后1个月内我在大学物理实验中已经运用了三次这个视频传授给我的方法去作图，为我节省了大量的时间，提供了极大的便捷”。

(2) 教师的体会。应用混合式教学后，任课教师体会到课堂讲解轻松多了、学生实验顺利多了、数据处理的出错率几乎没有了、实验报告的质量高多了、批改报告的心情愉悦多了。值得一提的是，由于学生可以网上提交数据处理及作图文件，任课教师只需检查输入的编程公式是否正确，而不需用计算器一个个核算学生的处理结果了，大大提高了批改报告的效率。

4 结语

反应速率及活化能测定是基础化学实验中实验原理最难懂、处理数据最繁琐、实验报告最难写的一个实验，应用线上线下混合式教学取得了很好的效果，学生不但深刻掌握了实验原理，而且精通了运用Excel软件处理数据的能力，提高了实验教学的质量。实践证明，混合式教学能充分调动学生自主学习的热情，激发学生的学习潜力，培养学生创新思维和技能，使实验教学更加高效地开展。我们将积极响应教育部的金课计划，继续探索新时代大学化学实验教学模式的改革[12–15]，为培养高素质人才而不断努力。