大学化学, 2021, 36(9): 2106039-0 doi: 10.3866/PKU.DXHX202106039

教学研究与改革

分析化学课程群建设探索

陈明丽, 于永丽, 杨婷, 赵爽, 杨春光, 白俊杰, 王建华,

Practices for Constructing Courses of Analytical Chemistry

Chen Mingli, Yu Yongli, Yang Ting, Zhao Shuang, Yang Chunguang, Bai Junjie, Wang Jianhua,

通讯作者: 王建华, Email: jianhuajrz@mail.neu.edu.cn

收稿日期: 2021-06-16   接受日期: 2021-08-5  

Received: 2021-06-16   Accepted: 2021-08-5  

Abstract

Analytical chemistry teaching team in Northeastern University constantly improves and explores new educational and teaching patterns. In the teaching of analytical chemistry theory course, the online and offline mixed teaching and bilingual teaching were implemented, and the ideological and political elements were integrated with contents of analytical chemistry. Analytical chemistry laboratory teaching is carried out using the MOOC platform and virtual simulation teaching project. On the basis of enhancing students' professional knowledge and training ability, students are trained to establish a rigorous and practical scientific attitude, and their patriotic feeling is enhanced.

Keywords: Analytical chemistry ; Course construction ; Blended teaching ; Virtual simulation ; Course ideology and politics

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陈明丽, 于永丽, 杨婷, 赵爽, 杨春光, 白俊杰, 王建华. 分析化学课程群建设探索. 大学化学[J], 2021, 36(9): 2106039-0 doi:10.3866/PKU.DXHX202106039

Chen Mingli. Practices for Constructing Courses of Analytical Chemistry. University Chemistry[J], 2021, 36(9): 2106039-0 doi:10.3866/PKU.DXHX202106039

教育为本,德育为先。人类社会需要通过教育不断培养社会所需人才,需要通过教育来传授已知、更新旧知、开掘新知、探索未知[1]。2019年,教育部印发了《关于一流本科课程建设的实施意见》,其中明确提出,要落实立德树人根本任务,深入挖掘各类课程和教学方式中蕴含的思想政治教育元素,建设适应新时代要求的一流本科课程。提出了让课程优起来、教师强起来、学生忙起来、管理严起来、效果实起来的系统部署[2]

分析化学课程是化学专业学生的基础课和核心课。东北大学分析化学教学团队秉承以学生成才为中心的理念,在高度重视教学方法和教学理论的同时,更注重教师自身能力的培养和团队建设。坚持新教师助教制度和团队教师互相听课的传统,组建了由博士导师带头的教学团队。教学团队中老中青教师结合,年龄有梯度,教学方法和教学理论有传承,这为分析化学教学改革的可持续发展提供了有力保障。在"互联网+教育"的大背景下,教学团队不断地丰富和改进教学内容和教学模式。分析化学课程设计了开放式教学体系,开展线上线下混合+双语教学模式,使学生从被动学习转变为主动学习,达到对知识点的深入理解与灵活运用。开放式实验教学体系依托中国大学MOOC (massive open online course)平台和化学实验室情景互动式虚拟仿真项目开展教学,使学生更加方便地学习和掌握实验操作。化学安全教育仿真实验是依据实验室实际布局构建的一个高仿真度的、高交互操作的、全程参与式的、可提供实时信息反馈与操作指导的场景,可以使学生更直观地"看见危险,做到安全"。此外,教学团队将思政元素与分析化学课程内容进行有机融合,帮助学生树立严谨求实的科学态度、恪守实事求是的基本原则,在提升专业知识水平和拓展思政理论知识的同时,开展社会主义核心价值观教育、职业理想和职业道德教育。

1 以学生为中心,分析化学课程教学改革

在信息技术和互联网高速发展的今天,传统的线下教育模式不能适应高校教育内涵式发展和人才培养的新要求。MOOC、SPOC (small private online course)和翻转课堂等新型的教育模式因打破了传统课堂的局限,满足了学生随时随地通过互联网学习的需求,更容易被当代大学生所接受[3]。教育界有句名言:告诉我,我会忘记;演示给我,我会记住;让我参与,我会理解。为了使学生全面系统地掌握分析化学的基本理论和定性定量分析方法、使学生树立正确的量的概念、学会科学地处理分析实验数据并对分析方法进行评价,分析化学课程采用了线上线下混合+双语的教学模式(图 1)。

图1

图1   分析化学课程线上线下混合+双语教学体系


2015年9月,分析化学教学团队历时两年制作的分析化学MOOC在中国大学慕课网站上线,并于2017年被教育部评为首批国家精品线上课程。鉴于在线开放课程面向的群体广、需求多样性的特点,分析化学MOOC课程涵盖理论知识和实验课程两大板块内容。理论知识板块共分11章,每章以知识点为中心,将教学内容化整为零,为学生提供时长为8–15分钟的视频教学单元,共计64个,视频短小精练,知识点涵盖广,重点难点着重讲解,脉络清晰,体系明确,具有适当的知识扩展,易于学生接受。实验课程板块精选容量分析实验、重量分析实验和分光光度实验等,制作了6个分析化学经典实验操作视频。视频内容重点突出,覆盖全面。

分析化学MOOC课程还设置了11个章节的习题库,每一个题库都具有相当数量的测试题,测试模式为随机抽题,由系统自动评分。学生可以在自学一章后,及时进行查缺补漏,有助于构建完整的知识体系。通过设置公共讨论区和教师讨论区来实现教师与学生,以及学习者之间的零距离交流与讨论,打破时间与空间的限制。此外,课程通过"过程跟踪+期末测评"的多级测评,尽可能全面地对学习者给予评价,实现过程化学习、过程化监督。借鉴"翻转课堂"的教学模式,在线下的课堂教学中,增加了讨论课。教师在完成每章的讲授之后,针对重点难点提出5–6个问题,学生自行分组讨论。学生在对选题进行充分的调研之后,结合课上所学知识走上讲台,以PPT的形式向同学老师进行汇报和分享。讨论课的设置不仅培养了学生团队合作的精神、查阅文献的能力,也锻炼了学生利用所学知识处理和分析实际问题的能力。由于采取了混合教学模式,教师可以将在线教育技术有针对性地融入到线下的课堂之中,为学生提供了一个自主学习、自由探索的新平台。

分析化学MOOC课程在中国大学慕课网站上线以来,对内,配合东北大学多个学院多个专业的分析化学教学,获得了包括应用化学、生物工程、冶金工程、环境科学、矿物工程、安全工程、环境工程、资源循环科学与工程等在内的众多本科专业学生的欢迎,课程被评为2017年第一批"东北大学校级慕课""东北大学2016–2017学年度优秀网络课程";对外,课程服务于国内多所高校以及社会学习者,至今服务总人数逾4万人次。

为提高学生的专业英语能力,拓展学生的国际化视野,自2018年,分析化学课程逐步开展双语教学。课堂教学中采用全英文课件,授课中引入雨课堂平台,学生可以实时接收老师的课件,方便学生的课后复习,并且针对英文授课的内容,采用了全英文的考试卷,帮助学生提高课程掌握程度。在完成每章学习后,进行课上测验,测验成绩即时给出,使教师和学生及时了解课程学习情况,实行过程化学习。另外,东北大学分析化学国际化课程"Analytical Chemistry"于2020年6月在学堂在线平台上线运行。通过国际化课程教学,教师在讲授分析化学专业知识的同时,训练学生的英语思维。经过双语学习的训练,使学生具有一定的学习全英文课程的能力,为将来进行更深入的专业学习打下了良好的基础。在课堂学习之外,学生可以线上学习分析化学国际化课程,学习不受时间和地点的限制,拓展了学习的时间和空间。

课程运行中,团队持续开展课程建设,发表多篇教学论文,编写与课程配套的实验教材1部,参与翻译国际经典分析化学教材1部。以分析化学相关课程为依托,教学团队组织设计的课程内容和改革方案,获得2019年东北大学优秀本科教育教学案例评比一等奖两项,获得2018年东北大学教学成果一等奖和2020年辽宁省本科教学成果一等奖各一项。

2 理论联系实践,分析化学实验课程建设

分析化学是一门实验性学科,因此,要求学生在掌握理论知识的基础上,必须正确掌握分析化学实验的基本操作和实验技能。传统的实验课教学存在以下缺点:教学形式单一刻板,学生的接受程度较差;部分学生对实验课不重视,课前预习不认真;学生无法在课堂外了解和学习准确规范的实验操作。为此,教学团队改变传统分析化学实验教学模式,为学生创造主动学习的条件和环境,培养学生自主学习和独立思考的能力。为开展实验课的线上教学,教学团队建设了分析化学实验SPOC课程,该课程于2018年3月在中国大学慕课网站上线。2020年3月,分析化学实验MOOC课程上线。课程内容主要包括化学实验室安全知识、14个实验操作和9个实验课件视频、实验项目测验等。依托线上课程,课程实行了混合教学,具体教学过程包括线上自学和线下混合教学(图 2)。在线上自学中,要求学生首先学习化学实验安全知识,针对某个实验项目,学习相关的视频和课件,在此基础上,撰写实验预习报告。对于学生线上学习的情况,教师通过网站后台调取数据,并进行分析和总结;在线下混合教学中,学生首先在手机上登陆中国大学MOOC平台,完成相关实验项目的测验(成绩计入学生课程总成绩),然后教师和学生开展课堂讨论,讨论由学生主讲最后学生动手开展实验,教师查看学生的操作情况,给与必要的指导。

图2

图2   线上线下混合分析化学实验教学体系


相比单一的线下教学,实行混合教学后,学生对实验项目内容的理解更清楚,实验操作技能掌握得也更好。多元化的教学手段提高了学生学习的兴趣,线上学习满足了学生利用碎片化时间进行预习和复习的需求,达到了使学生可以自主学习和长期学习的目的,使得实验教学事半功倍。

3 化学安全教育,虚拟仿真项目的建设与实践

化学实验安全是全世界高校面临的共性问题,提升化学实验安全教育水平也是时代发展的必然要求。化学实验室事故往往具有不可预知性、不确定性,防范和处理稍有不当就可能酿成悲剧。基于此,东北大学化学实验教学中心以给学生上好第一节化学实验课为目标,坚持"虚实结合、能实不虚"的原则,开发了化学实验安全教育虚拟仿真软件,并在2019年被教育部认定为国家级示范性虚拟仿真实验项目。该项目通过沉浸式虚拟仿真学习和实景模拟操作,让学生直观地"看见危险,做到安全"(图 3)。化学实验教学中心还开设了化学实验安全教育(专业必修)、化学安全与防护(通识选修)两门安全相关课程及虚拟仿真实验教学项目,用于化学实验安全教学。

图3

图3   虚拟仿真项目体系


化学实验安全教育虚拟仿真项目设计了不同的教学单元,教学单元从环境到设备、从仪器到管理、从消防到逃生,面面俱到,点点兼顾。主要包括以下知识点:(1) 通过三维情景式虚拟仿真环境,对危险化学品进行介绍与学习。(2) 化学实验室"三废"处置,包括废液、废气和废固,尤其是化学相关"三废"处理等知识的介绍。(3) 化学实验装置与安全,包括化学实验中使用的有一定危险性的加热设备和水电煤气等内容。(4) 实验室环境与管理,包括在虚拟仿真情景下对化学实验室环境和相关器皿的认识等。(5) 综合上述学习单元,在实景仿真环境下,逐个房间排查安全隐患,包括化学品的使用、仪器装置的放置、安全设施的正确操作等,如果操作不当会有"爆炸""着火"等严重后果。本单元是对学习内容的检验和考核,也是对操作不当引起后果的实景模拟警示。(6) 火灾逃生、消防器材使用、实验室灭火及安全自救等参数化虚拟实训,在3D实景情况下模拟火灾发生的危险情况,演练逃生和自救方法。

化学实验安全教育虚拟仿真实验项目,不仅给学生提供了演练的平台,也给学生提供了更直观的误操作后果实景。例如,在虚拟仿真的逃生和操作单元中,最严重的误操作后果有"爆炸"和"死亡"等三维实景虚拟情景。化学实验安全教育项目贯穿整个学习过程,可学、可练、可测、可自学、可教学、可考评,环环相扣,让使用者身临其境、全程参与,既能体验学习正确的操作方式,也能真实感受操作失误造成的严重后果。在本校化学及20多个相关专业70个班级近2000名学生中进行了试用之后,受到教师与学生的高度评价。学生反映,过去的安全教育只是看与考,提不起兴趣。现在的安全教育我们不但能够参与,还能"动"起来;"我们不但是学习者,还是安全检查员";"身临其境让我们知道了过去身边不注意的安全隐患,受益匪浅"。

4 立德树人,分析化学课程学风和思政建设

2016年习近平总书记在全国高校思想政治工作会议上强调"要坚持把立德树人作为中心环节,把思想政治工作贯穿教育教学全过程,实现全程育人、全方位育人[4]。"如何将分析化学课程与学科中的思政元素和相关素材进行有机融合,达到同向同行的协同效应是决定思政教育传递效果的关键因素。教学团队利用分析化学学科相关的思政元素,与时俱进地开展学风建设,实行学术道德教育,加强学生学术道德素养的培养,为学生从事科学研究打下坚实的基础。

4.1 坚持诚信教育,树立良好学风

分析化学教学团队将立德树人融入课程教学中,在人才培养的各个环节,高度重视学风和学术道德建设,主导开展的学术诚信教学活动,在基层学术组织和党支部持续开展了10多年。学术诚信教学活动以学习邹承鲁院士撰写的《我的科学之路》为起点,通过学习、讨论和实践等多种方式,结合高年级学生在毕业设计/论文中的实际情况,不断普及和强化学术诚信教育,达到对课程教学的最有力补充。学生在参加完学术诚信教学活动之后表示,邹承鲁院士勤奋的学习态度、扎实的知识基础、独特的创新思维和求真务实的品德使他们受益匪浅,并指引他们认真投入到科研当中。

4.2 分析化学课程思政实践

在分析化学课程的授课过程中,教师通过口头讲授、PPT、视频等种形式,将授课内容与社会主义核心价值观教育、职业理想和职业道德教育相结合,从而将思政案例引入到课堂,使学生树立正确的价值观、人生观和世界观。在误差与数据处理这一章中,涉及到有关绝对误差、相对误差等多个与测量值、真实值有关参数的概念。真实值是指物质本身具有的客观存在的真实数值,由于真实值是很难得知的,因此通常将理论真值、计量学约定真值或相对真值当作真值使用。在本章的授课过程中,向学生讲述了我国科学家梁树权先生的事迹。1940年,梁树权先生精心制备所有的试剂并采用重量法反复测定,确定铁的原子量为55.850。在其发表论文的次年,国际原子量委员会根据该数值修订了铁的相对原子质量为55.85。通过对梁树权先生事迹的介绍,一方面可以增加学生的文化自信,同时也向学生传递了坚持严谨求实的科学态度的重要性。

基于分析化学知识体系中蕴含的辩证哲学内容,引导学生以辩证思维思考和解决问题。以滴定分析实验为例,要做到"透过现象看本质"。在滴定过程中,被滴定体系的颜色会随着加入滴定剂含量的增加而发生变化,可以借助指示剂来判断滴定终点。在以甲基橙为指示剂的酸碱滴定实验中,观察到溶液颜色在红色与黄色之间的突变现象。其本质为在化学计量点附近,随着溶液pH的变化,甲基橙的红色醌式形体与黄色偶氮式形体浓度之比改变,从而导致溶液颜色的突变。此外,在做实验的过程中,要求学生对废液进行分类、分实验项目收集。在实验室划分出废液区并且定位标识,帮助学生建立废液处置规范化意识和习惯,增强学生的环境保护和绿色发展意识,引起对家园生态文明建设的共同关注[5]

5 科研反哺教学,全方位培养创新型人才

分析化学是一门实验性学科,样品的分析检测是分析化学的重要实践内容。以实际样品为出发点,从样品预处理到分析检测,是一个完整的分离分析过程,对这个过程涉及的理论与技术的学习和掌握,是对分析化学课程内容的提炼和内化,是学以致用的重要体现。从2008年,基于科研项目和科研成果,教学团队对应用化学专业的本科生开设了"样品预处理方法与技术"课程,开设本课程的目的在于使学生在经过了化学基础课学习之后,进一步学习和掌握分析化学有关的理论知识和实验技能,掌握对复杂样品、实际样品进行分离和分析的手段,为将来从事和分析相关的科研和生产工作打下一个坚实的基础。比如,该课程的实验教学部分包括环境水样中除草剂的分离测定,食品中防腐剂的分离测定等,使学生清楚地了解到针对某个种类的实际样品,如何选择合适的分离测定方法,并在目前存在的方法上如何去创新使其效率提高。

此外,基于我校分析化学团队在流动分析领域的研究成果处于国际领先水平,结合流动分析领域的研究工作,选取在国内/国际同领域前沿方向的科研成果,为我校本科生开设了"现代分析化学专论"课程,课程涵盖了流动注射分析,二代流动注射分析–顺序注射和三代流动注射分析–顺序注射-阀上实验室等相关系列内容。以前沿科学研究为背景,讲授以流动进样为基础的现代分析化学方法和理论,并开设了具有我校分析化学领域研究特色的实验项目,该课程的设置在国内同类高校中属于首例。

化学是一门实践性很强的学科,创新型人才的培养更需要有高水平的实验项目作为依托。近十年,分析化学教学团队在本科生创新型人才培养方面不断探索,注重学生个性化发展,同时强调对学生创新思维的训练和综合能力的培养。本科常规教学实验多数是验证性实验,教学团队为了使学生更加熟悉科研、走近科研,在分析化学实验中增加了自主设计实验。学生自行组队,每组两人,在教师拟定的备选实验中选择自己感兴趣或者想进一步探索的实验项目(氟苯胺的邻、间、对三种异构体的分离及检测条件的优化、原子吸收法测定水样中Cd2+的含量并评价方法的准确度和精密度、原子荧光分光光度法测定水样中的铅和条件实验、纳米金修饰电极测定水合肼等)。选择实验项目后,学生通过查阅资料,了解实验背景、目的及意义等,自主设计实验方案。学生在完成实验方案的设计后与指导教师进行讨论,在方案可行、实验室条件允许的情况下即可开展实验。自主设计实验的安排不仅提高了学生学习的积极性和主动性,而且通过让学生全程参与选题、实验方案的设计、实验操作及实验报告的撰写过程,激发了学生对于科研的兴趣,在实践中实现对知识的内化和升华,培养学生创新思维和分析综合的能力。

多年来,东北大学在本科生培养中实行高年级导师制,开展并实施大学生创新实验项目,培养学生创新能力。这些举措不仅丰富了教师培养学生的经验,而且更适合当今社会对创新人才的需求。分析化学教学团队围绕着流动分析与联用技术、微/纳流控分析、生命分析化学、纳米分析与传感、样品预处理理论与技术、光谱与成像分析等研究方向,通过言传身教,指导本科生从事科学研究工作,鼓励和支持学生积极参加不同类型、不同水平的科技竞赛。

6 结语

以学生为中心,基于学生的学习需求所进行的教学模式改革,为学生提供了丰富多样的学习资源,学生取得了最佳学习效果,实现了创新思维培养的目标。教学实践结果表明,线上线下混合+双语的教模式、虚拟仿真项目的引入、思政元素的自然渗透、多级考评的设置等,在满足学生个性化学习的基础上,极大地激发了学生学习的积极性和主观能动性,为国家一流课程的内容建设提供了参考。

参考文献

习近平致清华大学苏世民学者项目启动仪式的贺信. [2013-04-21]. http://politics.people.com.cn/n/2013/0422/c1024-21222123.html

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关于一流本科课程建设的实施意见. [2019-10-30]. http://www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7056/201910/t20191031_406269.html

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于永丽; 徐烨; 刘梅英; 赵爽; 杨春光; 陈明丽. 实验室科学, 2018, 21 (6), 141.

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习近平在全国高校思想政治会议工作上的发言. [2016-12-09]. http://dangjian.people.com.cn/n1/2016/1209/c117092-28936962.html

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可迪; 陈明丽; 杨婷; 于永丽; 赵爽. 广州化工, 2020, 48 (22), 229.

DOI:10.3969/j.issn.1001-9677.2020.22.079      [本文引用: 1]

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