分析化学实验多元化教学模式改革与实践

武海，黄甜甜，曾巧，王华子，金晓艳，刘杰，凡素华

1阜阳师范大学化学与材料工程学院，安徽 阜阳 236037

2阜阳师范大学环境激素与生殖发育安徽省重点实验室，安徽 阜阳 236037

分析化学实验是将分析化学理论基础应用于生活生产实际的桥梁，是化学、化工、生物、材料、医学等专业的基础实验课[1]。分析化学实验课程对培养学生的创新思维、提高实践能力有着重要的作用[2]。当前大部分高校在分析化学实验教学过程中，仍采用开设验证性实验培养学生基本操作、观察实验现象、总结实验结果、解决预定性实验问题的能力，很难达到培养学生创新性和综合素质的目标[3]。而且，实验课考核采用实验报告成绩和操作考查成绩的方式进行，形式单一，较难激发学生实验探究的动力[4]。因此，如何能驱动学生的主动性和科学研究的兴趣、启发学生思考和探索、活跃课堂学习氛围，构建“以学生为中心”的教学模式是综合素质人才培养的重点和难点。

基于信息技术和在线学习平台(如雨课堂、超星学习通、钉钉课堂等)对高等教育的教学资源、教学方法与模式、教学环境和教授方式、学生学习方法、师生角色的改变等都产生了深远影响[5]。本文利用信息技术构建分析化学实验的多元化教学模式，采用微课和问题导向为主的在线课前预习，课中以讨论式翻转课堂和学习平台进行随机考查，课后采用设计型和科研型实验拔高，以综合成绩考核形式进行驱动，促进学生集中注意力，提高学生自主学习的主动性，最终提升教师教学效果、增强学生综合素质。

1 分析化学实验课程教学现状

1.1 学生课前预习缺乏主动性

目前，不仅仅是分析化学实验课，还包括其他实验课，约70%以上的本科生不能自主预习实验。虽有预习报告的书写要求，但大部分学生还是按照实验教材机械地抄写实验原理和步骤，抄完后对实验原理、过程及实验可能出现的现象，仍然一知半解。而且，当前部分实验课先于理论课开设，若在实验前再不主动预习，基本上无法达到实验课与理论课相辅相成的目标。这一现象也是当前高校实验课最为常见而又亟待解决的难题。

1.2 教师课堂教学缺乏创新性

虽然信息化教学技术已经快速发展，但是大部分高校教师的教学过程仍采用传统的教学方法。即实验前教师讲解原理、步骤、实验现象和注意事项，学生根据教师安排或教材内容进行机械式操作，实验结束后，学生当堂或课下处理实验数据并提交报告。但此方法造成的问题是：部分学生不理解理论知识，不能解释实验现象，进而抄袭实验报告。因此，这一传统教学方法，仍以“教师为中心”，缺少启发性和创新性，很难激发学生的学习兴趣[6]。

1.3 实验课缺少学科前沿和知识交叉

分析化学实验大部分以验证性和基础性实验为主，如酸碱滴定法中的有机酸摩尔质量的测定；食用醋中醋酸含量的测定；络合滴定法中自来水硬度的测定；氧化还原滴定法中的化学需氧量的测定等等。这些实验均属于基础性实验，方法单一、不确定因素少、原理和结果明确，较难体现分析化学学科前沿，除了能锻炼学生基本操作和熟悉基本原理之外，难以提升学生对分析化学在解决生活实际和社会热点中的作用的认识。

1.4 实验课考核方式单一

分析化学实验课考核通常以实验报告(70%)和操作考查(30%)为主，缺少过程考核，这使部分书写工整、数据处理好的同学，即使操作不正确，也能得到很高的分数。而正是由于这样的考核方式，使有些同学认为不用费很大力气就能轻松通过实验课考试。这造成了学生不主动预习、抄袭预习报告和实验报告、篡改实验数据、缺少主动性等不良现象。

2 分析化学实验课多元化教学方法的建立与实践

基于分析化学实验课的现状分析，想提升学生的主动性、激发学生对实验探索的欲望，必须对现有实验教学方法进行改革，紧密与现代教育技术相结合，采取先进的教学模式，实施综合的实验考核方式。

本文以分析化学实验课教学实践为基础，利用“雨课堂”教学平台和微课教学视频，构建线上线下教学模式，采用以讨论式翻转课堂教学和综合性课程考核方法，提出分析化学实验课程的教学改革方法，以期实现对大学生综合素养的培养目标，并使教学方法得到推广。

2.1 基于不同类型的实验作为教学内容

为多方位提升学生的综合素质和创新能力，分析化学实验以基础性实验学习化学分析的基本操作和基本理论，以设计型实验提高分析问题和理论与实际结合的能力，以科研型实验培养科研创新能力。如图1所示，对于基础性和设计型实验采用线上课前发布任务(微视频原理讲解、思考题)和学生自主预习的方法为主，通过“雨课堂”网络平台监控学生预习情况。课堂翻转互动，利用课堂测试、分组讨论的方式评价学生预习效果，并归纳指导本次实验的注意事项。在实验课操作环节，通过教师一对一指导、实验结果的批阅和实验报告的完成，完全以学生为中心，教师指导为辅。课后总结也将在实验报告批阅过程中体现，并在网络平台上反馈学生出现的优点、问题及需要改进的地方。

图1 分析化学实验多元化教学模式图

自主选题的科研型实验，教师将在学期开始时提供可供选择的科研型实验。但选题要注意学生的知识水平，通常分析化学实验是大二上学期，在仅仅学习了无机化学或部分有机化学，并没有学习仪器分析的情况下开展的。所以选题不能太复杂，以切合实际并带有科研性质的题目为主。

2.2 基于微课的线上课前预习模式

为提高学生的实验效率，教师在课前采用微视频对实验的基本操作和原理进行录制，如玻璃仪器的洗涤方法；滴定管、容量瓶、移液管、电子分析天平的使用方法；紫外-可见光分光光度计的使用方法；实验的原理及注意事项等。将这些微视频上传至“雨课堂”网络平台，发布教学任务。学生对相关视频进行自主学习，教师利用雨课堂平台监控学生的学习进度。

预习任务包含预习思考题。学生在看完视频及相关理论知识后，将在预习报告上完成预习思考题。在传统实验教学中，学生撰写预习报告时，通常是对照实验教材抄写实验题目、目的、原理、实验步骤等，很难达到自主预习的目的，只能机械式地做实验。所以预习报告将以思考题的“问题”为导向，将实验原理、实验过程、实验现象等编制成思考题，使学生无处可抄，不得不去思考和查资料，才能完成预习报告。该方法极大提高了学生的主动性。

2.3 基于翻转课堂的课中教学模式

传统教学的实验课讲授是教师讲、学生听的简单过程，很难激发学生思考实验的主动性。因此，结合课前在线预习环节，防止学生对预习思考题有抄袭或者预习不到位现象，翻转课堂的教学模式起到至关重要的作用。翻转课堂是将传统授课过程师生角色互换，以学生讲、教师听和引导为主，构建生师、生生互动的教学模式[7,8]。实验课课堂教学开始后，学生首先扫码进入“雨课堂”测试环节，教师向全体学生发布主要围绕实验原理、思考题、重要实验环节等设置的测试题，用于查验学生的预习效果。为进一步防止学生无所谓的态度，该过程在实验课成绩考核过程所占的比例较大，使学生不得不重视预习效率。

课堂讨论环节，由每小组出1–2人发言，就实验意义、实验原理、实验可能的现象、错误率较高的思考题、实验方法等展开讨论。为了激发学生发言积极性，将对发言学生和发言正确而精彩的学生和所在组别进行加分，既提高学生兴趣，又使其具有成就感。在讨论过程中，教师对学生的讨论进行方向上的引导，最后做出总结点评。一切就绪之后，开始实验操作环节，教师和助教只需巡回观察并纠正错误操作，由学生自主完成实验，实验结果由实验老师批阅，最后完成实验报告的书写。基于前期的大量预习环节，为防止学生出现抄实验书不思考，重复抄写实验步骤、原理等现象，实验报告可以简单由实验题目、组别、实验原理(由测定原理和指示剂指示原理的方程式代替)、实际实验步骤、数据处理及计算过程、数据分析等内容组成。

2.4 基于应用软件处理实验的教学模式

学生处理实验结果，通常是通过计算后，在实验报告上进行画表格，手工填写数据，不利于培养学生与知识前沿、现代教育技术相结合的综合能力。因此，在数据处理环节，鼓励其利用Word软件、Excel表格及计算公式、Origin数据及图形绘制等软件处理实验报告及实验数据。例如，对于平行测定3次的实验数据表格可以用Word里面表格功能绘制；分光光度法测定铁的综合实验利用Origin软件绘制条件实验和标准曲线图；自主选题的科研型实验利用Origin软件绘制实验结果图，也可利用Excel软件批量处理实验数据等；成果汇报过程，采用Flash动画软件、PowerPoint等多媒体方式展示成果。该类教学方式适合部分有能力的学生，不强行要求，但是可以作为加分项激励学生在学习过程中使用软件处理实验结果。

3 建立综合性考核标准

为了改变实验课考核方式单一现象，建立综合的实验课考核标准是完成以上教学模式的保障。学生除了以锻炼自身能力为学习驱动力之外，最终成绩也是其学习动力的重要驱动项，只有每一项内容都体现在成绩考核之内，才能更自主地完成上述实验。如表1所示，分别从课前预习、课中翻转讨论、结果处理、基础性和科研型实验报告等环节设置不同分数比例。从分值上可以看出，加大测试环节的目的是促进学生预习效果，防止抄袭和不主动学习等现象。加大科研型实验的分值可以促进培养学生自主解决问题和创新的能力。

表1 分析化学实验综合考核标准

4 案例分析

4.1 基础性实验

我们以基础性实验中络合滴定法的“自来水总硬度的测定”为例，阐述实验课的开展过程。

课前预习环节：微课视频包含两部分，第一部分为水由于硬度变化给生产生活带来危害的短视频；第二部分为自来水硬度的检测原理的课件讲解录屏。

发布学习任务为：(1) 观看微课视频；(2) 完成预习思考题；(3) 预习思考题有：1) 什么是水的硬度？2) 如何衡量水的硬度大小？3) 水的硬度高或低会给人类造成哪些影响，为什么？4) 如何检验水的硬度大小？5) 什么是永久硬度和暂时硬度？6) 络合滴定法测定水的硬度原理是什么？相关的反应方程式是什么？7) 乙二胺四乙酸二钠盐(EDTA)标准溶液测定水硬度时的酸度如何控制？为什么要控制酸度？8) 水硬度滴定过程中选用的指示剂是什么？其变色原理？9) 如何防止其他金属离子的干扰？10) 你认为实验过程中需要注意哪些问题(至少列出3条)？

课堂互动环节：为促进和检查学生预习情况，首先进行课堂在线测试。利用“雨课堂”课件发布测试题，如表2列出的部分题目，分别从了解、理解、掌握、思考挖掘、分析应用、能力创新等各方面进行测试。

表2 “自来水总硬度的测定”课堂测试题

课堂测试之后，针对几个主要问题进行讨论：

(1) 本实验的原理是什么？

(2) 为什么要在pH约为10的条件下测定？

(3) 本实验标定EDTA时应注意哪些问题？

(4) 如何提高本实验的灵敏度和准确度？

(5) 每组阐述该实验步骤，并简述实验过程加入的缓冲溶液、指示剂、掩蔽剂的作用和顺序。

课后反馈环节：课后根据实验报告，针对学生具体问题，提出批阅意见。同时在教学平台提供共性问题。另外，把“雨课堂”平台统计的预习、课堂测试、课堂讨论等数据向全体学生展示。个别表现较差的学生，把其问题单独发给学生，鼓励其改正并争取下次进步。

4.2 自主选题的研究型实验

研究型实验以提升学生科研创新素质和综合能力为目标，锻炼学生查阅文献、总结研究进展、实验设计、分析结果、科研绘图、论文写作等各方面的能力，从中得到科研探索的乐趣，培养学生创新意识，激发科研兴趣。研究型实验以自由组合2–3人一组，可以寻找学院其他老师作为指导老师，进入其科研室从事科研项目的研究，也可以根据老师提供的备选题目作为研究题目。根据大二学生的知识结构，此类题目不易太复杂，要求也不必太高，能完整地完成实验内容、合适的实验过程及结果、分析合理、写作较为规范、会使用图形软件进行数据分析即可达到教学目标。例如，我们团队在分析化学实验课布置的科研型题目有：(1) 酸碱滴定法测定药片中维生素C的含量；(2) 分析方法在材料化学专业中某材料性质研究中的应用；(3) 酸碱滴定法测定硅质耐火材料中硼元素的含量；(4) 定量分析方法在水质检测中的应用；(5) 松花蛋中铅含量的测定；(6) 工业废水中铅含量测定；(7) 氧化还原滴定法测定铁；(8) 分光光度法测定头发中铁含量；(9) 颍州西湖水中总磷含量的测定；(10) 基于分光光度法测定食品包装材料中甲醛含量的研究。

时间上将利用9周的时间(2周文献调研、1周实验设计、3周实验、3周书写科研型论文报告)。科研型实验的时间通常不占用教学时间，属于自主开放性实验，由教师课外单独指导。但是，将利用两周的时间(8学时)进行成果展示、评价和总结，这有利于提高学生的成就感、促进学生的积极性和探索精神。

研究型实验需要指导教师根据研究内容的不同进行个性化指导，对实验设计、实验室、实验仪器、文献查阅、图形绘制、论文写作等方面进行指导。在成果展示环节，选择优秀的成果进行展示汇报，并表扬，使学生充满成就感，并对科研充满浓厚兴趣。对需要改进的成果，引导其优化结果，并进一步调整，最后再给予其成绩评定。

5 教学实施效果

经过课前预习、课中测试和讨论的翻转课堂模式，实现“以学生为中心”的教学目标，改变了学生“低头”现象，增加了课堂互动气氛，极大提高了学生的参与度和积极性。学生对实验的意义、原理、实验现象分析、结果与处理等具有深刻的理解，并同时增强了科学的严谨性和社会责任意识。通过设计型和开放型实验，使学生的实验实践能力得到明显增强；通过科研型实验，培养了学生的科研创新能力，增加了他们对科研的兴趣，积极投入到教师的科研项目中。分析化学教学团队指导的大学生创新训练项目中，分析化学专业的项目16项(国家级7项，省级9项)，学生参与发表的研究论文38篇(含SCI论文26篇)，学生获得省部级以上比赛奖励29项。过去三年，本科生考取硕士研究生212人，考取中国科学技术大学、东南大学、武汉大学、北京师范大学等分析化学硕士研究生36人，占考研录取学生比例17%。

另外，学生对该多元化教学模式下的课程体现了很高的学习热情。利用学习通平台在线对我校2020级材料化学专业52人的问卷调查中，对分析化学实验课“非常满意”达到68.2%，“满意”以上为97.7%。学生对分析化学实验课教学方法进行了客观积极评价，发表意见回复：认为翻转课堂教学调动了他们的积极性、充分理解实验、增强了互动性、教育理念新颖、可以提前预习、能集中注意力、提高操作的准确性、视频能反复观看，有助于理解等。

6 结语

以微课视频、翻转课堂、问题引导、线上和线下相结合的方式，依托基础性实验、设计型实验和研究型实验，建立分析化学实验多元化教学模式，以学生为中心，激发学习主动性，提高实验课培养效果。该教学模式分别从自主学习的主动性、自主设计实验的能力、课堂讨论的辨析和对知识的理解、文献查阅和科研论文写作等方面提高学生的严谨的科学态度和综合素质，同时对大学化学类实验课的教学方法创新和课程建设具有重要示范作用。