大学化学, 2021, 36(2): 2004061-0 doi: 10.3866/PKU.DXHX202004061

教学研究与改革

多维度信息化无机化学实验的资源构建与教学实践探索

马骁飞,1,2,3, 马亚鲁1,2,3, 高洪苓1,2,3

Construction and Teaching Practice of Multi-Dimensional Information Laboratory Resources of Inorganic Chemistry

Ma Xiaofei,1,2,3, Ma Yalu1,2,3, Gao Hongling1,2,3

通讯作者: 马骁飞,Email: wentao_zhao@tju.edu.cn

收稿日期: 2020-04-14   接受日期: 2020-05-6  

基金资助: 2020年天津市普通高等学校本科教学质量与教学改革项目.  B20100560

Received: 2020-04-14   Accepted: 2020-05-6  

Abstract

In view of the obvious differences in chemistry basis, the ability of theoretical and laboratory connection, and the level of laboratory skills among the freshmen with chemical-based majors, the teaching team of inorganic chemistry of Tianjin University has constructed multi-dimensional information laboratory resources of inorganic chemistry including classroom demonstration experiment, online opening of laboratory course, experimental safety management and education, and the production and application of virtual simulation experiment. Those resources have been applied to the teaching practice of inorganic chemistry, which could solve the difficulties of students in the learning process and improve the teaching effect and efficiency.

Keywords: Inorganic chemistry ; Information laboratory resources ; Blended laboratory teaching ; Teaching quality

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马骁飞, 马亚鲁, 高洪苓. 多维度信息化无机化学实验的资源构建与教学实践探索. 大学化学[J], 2021, 36(2): 2004061-0 doi:10.3866/PKU.DXHX202004061

Ma Xiaofei. Construction and Teaching Practice of Multi-Dimensional Information Laboratory Resources of Inorganic Chemistry. University Chemistry[J], 2021, 36(2): 2004061-0 doi:10.3866/PKU.DXHX202004061

无机化学是天津大学化工、制药、食品、生物、应化、材料、环境、生命、药学、化学等十余个涉化类专业的大一新生的第一门化类基础课。每学年上下两学期开出,受众学生1300余人。针对学生个体间的化学基础、理论与实验联系能力和实验操作水平差异很大,以及学习元素化学重死记硬背、轻理解运用等问题,我们在无机化学理论教学环节中,注重无机化学原理内容与演示实验相结合;元素化学内容与操作实验及化学原理相结合。在多年的教学实践中,无机化学教学团队积累了丰富的实验资源,一定程度上解决了学生个体的差异化问题,提高了教学质量和效率[1]

无机化学课堂教学的教师也是无机化学实验课程的指导教师,较方便地实现了课程与实验相结合的系列教学改革。依托化学化工国家级实验教学示范中心(天津大学)平台,无机化学教学团队构建了无机化学实验的综合性电子资源,涵盖了课堂演示实验的视频和讲义、在线开放的实验视频与讲义、实验安全教育视频、虚拟仿真实验的制作、测试题库、美丽化学视频等方面,并在教学实践中进行了以下几个方面的探索。

1 演示实验资源的信息化建设与应用

课堂演示实验是一种直观教学活动,在我们传统的无机化学课堂上,课堂演示是必不可少的教学环节。面对师生人身安全考虑和教学场所的环境要求,无机化学课堂演示也逐渐淡出课堂。如何将生动形象的演示实验再现课堂,给学生直观体验呢?演示实验经历了由课堂实物演示到课下演示并制作成视频资源的演变,由开始的flash动画到后来的实物实验视频,而且视频的可视性逐步提高;载体由课堂演示,到移动硬盘或U盘在课堂放映,再到云平台课堂下载后观看。目前的演示实验资源(如图 1所示)可以在线课程平台上发布,供学生课前学习。天津大学第五版的无机化学教材为新形态教材,在教材的相关内容处提供了二维码,方便学生通过微信扫描二维码随时观看演示实验资源。演示实验的演变过程,可谓是信息化教学发展的一个缩影。

图1

图1   信息化演示实验资源的应用


我们与超星公司合作开发信息化演示实验资源60余项,涵盖无机化学课程各个章节,特别是原本不方便在课堂上进行的演示实验,现在也可以实现线上演示。比如“氢、钠、汞等原子光谱实验”“用电磁铁装置定性地测定Fe2(SO4)3和K4[Fe(CN)6]的磁性”“用静电起电器测定水和四氯化碳的极性”“火山爆发(重铬酸铵加热分解)”等演示实验,大大扩展了演示实验的内容。学生在学习过程中随时可以了解与课程相关知识点对应的实验现象,保障了课堂与实验环节的无缝对接。同时学生可以根据个人情况自主选择学习内容和频次以弥补个人基础知识上的不足。

目前,我们将演示实验的视频和一些矿物图片等资源发布到中国大学MOOC平台,与无机化学课程配套并同步,供本校师生和社会学员在线学习使用,不断更新的演示实验资源弥补了无机化学在线教学中缺少实验环节的不足[2]。新形态教材也是演示实验资源的有效载体,对资源建设与积累起到了促进作用。新冠疫情时期,由于线下实验无法开展,这些演示实验资源在帮助学生理解化学原理和元素、化合物性质方面发挥了更大的作用。2016年我们还积极参与“十三五”高等教育科学研究重大攻关课题——无机化学在线开放课程群的资源建设(16ZG004–13)。天津大学为无机化学在线开放课程群贡献了22个演示实验视频和39张矿物图片资源,与全国兄弟院校分享优质在线资源。

2 无机化学实验MOOC资源建设与应用

无机化学实验作为一门独立课程,以无机物的验证、测定和制备实验为载体,训练学生实验基本操作和技能,培养实事求是的科学态度、良好的科学素养、科学的思维方法及综合运用所学知识分析问题和解决问题的能力,为后续的课程和实验教学打下良好基础。

2.1 无机化学实验在线课程资源的建设

我们与智慧树合作,将化学实验的基础仪器操作和教学实验内容录制成教学视频,将实验原理、关键步骤和注意事项等进行详细讲解,共计17个信息化教学实验项目,与线下实验课程内容一一对应(见表 1);此外,还有3个创新实验项目,来自于卓越杯化学新实验设计赛的获奖作品,作为实验拓展资源。这些信息化实验课程分为两个学期在中国大学MOOC平台上线,供学生学习使用。每个实验内容包括:20分钟左右的视频讲解、实验讲义、实验课件PPT、单元测试、单元作业和期末考试(仅供社会学员使用,对于本校学生则需进行线下实验的操作测试)等在线资源。每个视频讲解包括实验目的、基本原理、基本操作、实验过程、实验现象和操作错例等内容。表 1详细列出了天津大学在中国大学MOOC平台所开设的“无机化学实验(上、下)”的实验内容。

表1   中国大学MOOC平台所开设的“无机化学实验(上、下)”的实验内容汇总

序号《无机化学实验》(上) (25学时)序号《无机化学实验》(下) (25/45学时)
1单、多相离子平衡1硫代硫酸钠的制备(理科)
2去离子水的制备2[CoCl(NH3)5]Cl2合成及水合反应kEa的测定
3CuSO4·5H2O的制备3三草酸合铁(Ⅲ)酸钾的制备
4摩尔气体常数的测定4三草酸合铁(Ⅲ)酸钾磁化率测定(理科)
5氧化还原反应物5磷系列化合物的制备(理科)
6物质结构和性质的关系6p区非金属重要化合物的性质
7硫酸亚铁铵的制备7p区金属元素重要化合物的性质
8创新实验:稀土发光材料——铕(Ⅲ)、铽(Ⅲ) β-二酮配合物的制备及表征8d区重要化合物的性质
9ds区重要化合物的性质
10混合阴阳离子的分离和鉴定
11创新实验:纳米TiO2的制备及其光催化性能的评价
12创新实验:不同构型四配位Ni(Ⅱ)配合物的制备与磁化率的测定

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2.2 利用在线课程资源开展混合式实验教学

混合式教学是一条有效补齐基础知识差异、提高学生实验技能、培养实验素养的新途径。2019年天津大学“无机化学实验(上、下)”在线开放课在中国大学MOOC平台上线,并利用慕课堂智慧教学工具在本校无机化学实验教学中开展混合式教学模式探索。学生可以在课下重复观看实验内容和实验操作微课视频,直至理解和掌握;师生还可以在平台上答疑解惑和讨论。这种课下预习与课上实践操作环节相结合的混合式教学模式,既可以满足学生个性化的学习需求,又可以体现出以学生为中心的教育理念。

图 2列出了无机化学实验混合式教学模式。先导课明确课程要求和说明平台使用方法。学生在线学习实验视频,视频中适时插入预习思考题,以备学生思考后作答。预习后在线完成单元测试(客观题)和单元作业(主观题),前者系统自行批改、后者教师在线批改;每部分各占总评成绩10%。学生们课前预习工作基本都能完成,并写出规范的预习报告。指导教师通过教学平台进行答疑,根据自学统计数据,很容易追踪学生课下预习实验的进度、完成情况以及存在的问题。在实验课上,通过慕课堂智慧教学工具进行5分钟的课前测,然后是师生互动,主要针对实验中容易出现的问题和实验原理与学生讨论,大约25分钟。课上完成实验操作和实验记录,课后在预习报告的基础上整理出完整实验报告并上交,实验报告成绩占总评成绩50%。期末线下考试占总评成绩20%,主要考核学生综合运用知识的能力,无机化学实验(上)采用平衡原理综合实验来测试,无机化学实验(下)采用混合离子的鉴定实验来评价。对于单元测试、单元作业和课前测累积占总评成绩30%,主要是为督促学生自主学习、过程学习、高效完成实验预习。

图2

图2   无机化学实验进行混合式教学的模式


对元素化学的验证性实验采用开放实验。学生经网上通过预习,预约时间,按时到开放实验室进行实验。考虑到元素化合物的多样性,反应之间的关联度高,鼓励学生在教学内容之外,利用实验室的药品可自行设计书本上没有的反应实验,进行一些创新设计实验,加深对元素化合物性能的理解。学生仍要完成线上自学过程,单元作业中体现学生的自己设计方案。

在教学实践中,我们有意识地强化制备实验内容,增强典型单元操作的反复训练与掌握,学生对实验结果有期待感和成就感。七个制备实验分别是去离子水、硫酸亚铁铵、三草酸合铁(Ⅲ)酸钾、二氯化一氯五氨合钴(Ⅲ)、五水合硫酸铜、硫代硫酸钠(理科)、磷系列化合物(理科)的制备。在线实验视频资源中基本覆盖了加热(包括水浴加热)、溶解、倾泻、过滤(包括减压过滤、热过滤)、离心、蒸发、浓缩、结晶、干燥等基本操作,有利于学生在实验过程中进行基本实验和单元操作的能力训练。

2.3 教学效果

(1) 解决差异化教学难题。

由于地域差异和高考改革等因素影响,不同地区在高中阶段开设化学课的情况不同,学生的化学基础也不尽相同。学生高中的基础和实验操作基本情况差别很大,从实验进度就可以明显得到体现,比如:去离子水制备实验(4学时),有的学生2个学时就能完成所有实验任务,而有的学生2个学时勉强把阳柱、阴柱和混合柱安装连接完成。在线实验课程资源的建立,学生可以根据自己基础知识和理解能力进行自主学习,解决了差异化实验教学难题。

(2) 提升预习效果和课堂效率。

重复性的实验操作演示由线下搬到线上,由课上迁移到课前,由课本的文字变成了鲜活的视频,而且学生有时间消化理解或者反复学习,实验的预习效果和效率大大提升。实验课上,节约的讲解时间转化为互动讨论,提高了学生对实验的理解、与知识点的结合以及自己设计实验方案的实践。指导教师将实验重点或难点设计成思考题,让学生就问题展开讨论,强化实验内容的认识和理解。

(3) 学生能力提升。

观看视频预习、课堂展开讨论以及考核评价体现出学生参与教学活动的积极性、自主学习能力、完成实验操作的水平、实验创新与交流表达的能力都得到显著提高。

3 实验室安全信息化资源建设与应用

化学是以实验为基础的学科,实验课是化学教学过程中不可缺少的重要环节。实验室的安全有序管理是无机化学教学正常进行的基本保证,应强化实验中心教师信息化安全意识,提高实验室安全管理及服务水平。在天津大学资产处的推动下,已建成实验室有毒易燃气体远程监控报警联动装置和实验场所监控系统,完善化学药品采购、使用(台账)和回收全流程网络信息化管理,对实验管理的信息化建设无疑可以提高实验教学安全的保障水平。

对入校新生进行化学实验室安全教育,是化学教师的责任[3]。实验中心教师主动收集素材,自己拍摄、学会剪辑、配音DIY制作了新版的“实验室安全教育”,将难于用语言精确表述的实验安全操作和实验室安全技术等教学内容制作成教学微视频。在无机化学实验的先导课上,对全部化类专业新生进行化学实验的安全培训。在安全教育过程中,介绍化学实验室的防火、防爆、防毒、防灼伤烫伤、防触电等安全防护措施,包括喷淋、洗眼器的使用、实验事故应急方法。我们将化学试剂的取用、存放以及化学基本单元的正确操作摄录下来,并将近年来的化学实验室突发事件分类剪辑制成教学短片,将事故危害和后果展示给学生,并分析事故发生原因。目的在于教育学生要严格遵守实验操作规范,清除不安全因素,避免各类事故的发生。此外,要求学生通过天津大学资产处网上实验室安全准入考试,为学生进入实验室提供安全保障。信息化实验室安全资源鼓励、引导学生运用所学化学知识去消除实验安全隐患,认真对待实验过程,保障实验安全、高效地进行。

4 虚拟仿真实验教学资源的建设与应用

借助国家级化学化工虚拟仿真实验教学中心(天津大学)平台,在无机化学实验教学应用中,构建“虚实结合、相互补充”的虚拟仿真实验教学项目。例如,在“[CoCl(NH3)5]Cl2配合物的制备、水合反应速率及活化能的测试”实验中,需要用到浓氨水和浓盐酸,不得不采用微型实验装置,但是仍然会在实验室中存在刺激性气味;而且由于得到的产品数量较少,在后面的水合反应速率及活化能的测试实验中,只能在两个温度下测定,限制了实验内容的拓展。通过编写虚拟仿真实验“脚本”,与欧倍尔公司对接,将“脚本”转化为能够满足实验教学要求的虚拟仿真实验。拓展虚拟仿真实验教学内容,实现参与虚拟仿真实验教学的评价、互动等工作。该虚拟仿真实验(图 3)已经供应用化学(理)专业的学生课前预习使用。实验测定在不同温度下测定水合反应速率,用线性拟合方法确定活化能;并与实体实验的结果对比,并分析评价,实现虚实结合。接下来该虚拟仿真实验将供更多专业的学生使用。教学实践证明,虚拟仿真实验不能完全代替线下实验,但是可以作为线下实验的有效补充。

图3

图3   虚拟仿真实验案例


5 结语

以学生为中心,借助现代化的实验教学手段,无机化学实验教学资源的信息化建设在我校不断完善,并自成体系,逐步实现了天津大学无机化学实验教学资源“数字化、网络化、智能化”。将现代教育技术与经典实验操作有机结合,优化无机化学实验教学;培养了学生的实验创新能力,我校在“卓越杯”和全国大学生化学新实验设计赛中连创佳绩,所开发的实验视频资源又可以反哺信息化实验资源,补充到MOOC资源库中供学生使用。在新冠病毒防疫时期,线下实验难以开展,这些信息化实验教学资源对于学生的无机化学学习起到了雪中送炭的重要作用。最后,我们想通过构建支撑国家级在线开放课、在线实验课、国家级实验教学中心和虚拟仿真中心(或项目)为一体的信息化大平台,将无机化学课堂教学和实验环节有效结合,全面提升人才培养质量。

参考文献

马骁飞; 马亚鲁; 田昀; 秦学; 高洪苓; 刘华姬; 鲁凡丽. 大学化学, 2018, 33 (11), 15.

DOI:10.3866/PKU.DXHX201806026      [本文引用: 1]

马骁飞; 马亚鲁; 田昀; 秦学; 高洪苓; 刘华姬; 鲁凡丽. 大学化学, 2020, 35 (5), 29.

DOI:10.3866/PKU.DXHX202002060      [本文引用: 1]

朱莉娜; 邵松雪; 弓保津; 沈海云; 商闯. 大学化学, 2018, 33 (6), 21.

DOI:10.3866/PKU.DXHX201802005      [本文引用: 1]

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