金课背景下设计性无机化学实验混合式教学实践

董瑞婷，罗涛朋，史 超

（1.南昌师范学院化学与食品科学学院，南昌 330032；2.江西理工大学无序物质科学研究中心，南昌 330006）

0 引 言

2018年6 月，时任教育部部长陈宝生在全国高等学校本科教育工作会议上对课程提出了“金课”的概念。“金课”即指具有高阶性、创新性和挑战度的课。因此“打造金课，淘汰水课”成了目前我国各高等院校课程建设的重心，也成为我国高等教育教学质量的一个重要标尺［1-2］。

无机化学实验是面向化学或相关专业的学生所开设的一门专业基础课程，是学生入学后所学习的第一门实验课程。本课程在培养学生的基本实验技能、严谨求实的科学态度以及创新思维方面具有重要的作用［3-5］。其中设计性实验是要求学生自主查找资料，设计实验方案并进行实验验证。此类实验内容多样化、过程自由化、开放性强，能够更好地培养学生的创新能力、自主学习能力和学以致用的综合能力，同时也对学生和教师均提出了更高的要求，是演示性和验证性实验的进阶，也是课程建设的重点［6-8］。相关研究者普遍认为在设计性实验教学过程中教师的引导作用至关重要。然而，在教学实践中仍存在“注重形式，缺乏实效”的现象［9］。部分教师难以改变传统的教育思想，更倾向于基于固化的教学内容开展教学，以至于把设计性实验“引导”成验证性实验，不利于学生创新能力的提高；另外，随着现代信息技术的飞速发展，“线上＋线下”混合式教学能够将“线上”和“线下”教学的优势进行有机融合，因此“互联网＋”教育已经成为实现教育跨越式发展的新路径。然而，实验课程的教学模式未能与时俱进，存在大量的传统教学的弊端，难以实现教学目标［10-14］。

本文基于“线上＋线下”混合式教学模式，依据“金课”建设标准，开展有关设计性无机化学实验的教学研究与实践。以碱式碳酸铜的制备经典设计性实验为例展示教学设计［15］，以期使无机化学实验教学水平提升至更高的台阶。

1 当前设计性实验教学现状

设计性实验能够系统地培养学生的创新意识和科学思维，激发学生的创造性和参与性，提高学生的综合能力，因此其教学方式及效果倍受教育者的关注。

目前普遍的教学组织形式如图1 所示，可以分3段式具体开展：课前，学生根据要求进行设计实验方案，并上交给教师进行初步检查；课中，师生共同探讨方案，确定最优方案后进行实验探索验证；课后，学生将实验进行总结分析，书写实验报告，教师进行评阅。此教学设计虽然很大程度上体现出了“以学生为中心，教师为主导”的教学理念，但是参照金课建设标准，仍然存在许多问题。

图1 传统设计性实验教学流程

（1）学生参与度低，方案设计缺乏创新性。随着信息技术飞速发展，对于经典的设计性实验在网上可以搜到大量的设计方案、实验报告、文献等资料。但是流传于网上的那些方案内容较为简单，并未对将实验细节进行说明，甚至有误。比如“碱式碳酸铜的制备”实验中，确定最佳条件的评判标准之一是根据颜色来判断，那么什么样的颜色是最佳的，为什么是最佳的，网络中的方案中并未提及。

针对学生如何应用网上资源进行方案设计这一问题，做了问卷调查（见图2），调查对象是我院2019 和2020 级的化学本科生，共203 人，回收率为100%。结果表明，只有18.99%的学生能够进行认真思考，并设计成有特色的方案；大部分学生是直接抄袭或者在此基础上稍加修改便形成自己的设计方案。这也意味着大部分学生对原理及实验注意事项认识不到位，设计方案变成了通过抄袭而完成的疲于应付的形式方案，所以学生提交的设计方案基本雷同，缺乏创新性。

图2 设计方案调查结果

（2）课程缺乏挑战度，教学效果不佳。学生由于没有进行深入思考，课堂讨论反而会变成教师的“独角戏”，最终将设计性实验“导成”验证性实验。对于设计性实验本身具有较高的挑战度，实验结果并不能给予统一的标准，很多不确定的因素会对实验结果造成影响。比如“碱式碳酸铜的制备”实验中，温度、试剂纯度、操作习惯等均会对最佳条件的选取造成影响［16］，此时就需要学生进行深入思考并探索。但是部分学生为了按时完成学习任务，存在应付了事的心态，最终只是将教师所确定的方案内容“验证”一番，致使设计性实验本身的创新性，挑战度大打折扣。

（3）互动受限，资源难以共享。教师若想上好一堂课，必须要知道学生的预习情况，充分了解学情，否则影响教学效果。传统教学是要求学生上交纸质版的设计方案，然后让老师去检查。这种单一的形式受时间和地点的限制，不便于所有的任课教师进行及时审核，这就意味着教学中部分教师根本不知道学生存在哪些问题，难以给予正确的引导，最终将任务压在某个教师身上，势必对教学效果造成不良影响，对于学生而言也很难进行朋辈互助式学习。

（4）评价标准单一、过于注重结果。实验教学的目标之一是培养学生实事求是的科学态度和严谨的科学作风。传统的实验教学课后仅要求学生书写实验报告，再根据报告书写情况进行评价。因教师已经把预期的结果告知了学生，在书写报告时难免会有学生拼凑数据，弄虚作假。设计性实验重在过程，不能单从实验结果或者实验报告书写得好坏评价学习效果，从而失去了探究过程的意义。

2 混合式教学改革

2.1 线上资源建设

依托超星泛雅教学平台建设了线上课程，并提供了相配套的线上教学资源，充分利用线上平台的监督、管理、共享、测试等功能，促进学生进行有效学习。

对于设计性实验的线上资源要区别于验证性实验，更注重对学生思维能力的培养。“碱式碳酸铜的制备”是一项经典的设计性无机化学实验，在网上可以搜到相关的设计方案、实验报告、文献等资料。然而从单一的资料上很难获取对实验的全面理解，需要通过综合查阅大量的文献来解决实际问题。对于大一的学生缺乏设计实验的科学思维，不知道如何选择及整理有用信息。因此，线上教学重点是引导学生开发科学思维及有效信息的筛选。主要建设的线上资源如图3 所示。

图3 线上课程资源

（1）视频及文档。将课程安排，设计方案的要求，查询及下载文献的方法，如何有效地阅读文献等录制成视频供学生学习。

（2）文献。为学生提供了较有价值的5 篇左右的文献放在学习平台上，并选择1 或2 篇，将其中重要信息进行标记，帮助学生学会思考并查找有效信息。

（3）思考讨论题。为了增强线上学习效果，将实验探究过程所要解决的核心问题设计成了讨论题。本课程在线上资源中设置的讨论题为“在设计方案时，通过哪些标准去确定最佳反应条件的，如何进行操作？”从学生反馈情况来看，大部分学生知道是要查文献，大致从颜色、反应速率、产率等方面进行观察，但是学生并未写出什么颜色的产物比较好，反应速率如何判断快慢，也就是理论和实践相脱离。

（4）学生实验探究报告。经过几轮教学之后，在课程资料库中存有往届学生的实验探究报告，即将实验探究过程通过图或视频的形式进行记录并进行分析，这些实验探究报告可以作为很有价值的资料供学生去学习。

（5）“巧问妙答”专栏。在课程中设置讨论专区供学生自由发帖，针对本实验进行互问互答，此方式不受时间和空间的限制，能够很好地解决课时不足的难题，特别是实验结束后，学生在实验中遇到的问题或者学习心得均可以在线上进一步解决及分享。

（6）讨论文件夹。供学生上传课前的设计方案和课后的探究报告，可供班级学生和教师进行查阅点评。

2.2 教学实施

图4 所示列出了线上＋线下混合式教学流程图。与传统教学相比，此教学过程更能够培养学生的创新能力，体现出课程的挑战度。

图4 线上＋线下混合式教学流程

（1）课前：学生小组讨论进行方案设计，师生线上研讨。在实验课堂教学开展的前2 周，要求学生以小组为单位，一般是6 个学生作为1 个学习小组，并选取小组长作为线上提交设计方案，实验分析报告等的主要负责人。在组长的带领下，学生经过线上学习、查阅资料、小组研讨等方式设计实验方案，并将方案提前1周上传至线上学习平台。之后将各小组的设计方案上传于学习通上的讨论文件夹中，可供班级学生和教师进行查阅点评，从而打破了时间、地点的局限性，充分发挥线上教学的优势。通过线上讨论，师生点评、讨论等活动，学生初步优化设计方案，达成“设计方案—讨论—设计方案”的学习闭环。通过不断研讨的形式，充分挖掘学生的创新思维，也促使学生自主查阅文献，了解目前相关领域的研究进展，提高了课程的高阶性。

（2）课中：实验探究—课堂讨论—实验探究—总结点评。本课程采用“实验探究—课堂讨论—实验探究—线上讨论—总结点评”的方式开展课堂教学。关于设计实验教学中的讨论环节，大部分研究中有提及，一般是在学生实验探究之前组织学生进行课堂讨论。然而，此时学生对整个实验的认知并不够准确与深入。经过多轮的教学实践，发现此讨论方式易打击学生的学习积极性，将设计性实验“导成”验证性实验，降低了课程的挑战度。

因此，在教学中通过对学情的充分分析，首先对学生表示了认可，并给适当的时间让学生以小组为单位，按照本组的设计方案先进行初步的实验探究。学生则表现出很高的积极性，通过组内讨论可以再次解决实践中所遇到的较简单的问题。比如：碱式碳酸铜的制备实验中提及可以通过反应速率来判断最佳条件，学生一般均能够想到反应速率越快越好，但是并没有考虑如何进行测试。硫酸铜和碳酸钠的反应几乎是瞬间就能够表现出明显的实验现象，所以对判断反应速率快慢的方法的选择很重要，类似的实验细节还有很多。此教学环节教师要根据实际情况控制好时间，不拟超过1 课时。大约1 课时，大部分学习小组的实验已经难以进展。通过初步的实验探索，学生意识到自己方案的不足，然后教师再组织课堂讨论，学生均能够有针对性地展开讨论，起到事半功倍的效果。讨论过程中教师要起到主导作用，优先鼓励学生间的讨论，对于学生解决不了的问题，教师再及时引导学生思考，防止过多的消耗课堂时间。课堂活动可以基于线上学习平台开展，教师及时将学生所出现的问题整理出来，并提供相关的参考资料供学生能够进行巩固学习，同时也能够促使学生重视线上学习，提高自主学习的有效性。

经过有针对性地研讨之后，学生已经清晰实验的细节，然后再次进行实验验证。要求各小组进行合理分工，拍摄并记录探究过程作为探究报告的支撑材料。教师则进行巡视并给予及时指导。

（3）课后：线上汇报，总结讨论。本教学将学生实验后的交流讨论环节移至线上进行，并通过资源共享促进师生进行交流学习。课堂教学结束后，学生需要整理实验数据、课堂拍摄的图片或视频等素材，结合实验实际情况写出实验探究分析报告，并以小组为单位上传至学习通，供师生进行线上点评讨论。另外，还在线上设有“巧问妙答”专栏，供学生自由发帖、互问互答，针对本实验中遇到的问题或者学习心得均可在线上进一步地解决及分享。除此之外，每位学生均要再次改进实验方案，书写实验报告，进行实验反思，按时上交，供教师评阅。教师则需要将较好的实验报告上传至学习平台，供大家学习。

2.3 考核评价

传统的设计性实验教学的考核方式较为单一，主要是根据学生的设计方案、实验报告书写情况，结合学生的实验操作确定单次实验的成绩。然而，对于设计方案及实验报告大部分学生仅是简单地写出实验目的、原理、方法、过程、结果等内容，特别是设计方案几乎千篇一律，直接将网上现有的内容照搬，缺乏自己的思考。这种考核方式很难综合评价学生的综合能力。

本教学采用了多元化的考核方式和可量化的评价手段，重视过程性评价及对学生能力的培养。主要从学生的线上学习及参与讨论情况、设计方案、实验操作、实验报告、实验探究过程报告等方面进行综合考核。并且每个方面又进行了多纬度评价。基于线上学习平台，学生的线上学习及参与讨论情况系统后台能够实时记录。对于学生的设计方案及实验探究过程报告能够充分体现出学生的综合创新能力、分析解决问题的能力，对此本课程采用了“3＋2”的评价及反馈机制，“3”指的是“学生自评＋学生互评＋教师点评”；“2”指的是“学生反思＋教师反思”。此评价过程均是基于线上学习平台进行，充分发挥线上教学的优势，促进师生不断进步。

3 改革成效

（1）进一步提高了课程的创新性和挑战度，提高了学生的创新能力。本教学设计充分体现了以学生为中心，教师为主导的教学理念。充分发挥线上及线下教学的优势，给予学生充足的时间和空间，让学生敢说、敢思、敢做。学生在探中学、评中学、议中学、思中学，真正地体会到设计性实验的挑战性，并主动进入高阶的学习过程，从而提高了学生的创新能力、实验素养、合作精神等，实现综合能力的逐步提升。自改革以来，我院大一学生在“互联网＋”创新创业比赛中表现非常积极并有新的突破，于2021 年获得创新创业竞赛省级铜奖1 项，校级一等奖1 项，二等奖2 项，国家级创新创业项目4 项，省级2 项。

（2）促进线上线下实验教学的有机融合，提高了教学效果。本课程依托于超星泛雅线上教学平台，充分分析了学情，建设了配套的线上教学资源。为学生提供自主、合作、交流的学习平台，实现师生一对一、一对多的即时互动，促进个性化学习。通过合理的教学设计，优化教学模块，融入多元教学方法及考核方式，促进线上线下实验教学的有机融合。学生通过线上预学、讨论、互评等方式增强了自主学习能力，较好地解决实验时间不足的问题，确保实验教学的有效性。

（3）将学生的实验资料纳入课程建设中，丰富了线上课程资源。学生的设计方案、实验探究分析报告等均可以保存至线上课程资料中，供本学期及后继学期的学生进行参考学习。此方式有助于师资精力有限的团队，在较短的时间内搭建起丰富的线上课程资源。调查发现，学生对此表现出很高的热情，很乐将自己的作品分享至平台中，学生能够真正体会到学习的乐趣，从而充分调动学习的积极性。并且这些资料可以长期保存于平台中，相当于为学生建立了成长档案，促进学生不断反思进步。

（4）教学团队使用信息技术水平和专业素养明显提高。混合式教学将现代信息技术应用于教学中，提高教师信息化技术的水平和专业素养，切实改变教师的教育教学理念，增强教师的教学改革意识。另外本教学设计更能够突出学生主体、教师主导的作用，这对教师本身的专业水平要求很高，因此可以促进教学相长。基于混合式教学的研究，本课程获得了“江西省2020 年线上线下混合式一流本科课程”的项目立项，并于2021 年获批立项江西省教学改革课题1 项。

4 结 语

通过对我院化学本科专业的无机化学实验课程的改革探索，将“线上＋线下”混合式教学模式应用于设计性实验教学中，弥补了传统教学的不足，促使学生由被动型转变为主动型学习。学生在“探究—讨论—探究—讨论—总结”迭代式的学习过程中，真正体会到设计性实验的挑战度，并主动进入高阶的学习行为，进而提高了学生的创新能力和对知识的综合应用能力，充分体现出“金课”建设理念。