大学化学, 2022, 37(4): 2107120-0 doi: 10.3866/PKU.DXHX202107120

教学研究与改革

基于STEM教学理念的分析化学实验教学新模式探索——以“自来水硬度测定”为例

汤宏胜1, 冯婷1, 张天龙,1, 李延1, 李华1,2

1 西北大学化学与材料科学学院,西安 710127

2 西安石油大学化学与化工学院,西安 710065

Exploration of New Teaching Mode of Analytical Chemistry Experiment Based on STEM Educational Concept: Taking "Measurement Hardness of Tap Water" as an Example

Tang Hongsheng1, Feng Ting1, Zhang Tianlong,1, Li Yan1, Li Hua1,2

1 College of Chemistry & Materials Science, Northwest University, Xi'an 710127, China

2 College of Chemistry and Chemical Engineering, Xi'an Shiyou University, Xi'an 710065, China

通讯作者: 张天龙, Email: tlzhang@nwu.edu.cn

收稿日期: 2021-07-31   接受日期: 2021-08-18  

基金资助: 教育部高等学校化学类专业教学指导委员会教学研究与实践项目.  H20210602
教育部高等学校化学类专业教学指导委员会教学研究与实践项目.  H20210603

Received: 2021-07-31   Accepted: 2021-08-18  

Abstract

STEM is a type of educational concept based on multi-disciplinary integration of science, technology, engineering and mathematics, which has become a focus of international education research and reform. It aims to cultivate the students' ability of asking, analyzing and solving problems, and stimulate students' spirit of scientific exploration and innovative thinking by merging the multidisciplinary knowledge. In this paper, educational concept of STEM is introduced into the course of analytical chemistry experiment teaching, and a new teaching mode of analytical chemistry experiment course is explored. It is advocated to take students as the center and take real problems as the guide to cultivate students' scientific exploration and practice ability. Students can independently complete a series of analytical chemistry experiment via resorting relevant courses theory, experimental scheme design, experimental process and result analysis. A new teaching mode of analytical chemistry experiment is investigated from three aspects including course content, teaching methods and assessment methods, so as to improve the teaching quality of analytical chemistry experiments and students' learning interest and scientific literacy.

Keywords: Analytical chemistry experiment ; Educational concept of STEM ; Scientific literacy ; Creativity

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汤宏胜, 冯婷, 张天龙, 李延, 李华. 基于STEM教学理念的分析化学实验教学新模式探索——以“自来水硬度测定”为例. 大学化学[J], 2022, 37(4): 2107120-0 doi:10.3866/PKU.DXHX202107120

Tang Hongsheng. Exploration of New Teaching Mode of Analytical Chemistry Experiment Based on STEM Educational Concept: Taking "Measurement Hardness of Tap Water" as an Example. University Chemistry[J], 2022, 37(4): 2107120-0 doi:10.3866/PKU.DXHX202107120

1 分析化学实验教学的现状分析

分析化学实验是高等学校化学、化工等相关学科的一门重要基础实验课程,要求学生建立“量”“误差”“均值”“相对误差”和“有效数字”等的基本概念,学习领悟分析化学实验的原理和方法,学会正确规范使用实验仪器,合理安排实验步骤,掌握基本操作技能,正确记录、处理实验数据,正确分析实验结果。重点培养学生的实际动手操作能力和实验现象的观察能力,实现基本理论和实践的结合和融会贯通,激发学生的科学探索精神和创新思维能力。

经过多年的分析化学实验教学实践发现,传统的实验教学模式[1]存在以下弊端:(1) 学生自主发挥的空间较少,缺乏主动思考,机械式完成实验,无暇思考与探究,不利于学生创新思维的培养;(2) 教师专注于知识传播教育,强调学生必须掌握分析方法、实验原理及实验技能等,而忽视了学生解决问题能力和科学探索精神的培养;(3) 在实验过程中,学生只是根据实验讲义和教师的讲解完成实验,缺乏主动性,难以实现理论与实践的结合,难以达到教学目标;(4) 考核方式过于简单,实验成绩评定的主要依据是实验报告,而实验报告只能体现学生的书写、实验数据的记录和分析等,无法对实验过程、科学思维等方面进行全面评价,不利于全面考查学生的综合实验素质。这些问题导致传统的分析化学实验课程不能很好地培养学生分析问题和解决问题的能力,也实现不了创新思维能力的培养,不利于创新型人才培养。

近年来,随着现代信息技术的飞速发展和应用,新型教学模式不断涌现,以微课为基础的翻转课堂教学模式[2, 3],以及网络在线课堂、大学MOOC、线上视频教学、虚拟实验平台等新型工具的应用,一定程度上提升了学生的学习主动性和学习兴趣,能够改善传统教学模式无法满足学生个性化学习需求的现状,并且收到了较好的教学效果。然而,这些新型教学模式对学生的创新意识和科学探索精神的培养是有限的,也不利于学生自主学习探索能力的培养。

2 分析化学实验教学新模式——STEM理念

STEM教育理念[4]是由美国国家科学委员会于1986年提出的,它综合了科学(Science)、技术(Technology)、工程(Engineer)、数学(Math)四个方面,旨在解决创新人才不足的困境。目前,该教育理念已经被欧美等发达国家广泛采用,我国各大高校也开始探索并实践STEM教育理念在教学中的应用。为了提高学生的创新思维能力、分析问题和解决问题能力,实现创新型人才的培养。我们将STEM理念用于分析化学实验教学新模式探索,通过对课程教学流程再造,对原有的教学内容设计、课堂教学过程、学生成绩评价等各个方面进行优化与调整。以全面提高学生对理论知识的综合应用能力、分析和解决问题的能力,引导学生积极思考、主动学习,提高学习的学习兴趣,激发学生的科学探索精神和创新思维能力,从而实现创新型人才的培养。

基于STEM理念的分析化学实验教学过程如图 1所示,主要包括情境引入、问题探索、科学实践、知识扩展和成绩评价等五个教学环节。(1) 情景引入:教师引入实际问题,明确任务目标,学生回顾相关理论知识,查阅相关资料,并分组讨论,形成问题初步解决方案;(2) 问题探索:各小组自主完成实验方案设计,包括实验原理、实验内容、相关仪器、实验步骤等内容,授课教师参与实验方案讨论,并形成方案修改完善意见,学生进一步优化并确定实验方案;(3) 科学实践:学生进入课堂进行实际实验,规范执行实验操作,仔细观察实验现象,准确记录实验数据,教师检查学生操作正确性和规范性,解答学生实验过程中的各种疑难问题;(4) 知识扩展:教师指导学生进行数据处理和实验总结,学生处理实验数据,完成实验报告,总结实验得失,解答思考题;(5) 成绩评价:通过学生自主设计的实验方案、完成实验的基本情况、实验数据处理、实验报告的完成情况、课程目标的达成情况等综合评判实验成绩,学生可以根据实验报告评价结果,总结实验得失,巩固相关知识。将STEM教学理念引入分析化学实验课程教学过程中,需要从课前、课堂和课后三个方面对分析化学实验教学内容进行优化与调整,以实现分析化学实验教学培养目标。

图1

图1   基于STEM理念的分析化学实验教学过程


2.1 课前准备

课前准备包含情景引入和问题探索两个环节。由原来的学生按照教材进行预习,熟悉现成的实验方案,转变为引入实际问题,确定任务目标,由学生根据相关理论知识和相关资料,进行实验设计,完成实验方案。进一步和教师进行实验方案的充分讨论,确定最终实验方案。整个过程由学生主导,自主完成,根据实验任务,可以对学生进行分组,组内学生分工探索,共同完成实验方案。实际操作过程为教师提前2周布置待解决的问题,要求学生分小组在课外自主讨论并形成实验方案,约定提前一周在课堂留出时间和教师讨论优化,提出修改完善意见,并在该实验开始前确定。以西北大学化学专业分析化学实验课程为例,共有72学时,10个实验项目,其中前2周次课程为仪器操作练习和滴定练习,为后续实验打基础,不使用STEM模式教学,可在课堂上直接布置后续实验;在确定实验方案时,因各小组实验完成进度不同,在学生完成本次实验后,和教师讨论上周布置的实验方案;在该实验课堂不再进行实验统一讲解,学生按完善后的实验方案,自主完成实验。

以自来水总硬度的测定为例(如表 1所示),给出实验拟解决的实际问题为“如何通过滴定的方法准确测定自来水硬度?”,同时给出实验涉及的基本原理:测定水的钙镁总硬度时,在pH = 10的缓冲溶液中,以铬黑T (EBT)为指示剂,指示剂与钙、镁离子形成酒红色的络合物,滴定时指示剂被EDTA从络合物中取代出来,至终点即恢复指示剂本身的天蓝色;同时需要掩蔽Fe3+、Al3+、Cu2+、Pb2+、Zn2+等金属离子。

表1   课前预习需要完成的事项——以“自来水硬度测定”为例

项目内容
实验目的(1) 学习络合滴定的原理及其应用;(2) 掌握EDTA标准溶液的配制、标定;(3) 掌握铬黑T指示剂的使用及终点判断;(4) 掌握络合滴定操作方法
解决的问题如何通过滴定的方法准确测定自来水硬度
实验原理测定水的钙镁总硬度时,在pH = 10的缓冲溶液中,以铬黑T (EBT)为指示剂,指示剂与钙、镁离子形成酒红色的络合物,滴定时指示剂被EDTA从络合物中取代出来,至终点即恢复指示剂本身的天蓝色;同时需要掩蔽Fe3+、Al3+、Cu2+、Pb2+、Zn2+等金属离子
相关知识点水总硬度、钙硬度、镁硬度、暂时硬度、永久硬度、络合滴定、EDTA溶液、标准溶液的标定、铬黑T指示剂、掩蔽剂
实验方案实验所需的仪器和试剂;设计实验内容,溶液的配制、标准溶液的标定、待测溶液的滴定、实验操作步骤、实验注意事项
实验要求仪器操作规范、数据记录规范、数据处理要求、实验结果分析

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在此基础上,要求学生自主查阅学习相关知识点:水总硬度、钙硬度、镁硬度、暂时硬度、永久硬度、络合滴定、EDTA溶液、标准溶液的标定、铬黑T指示剂、掩蔽剂等;按组完成实验方案,主要包括实验所需的仪器和试剂、实验内容、溶液的配制、标准溶液的标定、待测溶液的滴定、操作步骤、实验注意事项等内容;由学生以小组的方式完成实验预习环节,主要包括实验原理、实验内容及实验步骤的实验方案,要求细化到每一步溶液的配制、标定,实验现象的观察记录,数据记录表格设计,并在课前和教师讨论实验方案,完善并确定最终的实验方案。

2.2 课堂教学

对于STEM理念的分析化学实验新模式教学,需要教师和学生在课前投入大量的精力完善实验方案。课堂教学是主要的科学实践环节,首先由教师按组确定各组的最终实验方案,由学生合理安排实验步骤,正确使用实验仪器,仔细观察实验现象,正确记录实验数据,自主完成实验。由于学生课前自主设计了实验方案,对实验内容及操作步骤非常清楚,不需要教师再重新讲解相关实验原理、内容和步骤。分析化学实验新模式教学下的教师课堂教学重点关注以下四点:(1)仔细观察学生的实验操作,及时纠正错误或不规范操作,耐心指导操作不规范的同学,督促学生严格按照规范性操作的要求去完成实验;(2)检查实验记录的规范与整洁,在认真观察实验现象的基础上及时准确记录实验数据,不涂改、不在实验报告以外记录、不用铅笔记录等;(3)关注实验安全,督促学生保持台面整洁,养成良好的实验习惯,提升实验操作水平;(4)解答学生的疑难问题,引导学生利用理论知识解释实验现象,探讨相关知识,开拓学生思路。

对于分析化学实验课的教学,教师不再按照传统模式进行课堂讲解,课堂转变为学生主导完成实验过程,培养学生分析和解决问题的能力,引导学生积极思考、主动学习,提高学习和探索研究的兴趣,激发学生的科学探索精神,培养创新思维能力。教师主要关注学生实验过程中操作的规范性、实验现象观察的细致程度、实验记录的规范清晰情况,负责解答学生实验过程中各类问题的疑难,启发学生根据理论知识解释实验现象,将理论与实践相结合,实现知识的融会贯通。

2.3 课后总结扩展

实验完成后,学生需要分析处理实验数据,解答相关思考题,完成实验报告,并可通过小组讨论,回顾实验过程,扩展理论知识,对实验方案进一步评价完善,总结实验得失。教师可参与小组对实验方案实施效果的讨论,引导学生利用理论知识分析解释实验现象,指导学生处理实验数据,总结和评价实验结果。

3 实验成绩评价

传统的分析化学实验教学考核方式比较单一,主要通过实验报告给出最终考核成绩,无法对学生进行全面评价,无法客观反映学生的实验技能和实验水平。按照STEM教学理念,通过指导学生自主完成任务的方式进行教学活动,教师在课前、课中和课后都深度参与到学生的学习活动中,可以更加客观地对学生的每一个环节进行评价,评分内容可以扩展到教学过程的每一个环节(如图 2所示),主要是实验方案、实验过程和实验报告这三个部分,成绩分别占30%、40%和30%,并在各个部分进一步进行细分,以全面考查学生的实验综合能力。

图2

图2   基于STEM教学理念的分析化学实验考核新方式


4 结语

将STEM理念引入分析化学实验教学,改变了传统的教师主导的课堂模式,契合了新工科的培养理念,通过以学生为中心、以真实问题为牵引,让学生通过相关课程理论线索,自主设计实验方案,完成实验过程和实验结果数据分析,从而解决实际问题。在解决问题的过程中,充分调动了学生的学习积极性和主动性,提升了学生的学习兴趣,培养了学生分析问题、解决问题的能力。同时有助于培养学生严谨的科学态度,一丝不苟的科学作风,有助于学生的创新意识和科学探索精神的培养。该教学模式有望进一步应用于其他实验课程教学过程。

参考文献

吴明侠; 谢彩侠. 中国中医药现代远程教育, 2011, 9 (12), 54.

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王秀云; 宿艳; 张永策; 潘玉珍. 大学化学, 2021, 36 (1), 2001032.

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耿萍; 张帆. 大学化学, 2020, 35 (1), 12.

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董宏建; 白敏. 现代教育技术, 2016, 26 (7), 12.

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