教育现代化背景下分析化学实验课程的信息化建设

2021-06-24姚奇志李玲玲刘红瑜

实验室研究与探索 2021年5期

李娇，金谷，姚奇志，李玲玲，刘红瑜，魏伟

（中国科学技术大学a.化学与材料科学学院；b.化学国家级实验教学示范中心，合肥 230026）

0 引言

《加快推进教育现代化实施方案（2018—2022年）》明确指出，不断促进信息技术与教育教学深度融合，支持学校充分利用信息技术开展人才培养模式和教学方法改革，信息技术对教育发展具有革命性影响［1-2］。随着信息化时代的到来，教学信息化是高校教学改革实现跨越式发展途径。以学生为中心，以“互联网＋教育”为思路，促进课堂教学与基于信息技术的自主学习深度融合，对教学模式、教学内容、教学形式进行综合性、系统化改革，加强课程建设，推动信息技术与教学深度融合［3］，给学生提供更加生动、便捷的学习体验，激发学习热情和创新能力。

1 传统教学的弊端

化学实验教学中心开设的分析化学实验课程面向全校化学、材料、高分子、地球化学等专业的学生，教学覆盖面较广，传统教学模式与时代发展走向相佐，具体体现在以下几点：①学生不重视实验课，学生不愿意投入时间到实验课上；②实验预习流于形式，学生基本上处于被动学习状态，无法达到有效的实验教学的根本目的［4］；③教学形式枯燥、无新意，缺乏直观性；④师生基本“零”交流，“学生懒得问，教师没时间问”，折射出目前在校大学生治学和求知的消极心态。⑤教师分身乏术，基础操作、实验内容重难点及实验安全等方面都需要教师从旁监督和指导，做不到对每位学生都进行细致指导。

综上所述，传统的教学模式已经落后于时代的发展，现代信息网络化建设会逐步填补传统教学形式的不足之处，两者优势互补，相辅相成，共同促进教学改革的长远发展。

2 分析化学实验课程的信息化建设

分析化学实验教学紧跟时代步伐，结合自身特点，利用“现代＋传统”信息技术成果，不断完善教学手段，积极建设了多维度新型信息化平台（见图1）。利用信息化平台，学生可以随时随地利用智能手机或者便携电脑进行自主学习（预习＋复习＋拓展），体现了“以学生为主体，教师为辅”“自主学习和课堂教学相结合”的教学模式，融入开放式实验教学的特点，能有效拓展实验教学的时间和空间，充分调动学生学习积极性，大大提高了实验教学质量，全面提升人才培养质量。

图1 课程信息化建设内容

2020年初，新冠疫情的蔓延导致学生无法按时返校，这对实验教学的影响远超理论课程，线下实验难以开展，这些信息化建设的成果起到了雪中送炭的重要作用，在非常时期下保障了正常实验教学的顺利开展，教学效果远超预期。

2.1 微信公众平台建设（手机端）

通过微信公众平台，向学生提供优质教学资源，也可即时发布各种实验知识、安全知识、科研前沿热点和课程安排等，培养学生预习复习的良好习惯，拓展学生的知识领域，提高学生的安全意识，促进师生之间的互动与交流，提升实验教学质量。

2.1.1 微信公众平台的建设模式

分析化学实验室的微信公众号为“蜗壳分析化学实验室”。所有课程资源均通过微信公众平台进行展示和推送，学生通过扫描二维码关注课程公众号后就可进入该平台查阅信息，见图2［5-9］。根据实验课程特点，采用微信公众平台辅助课程教学中对该平台的建设模式设置如下：

图2 微信公众平台构架及二维码

具体菜单项。Lab安全菜单——实验室介绍、实验室安全知识、安全应急预案；课程资讯菜单——实验注意事项（实验规章制度、仪器设备使用及注意等）、课程安排、实验报告要求；掌上随学菜单-课程资源合集。

实验室安全是实验教学的前提，将安全放置于首位，提醒学生安全第一原则；课程资源目前包含多媒体课件（PPT）、教师制作视频以及学生自制基础操作视频。为了便于学生对常规教学实验的进一步理解和掌握我们将这些实验内容拍摄、剪辑，为学生自主学习、辅助教师教学服务。

2.1.2 微信公众平台的教学实施模式

微信公众号的应用只是辅助分析化学实验教学，如何将其更好的应用于实践教学，更好地激发学生的学习兴趣和主动性，主要在于教师的引导方式。经过教学实践，公众号在课程教学的课前和课后环节都得到了应用，见图3。

图3 微信公众号辅助实验教学具体表现形式

2.2 信息化资源建设

2.2.1 创新“动态”PPT课件制作，提高教学质量（电脑端）

区别于传统“文字化”课件（PPT文件），创新“动态”课件加入了动画元素，可以轻松实现分析化学实验的整个过程，让学生对实验过程一目了然。例如：实验步骤中试剂加入、震荡搅拌、滴定动作、颜色变化等，将繁琐的实验流程简化为可视化的动态演示，有助于学生更为直观的感受整个实验步骤，提高教学质量和教学效果。以两个综合实验为例，“聚乙二醇－硫酸铵－亚硝酸盐体系用于钴镍的分离富集和测定”，整个萃取过程，颜色变化、“SDS在Al2O3表面的自组装及用于铜离子的分离、富集及测定”铜离子富集，原理过程如图4、图5所示。

图4 “聚乙二醇－硫酸铵－亚硝酸盐体系用于钴的分离富集和测定”萃取过程，颜色变化

图5 “SDS在Al2 O3表面的自组装及用于铜离子的分离、富集及测定”铜离子富集原理

另外，针对学生在实验中可能遇到的问题和可能出现操作失误之处，编写注意事项，使学生知道在实验中遇到类似问题时应该如何处理；此外，提出实验拓展供学生课后思考。

2.2.2 精选实验项目，制作教学视频及微视频（电脑端＋手机端）

分析化学实验课程中采用视频教学法，使得所学知识能够进一步加深巩固，能极大程度地激发学生的学习兴趣，也提高了学生的实验技能和创新意识，把学习从课堂上拓展到随时随地，一改传统的“教师在课堂上灌输知识，学生被动接受”的局面，从而达到教学效果的较优化。同时也摆脱了现实教学中场地少、时间紧等的限制，让学生有更充分的实践和动手机会，为创新应用型人才的培养提供帮助［10］。

为了更好地帮助学生理解和掌握实验内容，在充分讨论、精选实验内容的前提下精选实验项目，按照实验室安全教育微视频、基本操作微视频，基础实验和综合实验四个部分拍摄，制作成教学短视频，视频中采用了大量特写镜头对实际过程进行细微的记录和示范，直观生动；后期用“Adobe Premiere Pro”软件对视频进行剪辑和制作，在教学视频中还添加静态图片，并进行文字或图示说明。教学视频的内容主要包括实验目的、实验原理、实验操作和流程、注意事项以及思考题等，能方便初学者尽快理解实验原理并熟练。

(1)个人安全防护教学视频。“安全是重中之重”，一切实验教学活动都建立是需要建立在安全的基础之上，因此，微视频教学从课前实验室安全教育开始是必须的［11-13］。教师主动收集素材，自己拍摄、学会剪辑、DIY制作视频，将难于用语言精确表述的实验安全操作和实验室安全技术等教学内容制作成教学微视频，见图6。在分析化学实验的先导课上，对新生进行化学实验的安全培训。在安全教育过程中，介绍化学实验室的危化品使用、防灼伤烫伤、防触电等安全防护措施，包括喷淋、洗眼器的使用、实验事故应急方法。

图6 实验室安全教育视频

(2)基础型实验教学视频。分析化学实验对“量”的概念的要求尤为严格，规范基本实验操作是前提条件，但由于基础实验操作内容琐碎，学生短时间完全掌握不容易，为此，教师将一系列基本操作分别制作成短视频，以巩固学生基础实验操作的熟练性和规范性，见图7。

图7 基本实验操作视频

与此同时，为巩固基础实验操作，充分调动学生对基础操作技能的积极性，尝试举办微视频竞赛（小班尝试），学生以小组为单位，分工合作，对于优秀的制作团队设置了小奖状、小奖品之类以示鼓励，让学生收获满满成就感。学生对视频制作积极性也很高，制作的视频各具特色，远超过教师的预期。

通过自制微视频，学生对基础操作有了更为深刻印象，实验过程中更具自信心，提升了实验效率和数据准确性。同时，自制微视频补充和丰富了分析化学实验课程线上学习资源，微视频能反复观看学习，学生的基础操作的熟练程度提升明显，大大节约了教师重复指导实验细节的时间，其教学效果更优。

(3)基础型实验教学视频。定量分析化学实验依据溶液颜色的变化来控制实验的进程，特别是滴定前的预处理中，颜色变化复杂，仅通过课前预习和老师的讲解，很难让学生更深入的理解。以“无汞盐法测定铁矿石中全铁”为例，实验中不仅要求有熟练的基本操作技能，而且有复杂的预还原步骤：矿样溶解完全，溶液呈橘黄色。近沸条件下，滴加15%SnCl2到浅黄色，加入3滴硅钼黄指示剂，溶液为黄绿色。改用2%SnCl2滴到溶液为纯蓝色，立刻加入100 mL蒸馏水，避免空气中O2氧化Fe2＋带来误差，最后用重铬酸钾标准溶液予以滴定。

此实验整体操作难度大，预处理和滴定过程中颜色众多，学生若对这种处理方式没有直观的真实感受，很难对实验进行精准控制，见图8。视频可供学生反复观看，实际实验中事半功倍，效果显著改善。同时，也包含预处理中可能出现的意外及处理方法，提醒学生需要注意和规避的操作。

图8 “无汞盐法测定铁矿石中全铁”各步骤颜色变化

2.3 开展混合式教学（手机端＋电脑端）

2020年初，新冠病毒在国内的爆发严重影响了全国高校的教学进程，对实验教学的影响尤为突出。为响应“停课不停教、停课不停学”要求，化学实验教学中心依托化学国家级实验教学示范中心和化学国家级虚拟仿真实验中心来开展化学实验教学工作，及时调整教学计划，实行“一课一策”的信息化教学方案［14-15］。分析化学实验课程组依据自身课程特点，结合微信公众平台、Blackborad（Bb）教学平台和ClassIn在线课堂等平台实施线上实验教学，取得了良好的教学效果。

（1）微信公众平台中信息化课程资源，供学生在线预习。Blackborad（Bb）教学平台，供学生上传预习实验报告。

（2）建立微信／QQ群，开展混合式教学。为了更好地开展线上答疑解惑和互动交流，在实验开课前，由教师建立微信群，助教和学生入群。每次实验前，教师把实验的原理、实验的设计思路以及实验过程的关键操作等设计成预习题发布在群里，让学生进行有针对性的预习和准备工作，突破了教学学时对实验教学平台的限制。同时，针对实验过程中出现的异常现象，无法给出明确结论的，可以通过微信群进一步的探讨交流。微信群不仅可以加强师生沟通交流，也为同学们展示实验成果、讨论实验现象提供平台，锻炼了相互沟通能力。

（3）通过ClassIn在线课堂（直播互动）以PPT论述、质疑提问、答辩讨论等多种教学形式与学生实时而深度的互动，学生参与度高，积极性更高，线上答辩考评的实际效果远超过预期，值得我们深入思考总结。

（4）待疫情结束开学后，学生再补做实验，将线上线下有机融合，完成整个实验教学活动。这次疫情催生的线上信息化教学及考核模式，为今后的教学工作开拓了新思路，如何做到线上线下有机结合，优势互补，相辅相成，这是我们以后需重点关注和研究的教学方向。

2.4 强化实验室信息化管理

2.4.1 微信公众平台下实验室管理模式（手机端）

在传统实验室管理模式中，引入信息化管理的新思路，有效提升管理水平。

(1)实验室安全管理。建立教师每日安全管理检查及公开通报的安全管理新模式，即：教师将每日安全检查情况，直接用手机拍照或者录像，上传至公众号，并予以推送，以督促每位教师和学生及时整改并时刻谨记安全第一，让安全风险处于可控状态，真正做到防患于未然，确保实验室安全无虞。

(2)教学管理。建立统一的信息化教学新方式。根据每学期实验室仪器更新情况和教学要求的调整，及时更改和推送具体的实验要求，使得每位教师的教学要求统一规范。

(3)仪器管理。建立实验仪器设备的动态管理新模式，实现仪器报修工作的网络化。仪器出现故障，师生可直接用手机拍照或录像，上传至公众号，实现简单及时的网络化报修。

(4)药品试剂及玻璃仪器管理。建立药品和玻璃仪器的库存动态管理新模式，实现药品及玻璃仪器库存的网络化。方便教师和学生及时查阅其库存情况，以便及时采购和增添。

2.4.2 二维码应用，提高教学管理效率（手机端）

历年来，实验室的实验教学内容安排、学生排位表、玻璃仪器柜清单、试剂清单、玻璃仪器存放单、仪器使用说明等都需要打印并贴在醒目的位置，而且每学期都需要大量更换（纸质破损或丢失），造成纸质严重浪费。针对这一方面，我们采用新型二维码的形式，将上述表单的内容制作成相应的二维码，贴在相对应的仪器或者柜面上，在实施实验操作前，学生自行扫二维码获取相关内容，方便学生随时查阅，同时避免纸质浪费，提高教学管理效率。