教育現(xiàn)代化背景下分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的信息化建設(shè)

李 嬌， 金 谷， 姚奇志， 李玲玲， 劉紅瑜， 魏 偉

（中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)a.化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院；b.化學(xué)國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，合肥 230026）

0 引 言

《加快推進(jìn)教育現(xiàn)代化實(shí)施方案（2018—2022年）》明確指出，不斷促進(jìn)信息技術(shù)與教育教學(xué)深度融合，支持學(xué)校充分利用信息技術(shù)開展人才培養(yǎng)模式和教學(xué)方法改革，信息技術(shù)對教育發(fā)展具有革命性影響［1-2］。隨著信息化時代的到來，教學(xué)信息化是高校教學(xué)改革實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展途徑。以學(xué)生為中心，以“互聯(lián)網(wǎng)＋教育”為思路，促進(jìn)課堂教學(xué)與基于信息技術(shù)的自主學(xué)習(xí)深度融合，對教學(xué)模式、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)形式進(jìn)行綜合性、系統(tǒng)化改革，加強(qiáng)課程建設(shè)，推動信息技術(shù)與教學(xué)深度融合［3］，給學(xué)生提供更加生動、便捷的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，激發(fā)學(xué)習(xí)熱情和創(chuàng)新能力。

1 傳統(tǒng)教學(xué)的弊端

化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心開設(shè)的分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程面向全校化學(xué)、材料、高分子、地球化學(xué)等專業(yè)的學(xué)生，教學(xué)覆蓋面較廣，傳統(tǒng)教學(xué)模式與時代發(fā)展走向相佐，具體體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：①學(xué)生不重視實(shí)驗(yàn)課，學(xué)生不愿意投入時間到實(shí)驗(yàn)課上；②實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)流于形式，學(xué)生基本上處于被動學(xué)習(xí)狀態(tài)，無法達(dá)到有效的實(shí)驗(yàn)教學(xué)的根本目的［4］；③教學(xué)形式枯燥、無新意，缺乏直觀性；④師生基本“零”交流，“學(xué)生懶得問，教師沒時間問”，折射出目前在校大學(xué)生治學(xué)和求知的消極心態(tài)。⑤教師分身乏術(shù)，基礎(chǔ)操作、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容重難點(diǎn)及實(shí)驗(yàn)安全等方面都需要教師從旁監(jiān)督和指導(dǎo)，做不到對每位學(xué)生都進(jìn)行細(xì)致指導(dǎo)。

綜上所述，傳統(tǒng)的教學(xué)模式已經(jīng)落后于時代的發(fā)展，現(xiàn)代信息網(wǎng)絡(luò)化建設(shè)會逐步填補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)形式的不足之處，兩者優(yōu)勢互補(bǔ)，相輔相成，共同促進(jìn)教學(xué)改革的長遠(yuǎn)發(fā)展。

2 分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的信息化建設(shè)

分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)緊跟時代步伐，結(jié)合自身特點(diǎn)，利用“現(xiàn)代＋傳統(tǒng)”信息技術(shù)成果，不斷完善教學(xué)手段，積極建設(shè)了多維度新型信息化平臺（見圖1）。利用信息化平臺，學(xué)生可以隨時隨地利用智能手機(jī)或者便攜電腦進(jìn)行自主學(xué)習(xí)（預(yù)習(xí)＋復(fù)習(xí)＋拓展），體現(xiàn)了“以學(xué)生為主體，教師為輔”“自主學(xué)習(xí)和課堂教學(xué)相結(jié)合”的教學(xué)模式，融入開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)的特點(diǎn)，能有效拓展實(shí)驗(yàn)教學(xué)的時間和空間，充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，大大提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，全面提升人才培養(yǎng)質(zhì)量。

圖1 課程信息化建設(shè)內(nèi)容

2020年初，新冠疫情的蔓延導(dǎo)致學(xué)生無法按時返校，這對實(shí)驗(yàn)教學(xué)的影響遠(yuǎn)超理論課程，線下實(shí)驗(yàn)難以開展，這些信息化建設(shè)的成果起到了雪中送炭的重要作用，在非常時期下保障了正常實(shí)驗(yàn)教學(xué)的順利開展，教學(xué)效果遠(yuǎn)超預(yù)期。

2.1 微信公眾平臺建設(shè)（手機(jī)端）

通過微信公眾平臺，向?qū)W生提供優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源，也可即時發(fā)布各種實(shí)驗(yàn)知識、安全知識、科研前沿?zé)狳c(diǎn)和課程安排等，培養(yǎng)學(xué)生預(yù)習(xí)復(fù)習(xí)的良好習(xí)慣，拓展學(xué)生的知識領(lǐng)域，提高學(xué)生的安全意識，促進(jìn)師生之間的互動與交流，提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。

2.1.1 微信公眾平臺的建設(shè)模式

分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的微信公眾號為“蝸殼分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)室”。所有課程資源均通過微信公眾平臺進(jìn)行展示和推送，學(xué)生通過掃描二維碼關(guān)注課程公眾號后就可進(jìn)入該平臺查閱信息，見圖2［5-9］。根據(jù)實(shí)驗(yàn)課程特點(diǎn)，采用微信公眾平臺輔助課程教學(xué)中對該平臺的建設(shè)模式設(shè)置如下：

圖2 微信公眾平臺構(gòu)架及二維碼

具體菜單項(xiàng)。Lab安全菜單——實(shí)驗(yàn)室介紹、實(shí)驗(yàn)室安全知識、安全應(yīng)急預(yù)案；課程資訊菜單——實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)（實(shí)驗(yàn)規(guī)章制度、儀器設(shè)備使用及注意等）、課程安排、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求；掌上隨學(xué)菜單-課程資源合集。

實(shí)驗(yàn)室安全是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的前提，將安全放置于首位，提醒學(xué)生安全第一原則；課程資源目前包含多媒體課件（PPT）、教師制作視頻以及學(xué)生自制基礎(chǔ)操作視頻。為了便于學(xué)生對常規(guī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)的進(jìn)一步理解和掌握我們將這些實(shí)驗(yàn)內(nèi)容拍攝、剪輯，為學(xué)生自主學(xué)習(xí)、輔助教師教學(xué)服務(wù)。

2.1.2 微信公眾平臺的教學(xué)實(shí)施模式

微信公眾號的應(yīng)用只是輔助分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，如何將其更好的應(yīng)用于實(shí)踐教學(xué)，更好地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動性，主要在于教師的引導(dǎo)方式。經(jīng)過教學(xué)實(shí)踐，公眾號在課程教學(xué)的課前和課后環(huán)節(jié)都得到了應(yīng)用，見圖3。

圖3 微信公眾號輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)具體表現(xiàn)形式

2.2 信息化資源建設(shè)

2.2.1 創(chuàng)新“動態(tài)”PPT課件制作，提高教學(xué)質(zhì)量（電腦端）

區(qū)別于傳統(tǒng)“文字化”課件（PPT文件），創(chuàng)新“動態(tài)”課件加入了動畫元素，可以輕松實(shí)現(xiàn)分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)的整個過程，讓學(xué)生對實(shí)驗(yàn)過程一目了然。例如：實(shí)驗(yàn)步驟中試劑加入、震蕩攪拌、滴定動作、顏色變化等，將繁瑣的實(shí)驗(yàn)流程簡化為可視化的動態(tài)演示，有助于學(xué)生更為直觀的感受整個實(shí)驗(yàn)步驟，提高教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果。以兩個綜合實(shí)驗(yàn)為例，“聚乙二醇－硫酸銨－亞硝酸鹽體系用于鈷鎳的分離富集和測定”，整個萃取過程，顏色變化、“SDS在Al2O3表面的自組裝及用于銅離子的分離、富集及測定”銅離子富集，原理過程如圖4、圖5所示。

圖4 “聚乙二醇－硫酸銨－亞硝酸鹽體系用于鈷的分離富集和測定”萃取過程，顏色變化

圖5 “SDS在Al2 O3表面的自組裝及用于銅離子的分離、富集及測定”銅離子富集原理

另外，針對學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中可能遇到的問題和可能出現(xiàn)操作失誤之處，編寫注意事項(xiàng)，使學(xué)生知道在實(shí)驗(yàn)中遇到類似問題時應(yīng)該如何處理；此外，提出實(shí)驗(yàn)拓展供學(xué)生課后思考。

2.2.2 精選實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，制作教學(xué)視頻及微視頻（電腦端＋手機(jī)端）

分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程中采用視頻教學(xué)法，使得所學(xué)知識能夠進(jìn)一步加深鞏固，能極大程度地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，也提高了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能和創(chuàng)新意識，把學(xué)習(xí)從課堂上拓展到隨時隨地，一改傳統(tǒng)的“教師在課堂上灌輸知識，學(xué)生被動接受”的局面，從而達(dá)到教學(xué)效果的較優(yōu)化。同時也擺脫了現(xiàn)實(shí)教學(xué)中場地少、時間緊等的限制，讓學(xué)生有更充分的實(shí)踐和動手機(jī)會，為創(chuàng)新應(yīng)用型人才的培養(yǎng)提供幫助［10］。

為了更好地幫助學(xué)生理解和掌握實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，在充分討論、精選實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的前提下精選實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，按照實(shí)驗(yàn)室安全教育微視頻、基本操作微視頻，基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和綜合實(shí)驗(yàn)四個部分拍攝，制作成教學(xué)短視頻，視頻中采用了大量特寫鏡頭對實(shí)際過程進(jìn)行細(xì)微的記錄和示范，直觀生動；后期用“Adobe Premiere Pro”軟件對視頻進(jìn)行剪輯和制作，在教學(xué)視頻中還添加靜態(tài)圖片，并進(jìn)行文字或圖示說明。教學(xué)視頻的內(nèi)容主要包括實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)操作和流程、注意事項(xiàng)以及思考題等，能方便初學(xué)者盡快理解實(shí)驗(yàn)原理并熟練。

(1)個人安全防護(hù)教學(xué)視頻?！鞍踩侵刂兄亍?，一切實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動都建立是需要建立在安全的基礎(chǔ)之上，因此，微視頻教學(xué)從課前實(shí)驗(yàn)室安全教育開始是必須的［11-13］。教師主動收集素材，自己拍攝、學(xué)會剪輯、DIY制作視頻，將難于用語言精確表述的實(shí)驗(yàn)安全操作和實(shí)驗(yàn)室安全技術(shù)等教學(xué)內(nèi)容制作成教學(xué)微視頻，見圖6。在分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)的先導(dǎo)課上，對新生進(jìn)行化學(xué)實(shí)驗(yàn)的安全培訓(xùn)。在安全教育過程中，介紹化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的危化品使用、防灼傷燙傷、防觸電等安全防護(hù)措施，包括噴淋、洗眼器的使用、實(shí)驗(yàn)事故應(yīng)急方法。

圖6 實(shí)驗(yàn)室安全教育視頻

(2)基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn)教學(xué)視頻。分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)對“量”的概念的要求尤為嚴(yán)格，規(guī)范基本實(shí)驗(yàn)操作是前提條件，但由于基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)操作內(nèi)容瑣碎，學(xué)生短時間完全掌握不容易，為此，教師將一系列基本操作分別制作成短視頻，以鞏固學(xué)生基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)操作的熟練性和規(guī)范性，見圖7。

圖7 基本實(shí)驗(yàn)操作視頻

與此同時，為鞏固基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)操作，充分調(diào)動學(xué)生對基礎(chǔ)操作技能的積極性，嘗試舉辦微視頻競賽（小班嘗試），學(xué)生以小組為單位，分工合作，對于優(yōu)秀的制作團(tuán)隊(duì)設(shè)置了小獎狀、小獎品之類以示鼓勵，讓學(xué)生收獲滿滿成就感。學(xué)生對視頻制作積極性也很高，制作的視頻各具特色，遠(yuǎn)超過教師的預(yù)期。

通過自制微視頻，學(xué)生對基礎(chǔ)操作有了更為深刻印象，實(shí)驗(yàn)過程中更具自信心，提升了實(shí)驗(yàn)效率和數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。同時，自制微視頻補(bǔ)充和豐富了分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程線上學(xué)習(xí)資源，微視頻能反復(fù)觀看學(xué)習(xí)，學(xué)生的基礎(chǔ)操作的熟練程度提升明顯，大大節(jié)約了教師重復(fù)指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)的時間，其教學(xué)效果更優(yōu)。

(3)基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn)教學(xué)視頻。定量分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)依據(jù)溶液顏色的變化來控制實(shí)驗(yàn)的進(jìn)程，特別是滴定前的預(yù)處理中，顏色變化復(fù)雜，僅通過課前預(yù)習(xí)和老師的講解，很難讓學(xué)生更深入的理解。以“無汞鹽法測定鐵礦石中全鐵”為例，實(shí)驗(yàn)中不僅要求有熟練的基本操作技能，而且有復(fù)雜的預(yù)還原步驟：礦樣溶解完全，溶液呈橘黃色。近沸條件下，滴加15%SnCl2到淺黃色，加入3滴硅鉬黃指示劑，溶液為黃綠色。改用2%SnCl2滴到溶液為純藍(lán)色，立刻加入100 mL蒸餾水，避免空氣中O2氧化Fe2＋帶來誤差，最后用重鉻酸鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液予以滴定。

此實(shí)驗(yàn)整體操作難度大，預(yù)處理和滴定過程中顏色眾多，學(xué)生若對這種處理方式?jīng)]有直觀的真實(shí)感受，很難對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行精準(zhǔn)控制，見圖8。視頻可供學(xué)生反復(fù)觀看，實(shí)際實(shí)驗(yàn)中事半功倍，效果顯著改善。同時，也包含預(yù)處理中可能出現(xiàn)的意外及處理方法，提醒學(xué)生需要注意和規(guī)避的操作。

圖8 “無汞鹽法測定鐵礦石中全鐵”各步驟顏色變化

2.3 開展混合式教學(xué)（手機(jī)端＋電腦端）

2020年初，新冠病毒在國內(nèi)的爆發(fā)嚴(yán)重影響了全國高校的教學(xué)進(jìn)程，對實(shí)驗(yàn)教學(xué)的影響尤為突出。為響應(yīng)“停課不停教、停課不停學(xué)”要求，化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心依托化學(xué)國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心和化學(xué)國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心來開展化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作，及時調(diào)整教學(xué)計(jì)劃，實(shí)行“一課一策”的信息化教學(xué)方案［14-15］。分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程組依據(jù)自身課程特點(diǎn)，結(jié)合微信公眾平臺、Blackborad（Bb）教學(xué)平臺和ClassIn在線課堂等平臺實(shí)施線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)，取得了良好的教學(xué)效果。

（1）微信公眾平臺中信息化課程資源，供學(xué)生在線預(yù)習(xí)。Blackborad（Bb）教學(xué)平臺，供學(xué)生上傳預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

（2）建立微信／QQ群，開展混合式教學(xué)。為了更好地開展線上答疑解惑和互動交流，在實(shí)驗(yàn)開課前，由教師建立微信群，助教和學(xué)生入群。每次實(shí)驗(yàn)前，教師把實(shí)驗(yàn)的原理、實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思路以及實(shí)驗(yàn)過程的關(guān)鍵操作等設(shè)計(jì)成預(yù)習(xí)題發(fā)布在群里，讓學(xué)生進(jìn)行有針對性的預(yù)習(xí)和準(zhǔn)備工作，突破了教學(xué)學(xué)時對實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺的限制。同時，針對實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)的異?，F(xiàn)象，無法給出明確結(jié)論的，可以通過微信群進(jìn)一步的探討交流。微信群不僅可以加強(qiáng)師生溝通交流，也為同學(xué)們展示實(shí)驗(yàn)成果、討論實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象提供平臺，鍛煉了相互溝通能力。

（3）通過ClassIn在線課堂（直播互動）以PPT論述、質(zhì)疑提問、答辯討論等多種教學(xué)形式與學(xué)生實(shí)時而深度的互動，學(xué)生參與度高，積極性更高，線上答辯考評的實(shí)際效果遠(yuǎn)超過預(yù)期，值得我們深入思考總結(jié)。

（4）待疫情結(jié)束開學(xué)后，學(xué)生再補(bǔ)做實(shí)驗(yàn)，將線上線下有機(jī)融合，完成整個實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動。這次疫情催生的線上信息化教學(xué)及考核模式，為今后的教學(xué)工作開拓了新思路，如何做到線上線下有機(jī)結(jié)合，優(yōu)勢互補(bǔ)，相輔相成，這是我們以后需重點(diǎn)關(guān)注和研究的教學(xué)方向。

2.4 強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)室信息化管理

2.4.1 微信公眾平臺下實(shí)驗(yàn)室管理模式（手機(jī)端）

在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室管理模式中，引入信息化管理的新思路，有效提升管理水平。

(1)實(shí)驗(yàn)室安全管理。建立教師每日安全管理檢查及公開通報(bào)的安全管理新模式，即：教師將每日安全檢查情況，直接用手機(jī)拍照或者錄像，上傳至公眾號，并予以推送，以督促每位教師和學(xué)生及時整改并時刻謹(jǐn)記安全第一，讓安全風(fēng)險(xiǎn)處于可控狀態(tài)，真正做到防患于未然，確保實(shí)驗(yàn)室安全無虞。

(2)教學(xué)管理。建立統(tǒng)一的信息化教學(xué)新方式。根據(jù)每學(xué)期實(shí)驗(yàn)室儀器更新情況和教學(xué)要求的調(diào)整，及時更改和推送具體的實(shí)驗(yàn)要求，使得每位教師的教學(xué)要求統(tǒng)一規(guī)范。

(3)儀器管理。建立實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備的動態(tài)管理新模式，實(shí)現(xiàn)儀器報(bào)修工作的網(wǎng)絡(luò)化。儀器出現(xiàn)故障，師生可直接用手機(jī)拍照或錄像，上傳至公眾號，實(shí)現(xiàn)簡單及時的網(wǎng)絡(luò)化報(bào)修。

(4)藥品試劑及玻璃儀器管理。建立藥品和玻璃儀器的庫存動態(tài)管理新模式，實(shí)現(xiàn)藥品及玻璃儀器庫存的網(wǎng)絡(luò)化。方便教師和學(xué)生及時查閱其庫存情況，以便及時采購和增添。

2.4.2 二維碼應(yīng)用，提高教學(xué)管理效率（手機(jī)端）

歷年來，實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容安排、學(xué)生排位表、玻璃儀器柜清單、試劑清單、玻璃儀器存放單、儀器使用說明等都需要打印并貼在醒目的位置，而且每學(xué)期都需要大量更換（紙質(zhì)破損或丟失），造成紙質(zhì)嚴(yán)重浪費(fèi)。針對這一方面，我們采用新型二維碼的形式，將上述表單的內(nèi)容制作成相應(yīng)的二維碼，貼在相對應(yīng)的儀器或者柜面上，在實(shí)施實(shí)驗(yàn)操作前，學(xué)生自行掃二維碼獲取相關(guān)內(nèi)容，方便學(xué)生隨時查閱，同時避免紙質(zhì)浪費(fèi)，提高教學(xué)管理效率。

3 結(jié) 語

教育現(xiàn)代化背景下，分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程組與時俱進(jìn)，從微信公眾平臺、創(chuàng)新“動態(tài)”課件，教學(xué)視頻、學(xué)生自制視頻、微信群、直播互動課堂和二維碼等多方面進(jìn)行探索和實(shí)踐，經(jīng)整合資源，優(yōu)化配置，完善管理，構(gòu)建了信息化教學(xué)平臺，獲得學(xué)生的認(rèn)可和好評的同時，教學(xué)質(zhì)量也得到很大的提高，并起到良好的示范輻射作用。