大学化学, 2022, 37(2): 2109067-0 doi: 10.3866/PKU.DXHX202109067

专题

综合性化学实验的线上线下混合式教学——以水泥分析为例

曾秀琼, 徐孝菲, 委育秀, 蔡吉清,

Online and Offline Mixed Teaching of a Comprehensive Experiment: Analysis of Cement Clinkers is Used as an Example

Zeng Xiuqiong, Xu Xiaofei, Wei Yuxiu, Cai Jiqing,

通讯作者: 蔡吉清, Email: caijq@zju.edu.cn

收稿日期: 2021-09-24   接受日期: 2021-09-27  

基金资助: 2021年浙江省高等学校课程思政教学研究项目.  2021–2023
浙江大学2021年度校级第一批MOOC建设项目
2020年浙江大学一流本科专业综合改革项目
浙江大学化学系第十二期教学改革研究重点项目.  2020–2022
浙江大学2021年度第二批本科课程思政建设项目

Received: 2021-09-24   Accepted: 2021-09-27  

Abstract

Analysis of cement clinkers is a traditional comprehensive experiment that involves the theory and practical application of gravimetric analysis and complexometric titration. Based on several internet platforms, online and offline mixed teaching was explored for effective experimental instruction, a shortened lecture time, and fairly graded experimental data. This method strengthens students' overall accomplishments, pre-lab study abilities, and innovative spirits, while the quality of teaching and impact have improved.

Keywords: Comprehensive experiment ; Mixed teaching ; Cement clinker ; Gravimetric analysis ; Complexometric titration

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本文引用格式

曾秀琼, 徐孝菲, 委育秀, 蔡吉清. 综合性化学实验的线上线下混合式教学——以水泥分析为例. 大学化学[J], 2022, 37(2): 2109067-0 doi:10.3866/PKU.DXHX202109067

Zeng Xiuqiong. Online and Offline Mixed Teaching of a Comprehensive Experiment: Analysis of Cement Clinkers is Used as an Example. University Chemistry[J], 2022, 37(2): 2109067-0 doi:10.3866/PKU.DXHX202109067

化学是一门实验/实践学科,化学实验教学在培养高素质大学生中起着举足轻重的作用。为了更好地提高学生自主学习积极性,强化学生综合实验能力,各高校都开展了一系列的教学改革,特别是探索了互联网+的教学模式,其中线上线下混合式教学发挥了重要作用[15]

综合性化学实验的开展能培养学生的创新意识和全方位实验技能[69]。但在教学实践中,由于综合性实验项目涉及知识点较多、操作较为复杂,指导教师往往要花很多时间来讲解理论或者演示操作,使得学生自主实验的时间很少。近3年多来,我校依托多个互联网+平台,在综合性化学实验中开展了一些教学实践,通过融入课程思政元素、强化课前自主学习、缩短讲解时间、增加自主实验等,提高了学生的整体素质和综合创新技能,取得了较好的效果。下面以水泥熟料分析实验为例进行说明。

1 教学分析

1.1 教学内容与目标

重量分析和配位滴定是化学分析实验中的重要组成,其中综合性实验“水泥熟料分析”对水泥熟料进行的全组分分析[1012],就是重量分析和配位滴定的一个典型实例。我校采用的分析方法源自国标,所涉及的实验内容和项目很多[13],概括如下:采用NH4Cl-强酸法分解水泥熟料试样;采用常压过滤分离不溶物和试液;将不溶物高温灰化并恒重以测定SiO2含量;pH 1.8–2.0时,以磺基水杨酸为指示剂,用EDTA标准溶液滴定试液得到铁含量;采用返滴定法测定铝含量,定量加入过量的EDTA标准溶液,再以CuSO4标准溶液进行返滴定;pH 13时,以钙黄绿素-甲基百里酚兰-酚酞(简称CMP)混合物为指示剂,用EDTA标准溶液滴定试液得到钙含量;pH 10时,以酸性铬蓝K-萘酚绿B (简称K-B)混合物为指示剂,用EDTA标准溶液滴定试液测定钙和镁的总量。

通过这个实验可达成以下实验目标:掌握重量分析法测定水泥中SiO2含量原理和基本操作;巩固和掌握配位滴定法的原理和指示剂的工作原理;理解酸度控制、掩蔽剂和滴定方式等因素在多种离子共存时分别测定中的应用;掌握沉淀生成、过滤、洗涤、灰化、灼烧等重量分析的基本操作;通过复杂样品的分析和测定,培养学生综合分析问题和解决问题的能力。

1.2 学情分析

本实验属于我校“基础化学实验I”课程(3学分)里的教学项目,该课程面向低年级化学专业本科生开设,以16–18名学生为1个教学班,配置1位指导教师和1位研究生助教。学生有一定的化学实验基础,但由于实验课独立开课,使得他们的理论部分还是相对欠缺。

在以往的教学实践中,为了讲解涉及的基本原理和基础知识,并演示水柱制作和马弗炉操作等,指导教师需要讲解近2学时,留给学生实验时间不到4学时,因此学生只能忙于照搬教材完成必做实验,使得学生不但无法真正掌握“三基”知识,而且顾不上开展探究实验。

此外,原始数据及其处理结果直接反映了学生实验水平,也是评价实验成绩的一个重要指标,因此个别学生会产生篡改实验数据的念头或者行为。

1.3 教学策略

针对以上教学问题和学情分析,建设了数字化教学资源,分课前、课中和课后开展混合式教学;开发了基于微信公众号的实验数据提交及评分模块,使实验成绩评价更加科学和高效。

2 混合式教学设计

2.1 科学思维与科学精神培养

以设计实验培养科学思维和科学精神。提前布置探究性或者设计性实验项目,如,水泥中其他微量离子测定、试液中铁铝钙镁含量的其他测定方法、试液中硅酸含量的测定等,让学生自行分组分工,提前查阅资料、设计实验方案,利用课堂时间以团队形式完成。

以如实记录和规范操作培养科学素养。指导教师注重对学生进行多方引导,一则要求学生坚持实事求是的科学态度,如实记录和处理实验数据;二则鼓励学生对不良数据及结果进行分析,找出问题源泉、找到解决方法,领会“失败是成功之母”的真谛。此外,指导教师还向学生传授水泥质量关系国计民生和水泥检测数据一定不能造假等观念,让学生树立强烈的社会责任感。

2.2 线上学习资源建设及应用

以教学视频辅助教学。本实验项目涉及到的知识点很多,2018年以重量分析原理、配位滴定原理和实验操作为单元制作了以下三个讲座视频(图 1),以便学生根据自身情况,按菜单选择观看和学习:水泥熟料测定原理、重量分析法原理;水泥熟料中二氧化硅及铁铝钙镁含量的测定、重量分析法的基本操作;滴定分析法及其指示剂变色的基本原理、EDTA的结构及其分析特征。由于后续教学中不断有学生反映对滤纸准备、水柱制作、沉淀包裹等操作掌握不好,因此在2020年夏学期又补拍了这几个微视频。

图1

图1   相关的教学视频


所有这些教学视频都发布在“中心网站”和“学在浙大”等教学信息平台,以便统计和监督学生的线上学习情况(图 2)。

图2

图2   发布的教学视频及线上学习情况统计


以问题引导学生预习。为了引导学生有目的地观看教学视频并进行知识归纳,在新编讲义里特意编写了相关的思考题,要求学生观看后简略回答。如,(1) 定量滤纸和定性滤纸的区别有哪些?(2) 什么是恒重?如何进行恒重操作?(3) 简述重量分析法的原理及基本操作。(4) 简述配位滴定法的基本原理。(5) 为何不能直接测定镁离子?(6) 为何采用返滴定法测定铝离子?(7) 如何实现多种离子共存时的分别测定。

以线上练习卷巩固预习情况。为了督促学生自主有效地学习,每次实验都设置了课前练习卷。学生课前自行登录“浙大化学实验教学中心”微信公众号(以下简称中心公众号)完成线上练习,此部分题目以实验讲义和教学视频内容为主,大部分为单选题,不计入总评成绩。学生提交后,不但能立即查看成绩,而且可以查看错题,这样学生能根据练习卷情况及时知晓课前学习的掌握情况。时间设置为15分钟,共20题。

2.3 课中实施

以线上考试卷检查预习情况。线下课堂教学时,首先召集学生登录中心公众号完成线上考试卷。考试卷难度大于练习卷,以多选题为主。提交后能查看成绩和错题,进一步强化学生对知识的掌握。时间设置为8–10分钟,共20–25题。

以问题强调重点和难点。通过课前准备,学生已经掌握了相关的“三基”知识,因此指导教师不需把实验原理和实验步骤重新讲一遍,更不需要演示实验操作,而是通过设计一些更有针对性的问题,以提问或小组讨论等互动形式强调关键步骤以及安全要点等,这样可以节省大量的讲解时间,讲解时间由原来的1个多小时缩短到20分钟左右。

以自主实验和探究提高创新能力。学生开始自主实验,教师和助教巡查。若学生对实验操作或实验步骤有疑问,可以自行走到教学一体机前,观看教学视频或者课件,也可以和教师或助教讨论。由于讲解时间缩短、对实验内容和操作胸有成竹,学生不但能从容地顺利完成实验,而且还有时间实施课前设计好的探究方案。

以线上数据提交和评分强化如实记录及过程考核。学生实验结束并整理实验台后,线上提交实验数据。学生登录中心公众号,在系统对话框里依次提交实验的原始数据,再经教师或助教检查后线上签退,才能离开实验室(图 3),这样可以让学生形成如实记录实验数据的习惯。

图3

图3   “数据提交及评分”和“签入签出”系统

从左到右:提交页面、提交数据、签退


2.4 成绩评价与课后巩固

对于课后的实验报告,不要求学生再抄一遍实验原理或者实验过程,而是注重数据处理与分析、对实验过程的体会、对探究实验的思考等方面。如本实验要求学生依照国家标准评价水泥熟料试样的质量,提出对测定方法的完善方案等。

对于指导教师而言,由于有了“线上数据提交及评分”模块,可以很方便地评价学生的原始数据及结果。对于水泥熟料分析实验,学生在实验报告中需要给出SiO2、Fe2O3、Al2O3、CaO和MgO这5个组分的百分含量,使得传统的批改工作量很大,教师需要逐个核算并分项给分。开发“线上数据提交及评分”模块后,该模块能根据学生提交的原始数据自动给出各个组分含量及其测定的准确度和精密度,并根据模块预设的准确度和精密度的评分标准给出分项得分及总分(图 4)。预设的评分标准可以通过后台进行修改,以适应不同水泥试样。说明一下,学生提交原始数据后看不到模块显示的数据结果和评分,这样也能考查学生在完成实验报告中数据处理部分的细致程度。

图4

图4   系统导出的数据结果及评分


3 教学效果与评价

混合式教学开展以来,得到了学生很高的评价。对于基础扎实的学生来说,既避免了长时间课堂讲解的无趣,又有更多课堂时间进行探究性实验或者钻研实验中出现的问题;对于基础薄弱的学生来说,可以反复或者重点观看教学视频,在课前把不懂之处弄懂。学生普遍反映,这种授课方式具有独特的优势,线上学习省去了以往课堂教学中冗长的讲解,同时以视频的形式观看实验讲解或操作更能留下更深刻的印象,再加上课前练习卷的巩固,能达到非常不错的效果。特别是有同学评价到,看了水柱的制作视频,明白了如何能高效地进行常压过滤,达到了事半功倍的课堂效果。

通过开展线上线下混合式教学,学生整体素质提高了,学生自主学习积极性高涨了。教师们对这种混合式教学也给予了很高的评价,他们普遍认为能有空暇开展更多的师生互动和启发式提问,批改实验报告轻松多了,评定实验成绩公平科学多了。

4 结语

为了积极响应教育部加强思政建设和金课建设的号召、适应互联网+的快速发展、改革化学实验课程的教学模式,在综合性化学实验中开展了线上线下混合式教学。通过融入科学思维与科学精神等思政元素、建设教学视频等数字化资源、开发线上考试系统及“线上数据提交及评分”模块等多种模式,取得了很好的教学效果。我们将总结并借鉴同行们的成功经验,继续探索新时代下的化学实验教学模式,为培养德智体美劳的高质量人才而努力[14, 15]

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