线上线下“协同式”教学模式实践与探索——以“苯甲酸重结晶”实验为例

金显春， 崔淑敏， 刘小花

(河南农业大学 理学院， 河南 郑州 450002)

0 引言

教育部在《教育信息化2.0行动计划》中提出“到2022年实现所有学校覆盖数字化教育平台，全面提升师生信息化应用水平与信息素养”，“线上一流课程”和“线上线下混合式一流课程”已成为课程建设重点[1]。分析化学实验是高校化学专业重要基础课程之一，它具有实操性强、技术性要求高的特点。通过合理的实验教学设计，恰当的教学内容安排，齐全的实验仪器配置，加深学生理解、掌握理论知识，提高分析以及解决问题的能力。其教学质量的高低，亦影响学生掌握实验技能和培养专业素质。但由于认识不到位，规章制度欠缺，实验教学资源配置不充分，造成探索性和创造性的实验内容较少，学生们实际操作能力得不到有效提高，影响教学质量的提升。

为提高分析化学实验课的教学质量，诸多学者从不同角度对分析化学实验教学的方法、内容、教学资源配置等方面进行了研究，郏梦飞等[2]、李强[3]、黄冬兰等[4]围绕分析化学实验课程，提出了翻转课堂、MOOC等形式多样化的教学方式的改革，以便增进师生互动，激发学生学习能动性；高光芹等[5]、张越锋等[6]、杨玉峰[7]提出要结合分析化学课程的特点，结合相关原理设计实验教学内容，突出理论与实践的融合；宋保胜[8]、易颜辉[9]提出从提高任课教师的业务能力、配备完善的教学仪器、提供充足的教学经费等方面，保障分析化学实验课程教学质量的提高。

尽管不同学者对分析化学实验课程教学运转做了大量的研究，并取得了一定的研究成果，但由于教学的主体和客体定位不一，有些研究没有把学生作为主要切入点，教学资源的供应与学生的实际诉求不匹配，教学效果欠佳。为了提高学生们专业知识的掌握和业务技能运用，达到实验教学目的，以“苯甲酸重结晶”实验为例，我们依托河南农业大学部分开设分析化学实验课程的专业院系，构建线上线下“协同式”教学模式，突出“以生为本”的教学理念，通过梳理实验目的、调整实验项目、更新教学模式、优化实验流程等手段，使分析化学的理论与实践高度融合，使实验内容与实验手段有机联系，以提高学生们基本实验技能和专业素养。

1 线上线下“协同式”实验教学模式

1.1 线上线下“协同式”实验教学模式概念

线上线下“协同式”教学是指利用现代信息化技术构建线上网络教学平台，结合线下的传统教学，使信息技术与传统课堂教育有机融合全方位立体化教学模式，该教学模式从时间和空间上对“填鸭式”的传统教学模式进行了扩展。从运作层面，凸显“教”和“学”可以在不同时间和不同地点进行；从价值层面，线上教学具有持续性和动态化的特质，一是教学内容可以在线上教学平台长期保存，二是教学资源可以根据知识的发展进行实时更新，方便学生反复利用、共享优秀的教学资源，也有利于对学生的学习进行由浅到深的过程引导。

1.2 线上线下“协同式”实验教学模式的特点

线上线下“协同式”实验教学模式的线上教学是通过任课教师把一些教学资源制成PPT(power point)、音频、视频等方式上传到网站，同时，把每一单元的知识要点、课前预习的内容、课堂练习以及课后作业，也上传到相应网站，供学生利用移动终端设备随时随地通过互联网进行针对性学习。一方面，利用线上教学，任课老师节约大量板书时间和课堂练习时间，能有更多的时间研究、更新、完善线上教学资源；另一方面，学生可以结合自身的情况随时随地进行针对性学习，提高学生学习的能动性，充分体现其主导地位。线下教学类似于传统教学，但又不同于传统教学。因为，线下教学是任课教师通过了解学生线上学习情况、学习效果、学习问题，有针对性、精心设计的课堂教学活动，组织课堂教学内容，面对面操作示教，答疑解惑、查漏补缺。这样，任课教师根据线上教学情况，有针对性进行课堂讲解，提高上课效率；同时，学生带着问题听讲，专注度提高，就不明白的问题随时与老师互动，增强对课程的理解，可以真正做到教学相长。

1.3 线上线下“协同式”实验教学模式的作用

传统的线下实验教学中，老师要求学生事先预习，并撰写预习报告。实验过程中，老师详细讲解实验原理、实验步骤、实验注意事项，并适当演示正确规范的实验基本操作、讲解仪器使用方法，随后学生进行实验并完成实验报告。这种线下实验教学存在以下问题： ①学生被动参与实验、缺乏学习的主动性，不能全面了解试剂的性质和仪器的操作使用；②由于学时限制，教师演示不足，学生练习不够，导致实验出错甚至失败、不利于复习；③实验成绩主要取决于实验报告分数，考核方式单一，不能真实有效反映学习掌握情况，造成学生轻过程、重结果，使有些学生“高分低能”。线上实验教学目前虽然不够完善，但与传统模式相比具有如下优点：学生学习不再受时间空间制约，有利于提高其学习的主观能动性；教师通过网络了解学生学习情况后进行针对性教学，更有利于实现因材施教，更利于师生间、生生间实时交流互动，促进师生之间、学生之间互相了解。

2 “苯甲酸重结晶”实验线上线下“协同式”教学模式运用

2.1 “苯甲酸重结晶”实验

苯甲酸重结晶是分析化学实验课程中的一个兼具较强理论性和实验性的基础实验，包含了称量、加热溶解、过滤、结晶等诸多操作流程。该实验的开设，一方面能够使学生了解利用重结晶提纯粗苯甲酸的原理和方法，培养其严谨的治学态度；另一方面可以从称量、加热、过滤等多步规范学生的实验操作。学生掌握该实验的熟练程度，能充分体现其思维能力、动手能力和创新能力高低。但传统的“填鸭式”实验教学模式，造成任课教师与学生对接不充分，如课前预习不到位，通过课堂简单讲解，部分学生对苯甲酸重结晶的基本原理的了解、掌握不清晰，苯甲酸重结晶的本质理解不到位，理论与实际相脱节，在实际操作中心里“发虚”，加上任课教师课堂上操作步骤较快，学生对苯甲酸重结晶实验的主要环节掌控度不够，造成具体实验操作不规范，出现实验结果达不到预期。为加强实验效果，采用线上线下“协同式”“苯甲酸重结晶”实验教学模式，通过教学资源网络化，使实验操作流程长期在网络上存放，学生反复观看学习，在线下课堂进行实际操作，从而达到实验的目的，提高学生理论联系实际的能力。

2.2 “苯甲酸重结晶”实验线上教学开展

我们按照分析化学实验课程的要求，结合“苯甲酸重结晶”的原理和实验特点，通过信息科技和互联网技术为介质，以河南农业大学理学院应化专业开设的“苯甲酸重结晶”实验为例，设计实验教学内容。

2.2.1 选择线上教学平台

为确保线上教学效果，学科组结合学生的终端上课设备、学院网络设施、任课教师的技术能力等因素，对线上授课的方式、网络资源以及相应的教学平台选用等进行了实地调查。结果显示，在调研的120名学生中，有63名学生(占比52.5%)希望通过超星学习通、腾讯会议和钉钉相结合的教学模式，能够随时与任课教师沟通，不是单方面观看网络上的慕课资源；在调研的26名一线教师中，有18位教师(占比69.23%)认为线上上课，应该选择一款性能稳定的网络平台，同时结合构建QQ群或微信群，把课前、课中、课后各阶段的教学目的、要求、内容等资料通过网络平台及时传达给学生。根据调研的情况，分析化学实验课程线上教学采用超星学习通平台为主，辅助钉钉班级群、腾讯直播相互配合的方式。学生通过手机端或电脑端进入超星学习通平台后，学习实验教学资料PPT，了解实验原理、注意事项、初步掌握实验步骤、装置使用，为线下教学打下基础。

2.2.2 线上实验教学开展

根据分析化学实验课程大纲，围绕“苯甲酸重结晶”实验涉及称量、溶解、热过滤、普通过滤、减压过滤等诸多操作步骤以及操作注意事项设计相应的问题，辅助制作实验教学视频，上传到教学平台上，通过QQ群或微信群与学生进行沟通交流，同学之间、师生之间进行讨论、答疑，熟悉网络实验平台的具体应用，了解实验操作的流程，教师可引导学生思考下列问题。

1)苯甲酸为什么可以采用水作为重结晶的溶剂？NaCl可以用水进行重结晶吗？

苯甲酸在水中的溶解度随着温度的变化显著不同(4、25、95 ℃ 溶解度依次为0.18、0.34、6.8 g/100 g水)，而NaCl在水中的溶解度随着温度的变化增加很小(0、20、100 ℃溶解度依次为35.7、36.0、39.8g/100 g 水)。通过实验操作视频，让学生清楚本实验中重结晶的原理是利用苯甲酸在水中溶解度随着温度的变化有较大差异而使其与杂质分离，而NaCl不存在此性质，故不可采用水重结晶。

3)实验员在准备粗苯甲酸时是直接取用工地的细沙与一定质量的分析纯苯甲酸混合，适当搅拌后获得的，如何保证样品的代表性？如果采用上述的滴定分析方法确定粗苯甲酸中苯甲酸含量，是否可以获得准确的实验结果？

实验员准备的粗苯甲酸、肉眼可见苯甲酸在整个样品中分布不均匀，对于不均匀样品的取样，可以采用四分法(顺便再次将理论课上的四分法再次讲解)。如果采用酸碱滴定方法确定粗苯甲酸中苯甲酸的含量，则应做对照(样品空白)实验，即要测定细沙中酸或碱性物质的存在。但是由于粗苯甲酸中细沙的具体质量不知，其实不可能完成正确的对照实验，即不可获得准确的实验结果。有同学提出可以考虑分光光度法，但分光光度法也存在类似问题，所以只能改进样品的准备过程。

4)如何对样品准备改进以获得准确的实验结果？

通过实验操作视频，演示将从工地取来的细沙，按细沙与蒸馏水(m/V)1∶10配制成溶液，充分摇动，测定其pH值，依据测定的pH值采用少许强酸或强碱稀溶液中和，并用蒸馏水少量多次洗涤至其呈中性，然后于105 ℃烘干至恒重，这样就可以有效消除工地细沙中酸碱性物质对使用强碱NaOH测定粗苯甲酸含量的结果产生影响；为使细沙与分析纯苯甲酸混合均匀，一是采用筛子对细沙过筛，以获得孔径大小差异极小的细沙，二是不再采用简单的搅拌方法，而采用等量递加混合法准备粗苯甲酸。

5)为什么教师一到实验室就在水浴锅中将蒸馏水加热呢？这些水作用何在？

本实验的关键步骤——热过滤用到的铜质热水漏斗中要加热水后再继续用酒精灯加热，切记在加热铜质热水漏斗之前，把普通玻璃漏斗连带事先叠好的扇形多褶滤纸放进热水漏斗里，并及时润湿以降低热过滤时苯甲酸在滤纸析晶。如果能把热水漏斗和玻璃漏斗事先存放在80 ℃～100 ℃的烘箱中效果应该会更好。另外还可以取这些水溶解粗苯甲酸制备饱和溶液。

2.3 “苯甲酸重结晶”实验线下教学开展

通过线上教学环节问题的设计以及实验的操作视频演习，使学生对“苯甲酸重结晶”的实验目的、要求、仪器的使用有所熟悉，但这些内容毕竟是在网络上呈现，学生没有实际进行操作，感性认识不强。学生需要在线下课堂上，通过现场教师的引导，对“苯甲酸重结晶”实验涉及称量、溶解、热过滤、普通过滤、减压过滤等诸多步骤进行实际操作。

2.3.1 设计线下实验教学方案

从问题出发，任课教师通过超星学习通后台批改学生的预习实验报告，对学生线上任务完成情况进行梳理，了解学生学习进度，研判学生在线上对“苯甲酸重结晶”实验认识过程可能存在的问题，遵循重基础、重能力、重应用、重创新的指导思想，设计线下实验教学计划：以生为本、以师为导，生生互动、师生互动的启发式教学方法，激发学生的学习兴趣，围绕分析化学实验课程通过理清目的、调整项目、创新模式、更新手段、优化过程等多管齐下的方法，融合仪器与实验内容，由任课教师将线上学生学习总体情况进行总结，教师对“苯甲酸重结晶”实验进行实际操作演示，学生自主完成实验,并总结实验结果, 形成具有详细实验结果和深入分析讨论以及拓展收获的实验报告。另外，根据实验教学要求，实验课建立小组长负责制，每组学生6人，实验结束，每小组的实验情况进行反思总结，小组长把本组的基本情况与别的小组进行交流，互评得失。

2.3.2 线下实验常规性问题解析

1)苯甲酸的回收率与溶剂水的添加量实验。因操作不规范，实验设计的不尽合理，经常存在如下问题：热过滤过程中大量苯甲酸附着在烧杯壁、滤纸上或是漏斗颈部，导致产品损失大，回收率低；脱色过程中，活性炭添加量把握不好，过少会导致脱色不全，过多则导致部分苯甲酸也被吸附；冷却析晶不充分，导致晶体量过少；抽滤过程中有晶体被抽至抽滤瓶中，导致苯甲酸回收率低。为避免上述问题发生，教师先做预实验，确定苯甲酸的回收率与溶剂水的添加量的关系图(见图1)，依据关系图详细讲解溶剂用量最佳范围。

图1 苯甲酸回收率随溶剂水用量变化曲线

由图1可知，对于5.0 g粗苯甲酸溶于70～90 ml水中，苯甲酸的回收率随着溶剂水加量的增加基本成线性增加，这是因为热过滤时水温略有下降，苯甲酸溶液即因转变成过饱和溶液而析出晶体，影响热过滤，而溶剂量越少，温度下降则越快。溶剂量介于95～105 ml之间苯甲酸回收率基本维持在92%～93%之间，溶剂多于105 ml，则随着溶剂用量增加，苯甲酸回收率则稍有下降，这是因为过多的溶剂，在抽滤时会溶解更多的苯甲酸，从而导致其回收率下降。同时，过多的溶剂也会使苯甲酸饱和溶液制备过程耗时更长，消耗酒精更多，综合考虑，5.0 g粗苯甲酸溶剂使用量介于95～105 ml为宜。

2)确定活性炭脱色实验。教师做预实验确定活性炭脱色过程中，活性炭添加量与苯甲酸回收率关系如图2。依据图2详细讲解活性炭添加量的选择。

从图2可以看出，当活性炭的添加量为粗苯甲酸的0.5%～2%之间苯甲酸的回收率随着活性炭的添加量缓慢下降，但活性炭添加量低于1%时可以明显看到苯甲酸中有杂质存在，而活性炭用量在2%～5%之间，苯甲酸的回收率则随着活性炭用量的增加而线性下降，这说明活性炭吸附了大量苯甲酸，所以活性炭添加量以1%～2%为宜。

图2 活性炭添加量对苯甲酸回收率的影响

通过确定溶剂用量、活性炭用量从定量角度优化实验设计；通过强调热过滤和抽滤的规范操作，从定性角度优化实验教学；通过展示经典错误，避免学生走弯路，同时，使学生不再迷信课本，而是带着质疑的心态去学习，培养学生的批判性思维，有力促进其实验技能的提升。在教师和学生的共同探讨下确定更为科学合理的实验方案：安装热过滤装置并加热；称取5 g粗苯甲酸；加入适量水于烧杯中；加热至苯甲酸完全溶解；稍冷后加入适量活性炭；搅拌并煮沸2～3 min，趁热过滤，10 ml沸水洗涤；自然冷却至析晶完全，抽滤；将晶体转移至质量已知的表面皿上，干燥至质量恒定后称重，计算回收率。

2.3.3 设计线下实验互评

线下实验课后，根据学生分组的组长对学生实验进行考核，生生互评，教师进行针对性总结。线下面对面的教学，通过课堂实际操作和课后互评，避免了以往对学生考核只通过实验报告确定实验成绩，造成大多数学生在课堂上不认真做实验，而专注于把实验报告粉饰得漂亮，课堂回答准确就行。具体到“苯甲酸重结晶”实验，总成绩为线上、线下各占比30%，实验报告占比20%，线上、线下互动讨论占比20%。这样，一方面能激发学生们课堂上踊跃发言、敢于发言；另一方面也有利于提升学生专业知识及实践操作技能。

3 线上线下“协同式”实验教学效果

分析化学及相对应的实验课是河南农业大学理学院大二学生开设的一门专业核心课，教学组织分别选取2019级应用化学专业和2019级化学生物专业各两个自然班(应用化学19-1，19-2；化学生物19-1，19-2)做了对照，各班入学时入学成绩、化学基础无显著差异，应用化学19-1，化学生物19-2为实验班级，采用混合式教学方法，应用化学19-2，化学生物19-1为对照组，采用传统教学方法，对照组成绩构成为操作占比40%，实验报告占比60%。以苯甲酸重结晶实验为例，成绩分布见图3。

图3 实验组和对照组成绩对比图

由图3可知，实验班级高于80分的同学明显比对照班级多，而低于70分的同学则明显比对照班级少，≤70以及≥90的成绩区域存在显著差异，成绩[70,80)区间人数基本持平，实验组成绩比对照组成绩平均高出6.1分，说明以生为本的混合式教学模式可以调动学生的学习积极性，达到更好的学习效果。

然而，就本实验采取的混合式教学模式与传统教学模式相比，实验所耗时长存在较大差异，实验组需时6.2 h，而对照组耗时为4 h。如何减负增效，让学生花更少的时间取得相同甚至更好的学习效果，这就促使我们开发更好的线上资源，同时，线下教学问题的设计也应该更有针对性，更突出重点、难点。

4 线上线下“协同式”实验教学模式构建及运行建议

4.1 做好合理的规划选择

线上线下“协同式”实验教学模式的构建，需要学生的学习环境、网络媒介、任课教师能力、实验教学方法、学生的接受能力等一系列要素，做好合理的规划选择，促使教学要素优化整合得当，促进学生实验学习体验，提高实验教学质量。首先，设计科学的实验教学策略，调配各种教学要素，使教师的教学内容全方位地呈现，更好地支持学生的实践学习；其次，选择合适的实验教学媒介，使任课教师和学生就实验教学内容进行有效的无缝交流，形成随时随地的学习环境；最后，合理调配线上与线下学习时间比例，既能在线上实现师生、生生互动，也能够完成线下师生面对面交流，达到既能教书，也能育人的效果。

4.2 配备完善的教学设备

构建线上线下“协同式”实验教学模式，需配备完善、先进的实验教学设备，更新和丰富优质的数字化教学资源，重塑传统实验教学内容和实验教学结构，提高实验教学效果。首先，学校领导应具有改革创新的理念，针对实验教学的改革，设置专项资金，根据实验教学诉求，配置相应的教学设备和功能齐全的网络教学平台；其次，与社会专业机构合作，拍摄清晰、流畅度较高的实验视频，上传构建的数据交互平台，同时将学生的学习数据、学生成绩核算与管理数据等特色功能纳入平台，实现线上教学的精细化管理；最后，配备专业技术人员，对实验教学设备进行日常运行的维护、检修，保证日常教学活动正常运行。

4.3 提高任课教师的业务能力

基于“互联网+”的教学方式已成为高校教学改革的趋势，教师应与时俱进，掌握必要的信息技术以满足教学需求。首先，任课教师要强化学习，敢于尝试新技术，熟悉现代化的教学方式，提升技术设备和教学软件的应用能力，以促进实验教学水平的提升；其次，任课教师应具备把理论知识与现代化网络技术进行有效的融合衔接，在教学实践中进行有益探索，把理论知识形象化地呈现于网络教学平台，同时，利用平台发现学生的疑惑和问题，通过线下面对面地讲解、讨论，提高学生的认知能力；最后，任课教师在实验课程内容的选择上要不断创新，抓住学生的兴趣点，循序渐进引导，全面提升学生综合素质。

4.4 加强日常的教学监督和管理

教学模式的构建及运行需要行之有效的监督和管理制度作保证，加强日常教学监管，促进教师与教学机制有效融合，促使各教学资源要素发挥最大效益，提升线上线下“协同式”实验教学质量。首先，依据线上线下实验教学的特点和要求，构建教学质量评价体系，定期或不定期对任课教师的教学资料、学生的满意度进行测评，并对评价结果进行奖惩；其次，对各个教学院(系)的教学实验设备配置情况、利用情况以及实验药品的购置和领用情况进行监督，保证设备的安全完整和药品的有效利用；最后，构建反馈机制，对监管过程中出现的问题，反馈给教学单位，进行总结纠正，并对整改的结果再次反馈给教学管理部门，保证线上线下教学正常运行。

5 结语

分析化学实验教学，旨在使学生掌握基本实验操作技能，是对理论课学习的延续和补充，是学生的科学素养与综合素质的基本保证。利用现代化网络技术构建线上线下“协同式”实验教学模式，结合学习通、钉钉、微信等网络信息媒介，实现了线上课前预习，生生互助、师生互助、虚拟仿真；课中教师讲解演示、学生动手操作；课后生生互评、师生互评的实验教学，可以使较为复杂的实验流程能够在网络上进行详细展示，并能够长期保存，学生们可反复观看学习，从而达到更好的实验教学效果，同时在构建和运行线上线下“协同式”实验教学模式时，也应全方位提供政策、经费、人力等方面的保障，使学生、教师、实验设备以及相关制度较好地融合，提升实验教学质量。