線上開(kāi)展無(wú)機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)踐與思考
——以“Cr(III)系列配合物的合成與分裂能的測(cè)定”為例

孫長(zhǎng)艷，李文軍，路麗英，董彬，周花蕾

北京科技大學(xué)化學(xué)與生物工程學(xué)院化學(xué)系，北京 100083

2020年一場(chǎng)突如其來(lái)的新冠肺炎疫情席卷全國(guó)，給人們的生活、工作和學(xué)習(xí)都帶來(lái)了深遠(yuǎn)的影響。在教育部“停課不停學(xué)”的要求下，在線教學(xué)全面走入人們的視野[1,2]。據(jù)官方報(bào)道，截止5月8日，全國(guó)在線開(kāi)學(xué)的普通高校共計(jì)1454所，參加在線課程學(xué)習(xí)的學(xué)生達(dá)23億人次[3]。在MOOC和微課堂等前期探索的基礎(chǔ)上，借助雨課堂、騰訊課堂等網(wǎng)上教學(xué)平臺(tái)，理論課的在線教學(xué)很快都開(kāi)展得有聲有色[4,5]。在線教學(xué)的優(yōu)勢(shì)也相繼被挖掘出來(lái)，這一教學(xué)模式的變革讓人們對(duì)于“精準(zhǔn)教學(xué)”“個(gè)性化教學(xué)”有了更多的期待。但是，一些操作性強(qiáng)的實(shí)踐類課程在從線下轉(zhuǎn)為線上時(shí)就遇到了重重的障礙。如何保質(zhì)保量地完成教學(xué)任務(wù)，實(shí)現(xiàn)人才培養(yǎng)目標(biāo)，成為教師們深入探討的問(wèn)題[6]。我校的無(wú)機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程就是這樣一門操作性很強(qiáng)的實(shí)踐性課程，該課程的教學(xué)目的是讓學(xué)生加深對(duì)無(wú)機(jī)化學(xué)基本概念和基本原理的理解，掌握規(guī)范的實(shí)驗(yàn)操作步驟和正確的儀器使用方法，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和創(chuàng)新能力，全面提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。借助微瑞虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和自己拍攝的演示實(shí)驗(yàn)視頻，通過(guò)雨課堂+騰訊會(huì)議+微信群的形式，構(gòu)建了線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)課堂。在這里以“Cr(III)系列配合物的合成與分裂能的測(cè)定”為例介紹線上開(kāi)展實(shí)驗(yàn)課的全過(guò)程，為同行們實(shí)施線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供參考。

1 教學(xué)設(shè)計(jì)

互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高速發(fā)展，使得線上師生的交流與線下相比毫不遜色，甚至還更加便捷。對(duì)于實(shí)驗(yàn)課，線上教學(xué)最大的障礙是學(xué)生缺乏實(shí)驗(yàn)過(guò)程的切身體驗(yàn)，為此，我們選取了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和拍攝演示實(shí)驗(yàn)視頻兩種方式作為補(bǔ)充。圖1是開(kāi)展線上實(shí)驗(yàn)課的整體框架。

圖1 開(kāi)展線上實(shí)驗(yàn)課的整體框架

從圖1可以看出，雨課堂+騰訊會(huì)議+微信群的組合模式覆蓋了課前–課中–課后的每一個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)，為師生的互動(dòng)交流提供了充分的保障。通過(guò)雨課堂，課前教師可以將講義、課件、習(xí)題等資料推送到學(xué)生手機(jī)，讓學(xué)生提前預(yù)習(xí)；課堂上可以隨機(jī)點(diǎn)名、實(shí)時(shí)答題、彈幕互動(dòng)；課后提供回放，學(xué)生可以反復(fù)觀看，教師也可以根據(jù)后臺(tái)提供的數(shù)據(jù)了解學(xué)生學(xué)習(xí)情況，記錄平時(shí)成績(jī)。應(yīng)該說(shuō)這是一個(gè)功能很強(qiáng)大的線上教學(xué)平臺(tái)，為實(shí)現(xiàn)“精準(zhǔn)教學(xué)”提供了可能。美中不足的是沒(méi)有語(yǔ)音交互功能，所以我們選擇了騰訊會(huì)議作為補(bǔ)充。微信群主要用于平時(shí)的溝通交流，有點(diǎn)類似線下的答疑，但是比線下的答疑更靈活，幾乎不受時(shí)間、空間的限制。教師在實(shí)驗(yàn)室拍攝的演示實(shí)驗(yàn)視頻讓學(xué)生對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程有了清晰的認(rèn)識(shí)，而虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)用來(lái)讓學(xué)生體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)過(guò)程。接下來(lái)我們以“Cr(III)系列配合物的合成與分裂能的測(cè)定”為例介紹實(shí)驗(yàn)課的開(kāi)展。

2 教學(xué)活動(dòng)的開(kāi)展

“Cr(III)系列配合物的合成與分裂能的測(cè)定”實(shí)驗(yàn)是在學(xué)生學(xué)完配合物的晶體場(chǎng)理論之后同步開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)，其目的是加深學(xué)生對(duì)晶體場(chǎng)理論的理解，培養(yǎng)學(xué)生用理論解決實(shí)際問(wèn)題的能力。鞏固稱量、固液取用、加熱、減壓過(guò)濾、沉淀洗滌、固體干燥等基本操作，學(xué)習(xí)紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)的原理和使用，掌握分裂能的測(cè)定方法。具體的教學(xué)活動(dòng)開(kāi)展過(guò)程如下。

2.1 課前準(zhǔn)備

在實(shí)驗(yàn)課開(kāi)課之前，我們通過(guò)微信群和學(xué)生進(jìn)行了充分的溝通，讓學(xué)生了解上課的形式，熟悉虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的使用。

課前預(yù)習(xí)是通過(guò)雨課堂完成的。教師把實(shí)驗(yàn)講義、演示實(shí)驗(yàn)視頻等資料提前上傳到雨課堂里，發(fā)布預(yù)習(xí)任務(wù)。本實(shí)驗(yàn)我們制作了兩段演示視頻，一段是配合物的制備(15分鐘，如圖2所示)，一段是分裂能的測(cè)定(16分鐘)。演示實(shí)驗(yàn)充分地展示了實(shí)驗(yàn)的所有細(xì)節(jié)，并且配上了完整的解說(shuō)，學(xué)生可以根據(jù)需要反復(fù)觀看。更重要的是，演示實(shí)驗(yàn)可以彌補(bǔ)虛擬仿真平臺(tái)的不足，讓學(xué)生清楚地了解操作的細(xì)節(jié)。

圖2 演示實(shí)驗(yàn)Cr(III)配合物的制備視頻截圖

在發(fā)布預(yù)習(xí)任務(wù)時(shí)，教師將預(yù)習(xí)要求和預(yù)習(xí)問(wèn)題同時(shí)發(fā)布在雨課堂里，學(xué)生根據(jù)要求自主預(yù)習(xí)，提前寫好預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)報(bào)告，并且完成預(yù)習(xí)問(wèn)題(圖3)。

圖3 預(yù)習(xí)要求和預(yù)習(xí)問(wèn)題示例

2.2 課上交流

我校無(wú)機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)課教學(xué)采取的是研究型教學(xué)模式。在課堂上，教師僅僅是引導(dǎo)者，對(duì)于有實(shí)驗(yàn)步驟的常規(guī)實(shí)驗(yàn)，教師的任務(wù)是設(shè)置問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生思考，通過(guò)討論找出實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵影響因素，從而加深學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的理解，完成知識(shí)的傳授和能力的培養(yǎng)；而對(duì)于綜合性的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，需要學(xué)生自己查閱資料，提前設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，課上教師和學(xué)生一起討論方案的可行性，最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。這樣的授課模式讓學(xué)生成為課堂的主體，極大地激發(fā)了他們的學(xué)習(xí)熱情和求知欲，培養(yǎng)了學(xué)生的探索精神和創(chuàng)新能力。

本次實(shí)驗(yàn)課教師主要設(shè)計(jì)了以下問(wèn)題：

(1) 什么是分裂能？

(2) 分裂能受哪些因素的影響？

(3) 怎么測(cè)定分裂能？

(4) 怎么制備配合物？

整個(gè)課程通過(guò)以上問(wèn)題串連起來(lái)，在通過(guò)騰訊會(huì)議的授課過(guò)程中，教師逐一提出上述問(wèn)題，根據(jù)學(xué)生的回答情況進(jìn)行引導(dǎo)和總結(jié)。因?yàn)榍捌趯W(xué)生已經(jīng)進(jìn)行了預(yù)習(xí)，而且這些問(wèn)題中的一部分在預(yù)習(xí)問(wèn)題中出現(xiàn)過(guò)，所以學(xué)生都有了比較充分的準(zhǔn)備。在討論前兩個(gè)問(wèn)題的過(guò)程中，完成了對(duì)實(shí)驗(yàn)原理-晶體場(chǎng)理論部分的回顧和復(fù)習(xí)；在討論測(cè)定分裂能的問(wèn)題時(shí)，加入了對(duì)紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)原理和操作的介紹，并通過(guò)拍攝的演示視頻帶領(lǐng)學(xué)生體會(huì)操作過(guò)程(圖4)；在討論制備配合物的問(wèn)題時(shí)，除了傳統(tǒng)的加熱回流方法以外，還進(jìn)行適當(dāng)?shù)臄U(kuò)展：介紹水熱溶劑熱法以及微波法，讓學(xué)生了解學(xué)科發(fā)展前沿。接著，和學(xué)生一起對(duì)實(shí)驗(yàn)中的關(guān)鍵操作進(jìn)行討論并總結(jié)如下：

圖4 紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)的使用視頻截圖

(1) 制備K3[Cr(C2O4)3]時(shí)，一定要將燒杯拿離電爐，否則反應(yīng)太激烈；

(2) 減壓抽濾時(shí)，要用母液轉(zhuǎn)移固體；

(3) 制備K[Cr(EDTA)]時(shí)，要調(diào)節(jié)pH 3–5；

(4) 吸收光譜前，一定要做基線；

(5) 兩個(gè)樣品池，靠外面的放樣品，靠里面的放去離子水。

然后，指導(dǎo)學(xué)生在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上練習(xí)。因?yàn)閷W(xué)生對(duì)平臺(tái)的使用已經(jīng)比較熟悉，再加上已經(jīng)看過(guò)了演示實(shí)驗(yàn)視頻，所以學(xué)生的操作都比較順利，即使遇到問(wèn)題，學(xué)生也可以通過(guò)騰訊會(huì)議的屏幕分享展示給老師和同學(xué)尋求幫助。

最后，組織學(xué)生對(duì)本次實(shí)驗(yàn)進(jìn)行反思和總結(jié)。本次實(shí)驗(yàn)涉及配合物的制備和分裂能的測(cè)定兩部分，學(xué)生反映配合物的制備還是希望有機(jī)會(huì)在線下真正操作，這樣更能真切地體會(huì)到成就感；而分裂能的測(cè)定部分學(xué)生對(duì)于線上教學(xué)的模式予以了認(rèn)可。線上教學(xué)學(xué)生可以反復(fù)觀看教師拍攝的講解視頻，能在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上重復(fù)練習(xí)，雖然不是親手操作，但是學(xué)生感覺(jué)對(duì)儀器的使用反而掌握得更好。

2.3 課后擴(kuò)展

配合物是無(wú)機(jī)化學(xué)的前沿?zé)狳c(diǎn)研究領(lǐng)域之一，關(guān)于新型配合物的制備及其在光學(xué)材料、電學(xué)材料、磁學(xué)材料、催化材料、氣體分離和存儲(chǔ)等方面的應(yīng)用研究是人們關(guān)注的重點(diǎn)。要求學(xué)生在提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告時(shí)，通過(guò)查閱資料，以配合物的制備和應(yīng)用研究為主要內(nèi)容，寫一份調(diào)研報(bào)告，督促學(xué)生關(guān)注學(xué)科前沿。

3 教學(xué)效果與反思

無(wú)機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程線下授課時(shí)，課程的考核成績(jī)?nèi)縼?lái)源于平時(shí)成績(jī)，包括操作(30%)、預(yù)習(xí)(20%)、實(shí)驗(yàn)報(bào)告(40%)和小組評(píng)議(10%)。此次線上授課，除了操作，其他環(huán)節(jié)的計(jì)分情況沒(méi)有改變。為了和線下教學(xué)的實(shí)驗(yàn)報(bào)告情況進(jìn)行比較，我們沒(méi)有使用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)報(bào)告系統(tǒng)，而是讓學(xué)生自己書寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告并上傳。為了考查學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)操作的掌握情況，課程結(jié)束前我們專門組織了一次線上考試。30分試題的考查平均分達(dá)到了27分，表明學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)操作的掌握情況良好。實(shí)驗(yàn)報(bào)告的書寫情況與線下教學(xué)幾乎沒(méi)有差別，這也進(jìn)一步說(shuō)明線上授課沒(méi)有影響教學(xué)效果。我們又對(duì)參與課程的936名學(xué)生進(jìn)行了無(wú)記名問(wèn)卷調(diào)查，從學(xué)生的反饋情況來(lái)看，94%的學(xué)生認(rèn)為線上教學(xué)效果好(其中42%的學(xué)生認(rèn)為效果很好)，75%的學(xué)生認(rèn)為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)有助于操作訓(xùn)練，89%的學(xué)生希望進(jìn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)際操作。

通過(guò)一個(gè)學(xué)期的線上授課實(shí)踐，我們認(rèn)為在以后的實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)中，線上線下混合式教學(xué)將會(huì)是一個(gè)很好的發(fā)展方向。一方面可以充分利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、MOOC等網(wǎng)上資源，讓學(xué)生的學(xué)習(xí)不受時(shí)空限制，更加靈活，而且學(xué)生可以通過(guò)人機(jī)互動(dòng)模式在線自主實(shí)驗(yàn)，通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境的代入感，突破實(shí)驗(yàn)資源的限制，能夠反復(fù)練習(xí)，提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)的積極性，增強(qiáng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力；另一方面線下的實(shí)際操作可以強(qiáng)化學(xué)生對(duì)操作細(xì)節(jié)的認(rèn)識(shí)，獲得最真實(shí)的實(shí)踐體驗(yàn)，培養(yǎng)良好的實(shí)驗(yàn)習(xí)慣。但是如何充分利用線上線下兩種教學(xué)形式的優(yōu)勢(shì)，加強(qiáng)師生互動(dòng)交流，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性，實(shí)現(xiàn)人才培養(yǎng)目標(biāo)，還需要在以后的教學(xué)實(shí)踐中加強(qiáng)探索。