互助式智能化实验操作考核与评价——以分析化学实验操作考核为例

于晓锋，王光荣

(蚌埠学院 材料与化学工程学院，安徽 蚌埠 233000)

分析化学实验是高等院校化学、化工、环境、医学、生物工程、食品科学、制药等专业的基础实验课程，是分析化学课程教学中不可或缺的重要组成部分，并且具有很强的操作性.多年来我国高校的实验考核主要以实验报告为准，这种评定方法挫伤了许多学生的积极性，不能够真实的反映学生们的实际水平和能力，也不利于学生在实验中养成良好的实验习惯[1].以往实验课考核“重理论轻实践，重笔试轻操作”[2]，实践证明，这种分析化学实验考核方式存在很多弊端，教学方法和手段不利于锻炼和培养学生勤于思考的学习习惯，也不利于创新能力和团结协作精神的培养[3].随着现代技术的发展，电子化、线上化使各行各业产生了翻天覆地的变化.教师对学生的评价体系中也引入了各种智能化技术和设备.本课题组设计的智能化分析化学实验操作考核，一是提高了学生的学习主动性，二是可以改变单一教师主观评价的不公平性.

1 分析化学实验操作考核的必要性和重要性

分析化学实验课中基本操作训练和实验技能的培养，对于学好分析化学起着非常重要的作用，分析化学实验既能培养学生严谨求实的科学态度、认真细致的科学实验习惯和积极探索的实验精神，又能锻炼学生观察、分析、解决问题的能力，激发学生的思维能力和创新能力[4-10].现有的分析化学考核体系，也一定要能跟上时代的步伐.科学的实验考核方式不仅可以科学评价学生实践、动手能力，同时也能提高学生学习的积极性[11].除平时实验严格要求外，加强实验操作考核是必不可少的评价措施和激励手段.由于实验有其自身特点，不可能象理论课那样，全班同学一起考，而逐个考核时间又不允许，分析化学实验操作考核通常比理论课的考核困难得多，实验的准备时间和操作时间较长，由于这些特点，对考核提出了更高的要求[12-14].

为此，我们对实验考核的考场进行了重新设计，制定了分析化学实验操作考核评分细则，学生之间利用手机互相录像并结合智能识别、水印等技术互相评价，从而建立了一种新的分析化学实验课操作考核及评价办法，以此来加强实验考核，激发学生实验学习的积极性和主动性，强化学生的基本操作技能，提高学生的动手能力和实际解决问题的能力，巩固其对理论知识的掌握程度.

2 分析化学实验操作考核考场及“隔间”设计

2.1 分析化学实验操作考核考场设计

选择一实验室作为分析化学实验操作考核标准化考场，室内长1190 cm，宽850 cm，里面均衡放置三个实验操作台，上面悬挂抽风装置，每个实验操作台长550 cm、宽140 cm、高70 cm.每个实验操作台两边设有10个实验操作考核“隔间”，一个考场共30个“隔间”，可供30位考生同时考核，详见图1“分析化学实验操作考核考平面场示意图”.

2.2 隔间设计

在每个实验操作台面上分别用厚约1-2 cm、高120 cm、宽90 cm(其中20 cm伸出台面)的薄板进行隔离，组成10个“隔间”，每个考场有30个隔间.隔间是学生进行实验操作考核的地方，避免了考生之间互相影响，防止他们看到旁边考生的考核操作过程.每个隔间的左边设有水槽，水槽上安装有自来水龙头、纯水开关、溶解试样，溶液稀释所需纯水随时可以取用.隔间的右边安装了电源插座，供电子天平、电子台秤插电使用.详情见图2“分析化学实验操作考核隔间平面示意图”.

图1 分析化学实验操作考核考场平面示意图

3 分析化学实验操作考核流程

3.1 考前

(1) 教师制定具体考核内容及学生互相评分详细标准.向学生陈述打分细则和要求.要求学生严格按照评分细则进行打分，符合就为满分，不符合就为零分.考核结束，教师随机抽查，如发现某一同学对另个同学打分错误点超过3个，判定打分无效.某同学三次打分判定无效，其最终成绩向下降一档.

(2) 布置考场，实验员在每个隔间内提前摆放好考核所需要的仪器、试剂等，隔间水、电畅通.

(3) 学生成立考核互助小组，每个小组由2人构成.

3.2 考中

(1) 教师公布考核内容，告知考核时间，宣布考核开始，按照考前分组，同组内甲同学开始考核，同组乙同学在甲同学的旁边用手机帮助甲同学录像.

(2) 教师在考场来回巡视，监督整个考场.考核期间学生不得讲话，不得互相提示，不得做与考试无关“小动作”，不准“窥视”旁边同学的考核操作.

(3)甲考核结束时，教师宣布所有考生停止操作.教师随即更换考核内容，同组学生互换“角色”，乙同学考核，甲同学使用手机帮助乙同学录像.

3.3 考后

(1)将实验操作全程录像上传至网络学习平台内进行智能水印生成，平台根据人工智能识别学生拍摄的整段视频中的仪器或试剂，将学生拍摄的整段视频中的仪器或试剂与教师拍摄的完整正确的实验操作视频中的仪器或试剂进行对比识别，并将教师拍摄视频中的对应每段实验内容的评分细则以水印的形式自动生成在学生所拍摄视频的对应内容中，并通过平台将生成有水印的视频回传至对应学生的手机中.学生可以根据平台回传的带有水印的视频，水印中包含的评分细则，在观看录像进行评分的过程中进行对照，对各自拍摄的考核录像视频进行评分，将评出的成绩和考核录像交给学习委员，然后统一交给教师.

(2)教师结合考核录像对学生的考核成绩进行随机抽查核实.

3.4 录像注意事项

(1)学生需正面对着手机镜头报出自己姓名、学号，然后开始考核；(2)手机录像时要确保考核过程中没有换人，操作到哪里，就录到哪里；(3)手机事先充足电.

具体考核安排详见图3“实验操作考核流程图”.

图3 实验操作考核流程图

4 分析化学实验操作考核实施案例

以蚌埠学院材料与化学工程学院应用化学专业某年级60名学生为考核对象，考前成立学生互助小组，商定先考者及手机录像者，由学习委员统计后报给老师.分两批次每批30人进行考核.为了确保考核的公正性，第一批考核的内容与第二批考核的内容不同，但考核操作要点、难度基本一致，评分标准基本一致，考核时间均为1 h.主要考核学生基本操作能力、仪器安装及使用能力、独立分析问题和解决问题能力、记录及表达能力、团队合作精神及环保意识等.

4.1 考核内容

教师考前公布考核内容，学生考前可以根据考核内容提前自行操作训练.正式考核时学生不得将考核内容带入考场.

第一批考核内容：食醋总酸度的测定[15].

(1)0.1 mol/L NaOH溶液的配制

用电子台秤称2 g固体NaOH于烧杯中，立即加入纯水使之溶解，冷却后转入试剂瓶中，加入纯水稀释至500 mL，用橡胶塞塞好瓶口，充分摇匀，备用.

(2)0.1 mol/L NaOH溶液的标定

用差减法称取邻苯二甲酸氢钾基准物质0.4-0.6 g于250 mL锥形瓶中，加入40 mL纯水溶解，加入2-3滴酚酞指示剂，用待标定的NaOH溶液滴至溶液呈微红色并保持30 s不褪色，达到终点.平行标定3份，计算NaOH溶液的浓度及平均值.

(3)食用醋总酸度的测定

准确吸取食用白醋25.00 mL于250 mL容量瓶中，加入纯水稀至刻度，摇匀.用移液管移取25.00 mL上述稀释后的试液于250 mL锥形瓶中，加入2-3滴酚酞指示剂.用上述0.1 mol/L NaOH标准溶液滴至溶液呈微红色且30 s内不褪色，到达终点.平行测定3次，根据消耗的NaOH标准溶液体积，计算食用醋总酸度ρHAc(g/L).

第二批考核内容：自来水总硬度的测定[15].

(1)EDTA溶液的配制：用电子台秤称取2 g乙二胺四乙酸二钠盐于500 mL烧杯中，加入纯水搅拌使之完全溶解，稀释至刻度，倒入玻璃瓶中，摇匀，贴上标签.

(2)Ca2+标准溶液的配制：用差减法准确称取0.23-0.27g基准CaCO3粉末于100mL洗净的烧杯中慢慢滴加约10 mL 6 mol/L HCl溶液，使CaCO3全部反应溶解，将溶液定量转移到250 mL容量瓶中，用纯水稀至刻度，摇匀，计算Ca2+标准溶液准确浓度.

(3)EDTA溶液准确浓度的标定：用移液管吸取25.00 mLCa2+标准溶液于锥形瓶中，加1滴甲基红指示剂，滴加7 mol/L氨水至溶液由红变黄，再加20 mL纯水、5 mL Mg2+-EDTA溶液、10 mL NH3-NH4Cl缓冲溶液、2滴铬黑T指示剂，用待标定的EDTA溶液滴定至溶液由酒红色变为蓝绿色，平行滴定3次，计算EDTA溶液准确浓度.

(4)自来水总硬度测定：取一干净大烧杯接自来水500 mL，用移液管移取100.00 mL自来水于250 mL锥形瓶中，加入3 mL三乙醇胺溶液，5 mL NH3-NH4Cl缓冲溶液、2滴铬黑T指示剂，用EDTA标准溶液滴定至溶液刚好由红色变为蓝色，记下读数，平行滴定3次，计算自来水的总硬度.

4.2 仪器、试剂

(1) 仪器，见表1.

表1 分析化学实验操作考核仪器清单

(2) 试剂：固体NaOH(每人10 g)；酚酞溶液(2 g/L，乙醇溶液)；邻苯二甲酸氢钾基准物质(100-125 ℃下干燥后备用)(每人5 g)；食用醋试液；乙二胺四乙酸二钠盐；NH3-NH4Cl缓冲溶液；铬黑T(5 g/L)：称0.50 g铬黑T溶于25 mL三乙醇胺与75 mL无水乙醇的混合溶液中，低温保存，有效期约100 d；CaCO3基准物质(于110 ℃下干燥2 h，稍冷后置于干燥器中冷却至室温备用)；Mg2+-EDTA溶液：先配制0.05 mol/L MgCl2溶液和0.05 mol/L EDTA溶液各500 mL，然后在pH=10的氨性条件下，以铬黑T为指示剂，用0.05 mol/L EDTA溶液滴定0.05 mol/L Mg2+，根据所得比例将这两种溶液进行混合，确保所得Mg2+-EDTA溶液中n(Mg2+)∶n(EDTA)=1∶1.

4.3 考核过程

按照事前分组，第一批30名学生进行考核，另30名学生用手机分别给本组同学的考核进行录像，考核内容为“食醋总酸度的测定”，考核时间1 h.第一批考核结束后，同组学生互换，第二批30名学生(第一批录像的学生)进行考核，第一批考核的学生给同组学生录像，考核内容为“自来水总硬度的测定”，考核时间也是1 h.考核时带笔和数据记录本，不得携带与实验有关的资料.录像学生镜头始终不能离开考核的学生，考核时教师在整个考场巡查监督，考核期间，学生不得讲话，不得做与考核无关的事情，不得窥视旁边学生的实验操作，考核时间到达即停止操作，手机录像也同时停止.

4.4 考核评分细则

主要对仪器安装及使用、操作技能、实验结果及精密度、时间把握、卫生及环保意识进行评价.注意，考核结束后教师才能公布评分细则，教师在考核结束后将评分细则发到学生班级QQ群里，也可以发到移动学习端手机学习通上或电脑的“网络学习平台”上.详见表2“分析化学实验操作考核评分细则一”、表3“分析化学实验操作考核评分细则二”.

4.5 考核结果与分析

同样的考核内容，以往实验操作考核，60名学生需逐个考核，考核共需要时间60 h，而使用手机录像智能化考核方法，每30人一批，二批考核时间只需要2 h，考核时间大大缩短，效率得到提高.

考核全部结束后，学生之间互相打分，得到60位同学实验考核成绩如下：90-100分4人，80-89分13人，70-79分26人，60-69分15人，50-60分2人.考核成绩符合正态分布，见图4，说明考核结果符合实验教学评价要求，考核的难度比较适中，信度可靠，本考核满足教学要求[16].

图4 分析化学实验操作考核成绩正态分布图

教师在6个分数段各随机抽查一名学生的考核成绩与考核录像中的操作进行核实，发现学生实验考核成绩真实可信.

从考核录像中发现少数学生实验操作中出现的主要问题有：(1)滴定管读数不准，没有读取到小数点后2位，例如读成22.5 mL；(2)滴速太快，接近终点时滴速仍然较快，导致终点滴定误差较大；(3)滴定管装入溶液时下端存有空隙，产生误差；(4)实验台面不整洁.教师将这些问题发到学生班级QQ群里或网络学习平台上，提醒同学们回看实验操作考核录像，及时纠正错误.

5 结 语

在手机录像智能化操作考核过程中，创新了评分审核方法，提高了评分的准确性，学生主体地位得到充分体现，合作意识得到加强，体验感倍增，学生普遍比过去更加重视实验操作技能的训练；课余时间，学生们自觉来到实验室进行考前操作练习，这种以考促学，以考促教的方式突显了这种考核方法以学生为中心的教育导向，强化了实验课程学习的重要性，提高了学生的学习积极性.同时，这种考核方法时间短，效率高，考核结果符合教学要求，对提高学生的动手能力和创新能力起到了很大的推动和促进作用，也为同学们将来的工作打下扎实的基础.