微视频辅助下的“分析化学实验”参与式教学

2023-10-13周丽景张洪波

沈阳师范大学学报(自然科学版) 2023年3期

张玲, 周丽景, 于湛, 张洪波

(1. 沈阳师范大学化学化工学院, 沈阳 110034; 2. 沈阳师范大学实验教学中心, 110034)

“分析化学实验”是化学、化工专业的一门基础课程。此课程是在学生理解“量”的基础上,践行定量分析测试任务,并在此过程中实现对学生严谨科学态度的培养及专业技能的训练[1]。此外,扎实的学科技能也是学生在学术探究冲动下实现自我超越的条件,是后期学术创新的基石[2-3]。如何加深学生对“量”的基本理论的认知,并实现学生基本技能的有效训练,将学习由“被动”变“主动”,教学由“教师灌输”变“学生参与”,是需要思考的问题[4]。

目前,“分析化学实验”课程传统教学中存在教师照本宣科、学生获取知识的主动性不足(按方抓药)、考核不客观等问题,使教学目标大打折扣[5]。这些问题的存在,不仅使学生无法践行准确计量的分析任务,而且对整体化学学科的学习也是有百害而无一利的[6-7]。面对实验教学中的这些问题,现实中即使教师有所意识,也常常由于时间紧任务重等原因,陷入想改变也无从下手的局面。近年来,网络上的电子学习资源日益丰富。就“分析化学实验”来说,不仅出现了相关的“分析化学实验”的模拟软件,而且慕课网、超星泛雅平台上也提供了不同高校的“分析化学实验”线上课程,哔哩哔哩等网站上还有很多的“分析化学实验”微视频。这些电子资源脱离了现场仪器、场所的制约,具有资料丰富、形象、可反复观看、易操作等优点,对学生学习兴趣的激发有着积极的促进作用。然而,电子资源提供的实验体验使得学生只能接受既定的感官影像,缺乏现场实验操作技能的培养,抑制了创新的原动力。

因此,就教学效果来说,传统教学具有绝对优势。利用电子资源的特点,在现有实验课传统教学的条件下,结合电子资源的优势进行教学方法的优化成为提升教学效果的一个良好契机[8]。

1 微视频辅助下参与式“分析化学实验”教学初探

1.1 微视频辅助下参与式“分析化学实验”教学方法的建立

在结合电子信息资源进行传统教学优化的实践中,可以利用的电子信息资源主要有电子教案、安全知识视频、实验基本功视频、滴定分析实验操作的完整视频,以及相关的虚拟实验操作练习等。由于传统教学的主要环节是实验室的现场教学,因而电子信息资源的选择应以提供与实验中要点相关的“主题鲜明、针对性强、时间短”的微视频为主[9]。由教师引导学生,本着自发、自主、自愿的原则进行观看。

视频的播放率间接反映了学生在教学过程中的参与度。以沈阳师范大学化学化工学院2021—2022第一学期的“分析化学实验”课为例,通过分析发现,学生在超星泛雅平台上观看的视频的播放率(播放人数/总人数)约为88%,这说明大部分学生在课堂外能够自主地校正和巩固实验技能。

在教学实践中, 教学过程主要分为导课、实验讲解、实验操作、数据记录和处理、操作考核及教学反思6个环节。为了优化教学效果, 针对教学过程中的各个环节提出了相应的实施方案, 如图1所示。

图1 参与式教学在“分析化学实验”不同教学环节中的具体实施方案

1.1.1 导课环节

导课环节是学生参与式教学的开始,教师以知识回顾和问题纠错的方式明确本节课的学习目标和要点。

例如, 在实验“分析天平称量练习及玻璃仪器的认领和洗涤”的课前导课中, 首先,由教师讲授本课程的总体学习目标, 即实现分析测定“量”的准确性, 并向学生展示本课程需要使用的称量仪器和玻璃仪器。其次,以电子天平称量NaCl样品和烧杯的洗涤为例, 请学生进行操作演示。最后,针对操作过程中出现的问题, 引导学生认识到要想得到准确的结果, 即便是最简单的操作也是需要学习和实践的, 由此引出本节课的学习要点, 即减量称量法、玻璃仪器洗涤、数据记录。此外,教师根据教学反思中总结的历年来学生易出现的代表性问题进行强调并提出相关要求。如在记录称量结果时, 不可以使用铅笔记录数据, 要养成使用实验数据记录本记录数据的好习惯, 杜绝随手使用单片纸张甚至称量纸记录数据的行为。

1.1.2 实验讲解环节

实验讲解环节的内容较多,主要包括3个方面:实验原理的讲解、实验基本技能的培训、实验操作流程的明确。

就实验技能的培训而言,通过教师讲授并结合指令式跟练、老师演示、学生试错等方式进行。以“NaOH和HCl标准溶液浓度的标定”为例,实验中主要涉及的实验技能为容量瓶和酸碱滴定管的使用方法、滴定操作及终点确定。关于容量瓶、酸碱滴定管的使用,采用教师演示或者学生试错的方式进行;关于滴定技术的培训,采用跟练法。实践表明,由于受场地限制,不是每个学生都能观察到教师讲授的细节,但在超星平台上,已经提供了相关的使用方法视频,通过引导学生自主观看,可以极大弥补场地限制的不足。

就实验操作流程的讲解而言,通常教师以板书形式画出简化流程图,以增强学生对实验过程的整体把握程度。同时,允许学生在一定程度上灵活调控实验流程。这样做,不仅能够克服线下条件限制方面的弊端,同时也能激发学生参与实验的积极性。例如,在实验中,浓酸、浓碱及易挥发性试剂的取用都是在通风橱中进行的,而一个实验室也只配有一个通风橱,通风橱的限制使得学生在操作过程中易出现扎堆、拥挤等现象。同样,电子天平、水槽的数目通常也不能满足学生称量、洗涮的需求,常有排队等候的现象出现,如果允许学生调控实验流程,学生就可以不必遵从先洗涮全部玻璃仪器再做后续实验的顺序,而在理解实验原理的基础上,将实验分成若干部分,如先清洗溶液配制环节所需的少量的容量瓶、烧杯、玻璃棒,将锥形瓶、滴定管等仪器的清洗安排在后续实验过程中。经过这样的灵活安排,不但缓解了实验室的空间拥挤程度,还可以使学生对实验流程理解得更加透彻。

1.1.3 实验操作环节

实验操作环节是在教师的指导下,学生通过实践来完成分析测试的过程,也是教师对学生的实验技能进行同步考核的现场环节。这个环节是教学的重要步骤,是对教师教学效果、学生参与程度的考核。

以“高锰酸钾标准溶液的配制和标定”实验为例,在学生实际操作中,部分同学的锥形瓶中会出现砖红色(MnO2颜色)沉淀,这是滴定速度过快、高锰酸钾来不及反应的自分解产物,通过师生间的讨论,可以加深学生对这个反应的理解,并认识到滴定技术对分析结果产生的影响。又如,由于高锰酸钾显色能力很强(显色最低浓度10-6M),滴定终点时溶液颜色会显微红色。有学生发现,自己操作没问题,但是终点颜色总是较其他同学深。通过师生讨论,经过重复实验,发现是滴定管头部有整齐的破损,导致每次滴下的量大于0.04 mL,终点到达时相当于过量半滴或一滴,造成颜色偏深。这种对实验现象的具体分析,是学生深度参与实验的不可缺少的环节。在此过程中,教师通过学生表现完成对个人实验技能的考核。

由于考核操作是一对一的,因而将学生名字与其表现对应上就显得尤其重要,但是,教师通常需要管理若干个班级,通常会浪费很多精力在找名字和记录分数上。在教学中发现,按照学生位置编排点名册,可以解决该方面的问题,并顺利完成对学生的操作考核。

1.1.4 数据记录与处理环节

在数据记录与处理环节,教师首先明确数据记录与处理的规则,并要求学生将记录后的数据经老师签字后,作为原始数据贴到报告册上。

在签字时师生以互动方式讨论数据记录的规范性(有效数字等)及数据的平行性。如果平行性很差,则需要重新做实验。数据处理环节集中体现在实验报告册中,互动方式以文字批改或在导课中总结、强调为主。例如,在混合碱的分析实验中,NaCO3和NaHCO3的相对比例是由老师混合配制的,因而分析测定结果应该在这个“真值”附近,尽管学生测得数据的标准偏差符合要求,但测定值如果偏离“真值”太远,也可能是无效数据,需要学生对自己可能出现错误的实验环节进行追根溯源的思考。这些思考需要学生在数据分析中加以阐述。

1.1.5 考核机制

考核方式由原来以报告册成绩为主,调整为报告册成绩与操作成绩相结合然后进行综合计算的方式(结果仍为十分制)。其中,操作成绩和报告册成绩分别占总成绩的30%和70%。增加的操作考核内容包括实验台面的卫生考核(1分)和实验技能考核(9分)2个部分。

操作技能考核的增加使得对学生的综合能力的考察结果更加公平,同时也能够督促学生主动去学习和纠正操作基本功,这样也发挥了微视频辅助教学的作用。

1.1.6 教学反思环节

“教学反思”是教师用于记录教学过程中存在的与实验相关的问题及其解决方案的环节。如在“NaOH和HCl标准溶液浓度的标定”的教学反思中指出:在读取滴定管上的读数时,学生通常估读位会读成0或5,缺乏对估读数位的准确读取,可采用每组抽取一名学生读数并指正的方法进行解决。在“EDTA标准溶液的配制与标定”的教学反思中指出:在该实验结束后,会观察到部分学生的锥形瓶中的蓝色掺杂有红色。可采取课前强调用力震荡的必要性(反应较慢造成的)的方式加以解决。以上记录均为教师在教学过程中发现的问题,形成文字记录后,可以提醒教师在课前做好讲解和强化工作,以指导学生更好地完成实验。由此可见,教师的教学反思与实验教学环节是相互贯通的,二者形成有效循环,有助于逐步优化实验教学效果,实现渐进式、可持续化的课程育人目标。