分析化学实验课程线上线下教学改革与实践

崔培培，王晓艳，高素华，薛松

（天津理工大学化学化工学院，天津 300384）

0 引言

化学是一门以实验为基础的自然科学，化学实验教学也是本科教学的重要环节。分析化学实验课程是为了巩固和加强学生们对分析化学课程基本原理的理解和掌握，树立准确的“量”的概念，培养学生独立思考问题、解决问题及实验实际操作的能力。因此，分析化学课程的理论教学与分析化学实验课程教学是完整不可分割的一个体系，其中分析化学实验与分析化学理论课程密切相关，搞好实验教学，是完整掌握分析化学知识的重要环节。

天津理工大学化学化工学院、环境科学与安全工程学院的大一学生均必修分析化学实验课程。其中，化学化工学院各个专业修分析化学实验A，为48 学时，环境科学与安全工程学院各个专业修分析化学实验B，为16 学时。目前授课教师仅有两位，且无实验员配置；实验室仅有两个；授课班级化工学院为11 个，环安学院为10 个，每班30～40 人不等。由于班级多，教师少，实验场地有限，通常实验课从开学初期便开始进行，即学生在没有理论知识支撑的情况下，就进入实验室进行实验课程的学习；且授课模式大多为教师讲解，学生按部就班完成实验。而多数大一新生，由于高中多年题海经历，通常重理论、轻实践，多数同学对于实验课程的学习重视程度不够，学生实验课主动性不高，教学效果不理想，部分学生甚至出现数据造假、报告抄袭等现象。如何利用现有教学资源，以及如何利用网上的一些免费教学资源，进而提高分析化学实验课程的教学质量，是我校实验课程教师一直在思考的问题。分析化学实验课程的教学改革已势在必行。

近年来，由于互联网相关技术的迅猛发展，为各学科进行线上教学提供了物质基础和技术储备，线上线下混合式教学模式在高校中广泛开展[1]。线上线下混合教学模式的构建，一方面需要有适用于师生的线上教学资源[2]；另一方面，还需考虑学生学习的自主性。学生学习的主观能动性需要学生养成良好的学习习惯，此外也可以采取合适的制度进行加强。近两年来，新冠疫情极大地影响了各个学校的正常教学秩序。各个学校都在探索线上线下相结合的教学模式，尤其是在理论课程教学方面，各个学校已经发展了多种多样的线上教学资源。相对于理论课程线上教学资源的蓬勃发展，实验课程的线上教学改革研究相对较少。这可能是由于实验课程的本身性质所决定的，实验课程需要学生有现场参与性，所以较难进行线上教学。天津理工大学化学化工学院的线上教学资源开发起步相对较晚；且由于资金和教师精力所限，短时间不可能完成所有实验内容的线上教学资源的创建。如何利用现有资源和条件，在不增加资金投入的前提下，开展线上线下混合式教学，我院做了一系列教学改革尝试，在传统分析化学实验课程基础上，引入了多种线上教学辅助平台，在教学实践中探索出了低投入的“线上+线下”实验教学的新模式。

1 线上部分

鉴于分析化学实验中基础化学分析和仪器分析内容，均为各大院校通用的实验模块，因此，可充分利用国内重点院校在线共享的教学资源[3]。其中，中国大学MOOC（慕课） 国家精品课程在线学习平台（https://www.icourse163.org）有武汉大学、东北大学、大连理工大学分析化学实验课程在线教学资源。除慕课外，腾讯视频、优酷等网站也有相关视频，如表1 所示。因此，在实验课前，将讲义及视频网址提前发放给学生，学生可以根据自己实际情况选择慕课或相关视频进行学习。学生预习后，教师课前对学生预习情况进行测试，测试内容涵盖实验原理、基础操作要点、数据处理等方面，测试成绩纳入平时成绩。对学生的预习情况进行测试是非常必要的，这有助于防范有些学生偷懒而不进行课前预习。

表2 改革前后实验内容对比

线上教学资源还将纳入安全教育模块，课前发放安全教育PPT、观看实验室安全介绍（网址https://v.qq.com/x/page/n0556k4krym.html） 等相关文件。实验课前通过麦考斯教学质量管理平台进行安全知识测试，测试成绩也纳入平时成绩。根据测试结果，教师对首次实验课的备课内容进行微调，确定GHS（全球化学品统一分类和标签制度）、MSDS（物质安全数据单）、PPE（个人防护设备）、紧急处置、废弃物处理等方面学生薄弱环节，方便线下教学中安全教育模块的查漏补缺。除安全知识和传统实验内容外，对于我院制药工程专业和药学专业学生，还开设有药物分析实验。因此，在课前向同学们发放中国药典等有关教学资料（文本资料：http://db.ouryao.com；视频资料：https://v.qq.com/x/page/q0547n66pk6.html）。对于其他分析检测项目国标的使用，也在相关实验课前，发放相关资料。如自来水硝酸氮含量的测定实验课程，发放HJ/T 346 — 2007 《水质 硝酸盐氮的测定 紫外分光光度法（试行）》的国标文件。

除以上发放相关教学资源外，对于设计性实验，由于未知样品为随机抽取，为防止学生课堂实验因不熟悉内容无法展开实验的情况发生，课前向学生发放设计实验相关内容。学生以小组形式团队合作，设计实验方案，拍照后，通过QQ 群上传给老师。教师批改后，引导学生修改相关环节。如未知物可能是酸、碱或盐的实验测定，教师线上指导思路如图1 所示。

对于液相色谱、气相色谱等大型仪器实验，由于涉及仪分析方法原理、仪器工作原理等，在线下教学部分，由于仪器台套数较少，无法实现每位同学都亲自动手操作；仪器都呈模块化设计，无法拆解将内部构造呈现给学生。基于此，利用腾讯课堂在线上展开相关内容的教学。教师准备相关PPT，将液相色谱原理、仪器部件、分析流程等通过线上教学部分完成，使学生在进入实验前，对实验原理、仪器工作原理、分析流程等内容有初步的认识。所有线上考核通过麦考思教学质量管理平台进行。图2 为2019—2020 学年第2 学期化工学院分析化学实验课程线上考核内容。

图2 线上考核内容

2 线下部分

线下教学第一课，首先进行实验室安全教育。根据线上学生背景调查、安全知识测试结果，对GHS（全球化学品统一分类和标签制度）、MSDS（物质安全数据单）、PPE（个人防护设备）、紧急处置、废弃物处理等方面薄弱环节进行查漏补缺。课前测试中发现仅有37% 的学生能正确识别GHS 标识中易燃物质和氧化剂。因此，对氧化剂标识进行强调。另外，针对部分学生“所有药品都很危险”的错误认知进行纠错，对部分学生实验室担心受伤、担心中毒等恐惧心理进行疏导，强调规范操作，安全进行实验，才能体验化学之美。借鉴上海交通大学实验室管理经验，学生在安全教育后，签订安全承诺书[4]。

实验内容的线下教学改革思路，仍以发挥学生主观能动性为主。对于化学分析实验的教学，以教师指导+同伴相互指导的课堂教学模式为主[5]。在首次课前，检查学生基础操作预习情况，根据预习效果适当调整进度。大多数学生通过预习尚未掌握或未真正理解基础操作要点，教师对称量、移取、标定及样品测定等环节的操作要点进行重点讲解，学生和教师进行同步练习，教师分别对每位学生进行单向指导，确保学生明确操作规范后，完成操作练习及相关分析任务；在学生练习过程中，进行同伴相互指导，相互监督基础操作的规范性。为确保教师指导和同伴相互指导相结合的教学效果，平时成绩将基础操作规范纳入考核评定，且对同伴相互指导进行综合评分。化学实验学生通常均需完成称量、标定、移取及测定等操作，将学生常见的错误、废弃物处理及纪律卫生列于考评标准内，四人一组，四人错误累积扣分。考核方式的设置有效规范了学生基础操作。

通过首次基础操作练习教学后，依次进行白醋总酸含量的测定、食用碱总碱度的测定、自来水总硬度、设计实验、自来水中硝酸盐氮的测定、分光光度法测定溶液中微量铁的实验。为更好地发挥学生主观能动性，化学分析设置“未知物组分含量测定”设计实验。学生现场随机抽取未知样品进行实验方案设计后，团队合作完成实验。为防止设计实验学生作弊，全年级11 个班，未知物组分均不同，同一班级如内容相同，则设置不同浓度。同时，要求学生实验步骤必须附有流程图设计，有效提高学生对分析任务过程的理解和实践。

对于pH 计的学习，由于pH 计套数较多，不进行线上教学。气相色谱、液相色谱的学习，由于台套数有限，进行线上线下混合式教学。为保证教学效果，各组分别进行实验。教师在线下部分仍对基本原理进行回顾，对仪器各部件功能进行讲解，让学生进一步熟悉仪器及其分析检测原理；同时，对液相色谱在药物分析中的应用进行讲解，使学生了解药物分析方法、药企分析方法的选择等相关内容。在学生熟悉测试流程后，学生在教师指导下，处理样品，完成标准溶液、样品溶液的进样，并根据谱图进行数据处理。

3 线上线下教学改革效果

采用线上线下相结合的实验教学模式，突破了分析化学实验教学的时空限制，有效缓解学时少、场地少、教师少的教学困境。另一方面，充分利用学生的课余时间，为培养学生自学能力创造了条件，让学生系统学习分析化学实验这门课程，掌握分析化学实验的基础知识和操作技能，很好地完成了分析化学实验课程的教学任务。而且，学生在完成线上教学后，线下实验的时间略有缩短，因此，在不增加学时的前提下，分析化学实验课程A 可由原来的9 个实验增加到11 个，分析化学实验B 由原来的3 个实验增加到4 个，为学生提供更多的实际操作机会。

实施教学改革后，基础操作规范率大幅提高，以移液管为例，正确率从不足50%，提高到90% 以上，其中，2019 级应化3 班学生移液管操作全部合格。滴定管、容量瓶、天平称量操作正确率均能达90%左右。学生学习分析化学实验的兴趣显著提高，特别是未知物组分含量测定的设计实验，学生反映，完成未知溶液的测定实验成就感强，多位同学咨询想进一步学习分析化学，并有意向报考分析化学专业研究生。根据学生的要求，在最后一堂课中，增加了讲解分析化学与化工制药类相关行业发展和现状、分析化学专业研究领域的发展和应用、天津理工大学化学化工学院往届学生就业去向等相关内容。最后一堂课的讲解内容，学生们普遍反映受益匪浅，为今后专业课的进一步学习明确了目标，也激发了学生们考取研究生进行进一步深造的兴趣和动力。

在此次教学改革实施过程中，也发现了一些问题。在课程结束后，进行课后评价，学生反馈结果中，35.2%学生表示认真学习线上材料，57.1%学生表示仅看了一遍，7.7% 学生表示没看。对于在线学习效果，41.0% 学生表示比较适合，45.2% 学生表示效果一般，13.4%学生表示不好，更想在课堂上听讲，0.4%学生表示无所谓。对于分析化学实验线上考核内容，2.2% 认为没难度，81.4% 学生认为难度适宜，16.4%认为难度大。因此，线上线下教学仍需进一步优化。对于教师线下教学严格要求操作规范，85.8%学生认为很有必要，规范操作是确保准确分析的前提，13.4%学生认为老师要求太高，0.8%学生认为，修个学分而已，老师太认真，其实没必要。对于大一学生，对于规范操作仍需加强。只有养成操作的规范性，才能有效地避免实验中的误操作，同时规范性的实验操作也可以有效避免安全事故的发生。

对于实验课程中的安全教育，81.0% 学生选择“安全教育让我开始时刻注意公共场所的安全问题”，15.7% 学生认为“化学实验室比较危险，但实验通常没危险，不然也不会让学生做”，3.3%学生仍认为“校内通常都很安全，安全教育都是例行公事而已”。对于实验课程的安全教育内容，94.6%学生认为除普通消防安全外，危险化学品安全是重点；2.5%学生认为只普通消防知识即可，2.9% 学生认为紧急处置的各种意外情况通常都不会发生。因此，仍需进一步加强安全教育在实验教学中的融入。实验课程的安全融入，可以通过线上的安全教育警示视频，或是通过线下实验课程的授课教师的现身说法，进行进一步加强。

4 结语

探索并实践了在分析化学实验课程中采用“线上+ 线下”混合式教学的新模式，一定程度上突破了分析化学实验教学的时空限制，有效缓解了分析化学实验课程学时少、实验场地有限、教师少的教学困境。通过实施教学改革，学生的基础操作规范率大幅提高，在不增加学时的前提下，扩充了分析化学实验课程的教学容量。此次“线上+ 线下”混合式教学的探索，也发现了一些今后需要改进的地方，比如如何提高学生进行线上学习的主观能动性，以及如何加强实验课程中的安全教育等。这些问题将在后续的“线上+ 线下”混合式教学中进行逐步改进。此次分析化学实验课程教学尝试，为后疫情时代进行化学类实验课程教学“线上+ 线下”混合式教学进行了有益的探索，也为相关院校的实验课程教学提供了一定的借鉴。