“无机及分析化学实验”线上线下混合式教学改革的设计与实践

李玉姣 黄 坚 王 芳 陶呈安

(国防科技大学 理学院,湖南 长沙 410072)

“无机及分析化学实验”是我校为生物、医学等化学相关专业低年级本科生开设的第一门化学实验课程,是学科的基础必修课。课程共计40学时,由基本操作、元素性质、无机合成、滴定分析等实验单元构成,每年上课人数为320人左右。授课对象一般具备一定的高中化学基础知识,使用过常见的玻璃仪器,也接触过简单的化学实验,但对该课程中需要用到的减压抽滤装置、量热装置、定量分析仪器等较为复杂的设备,学生基本没有受过相关使用训练。课程的总成绩由各个实验成绩按学时数加权平均而得,每次实验成绩由预习、实验、报告三部分组成。

作为第一门化学实验课,帮助学生打牢基本功、养成好习惯,对于后续实验课程、课题研究以及未来就业都是非常必要的。在传统的线下实验教学模式中,学生课前浏览教材、撰写预习报告,课上先由老师讲解实验原理和内容、演示关键操作,然后从旁指导学生分组实验,课后学生完成并提交实验报告。由于授课对象年级低,接受能力比较有限,在教学实践中出现了不少影响课程训练目标达成的情况,如,预习时,学生撰写预习报告经常只是机械抄书、过笔不过心,对实验任务的认知不明确;课堂上,在有限的时间内,多数同学无法掌握仪器操作的所有细节,关键步骤出错也并非个别现象,实验过程经常显得手忙脚乱,不少学生难以在规定时间内完成实验,损坏仪器、实验结果不理想等情况时有发生;课后总结反馈的时效性不够强,一般要等到下次课时再提起,一是占用课堂宝贵时间,二是学生对上次实验的印象已经很模糊了,起不到督促改进的作用。

1 线上线下混合式教学改革设计

1.1 化学实验教学改革情况调研

在化学实验教学中,传统线下教学模式的弊端逐渐凸显,成为各高等院校的共同认知。出于配合疫情防控、克服设备短缺、避免危险、提高教学效益、激发学习兴趣、推进因材施教等目的,一些院校将线上教学手段引入化学实验当中,形成线上线下混合式实验教学模式[1-6]。其中,线上教学部分集中在课前预习、互动反馈、拓展创新等阶段[7-9]。针对预习,一般是发布一些帮助理解实验内容和熟悉实验操作的资源,通常包括精品慕课、虚拟仿真实验等权威网络资源,以及自制的视频资源、预习题、预习游戏等[10,11]。线上互动可以为学生提供个性化答疑辅导,也帮助教师及时调整线下授课内容及安排,形成具有时效性的教学效果反馈机制[12,13]。课后为具有不同学力的学生创造自主学习条件,实验回看视频可以巩固薄弱环节,自主创新实验清单可以锻炼创新能力及团队合作意识[14-16]。

1.2 线上资源库建设

基于以上调研结果,结合我校的实际情况及教学团队的多年经验,以教学效益最大化为指导目标,我们提出了“无机及分析化学实验”线上线下混合式教学改革设计方案。前期,在大量准备工作的基础上,我们建设了线上预习资源库,包括操作演示视频、预习讲义、预习测试题等,部分代表性线上资源按照实验单元列于表1。视频资源主要分两类,一类是重点仪器操作步骤,利用预习视频为学生建立初步的认知,课上再重申关键操作步骤要点,并邀请学员上台进行互动,进一步加深印象;另一类是初次接触但较简单的仪器操作步骤,学生有能力通过自学掌握,不必占用课上时间进行讲解,避免课上讲授内容过于琐碎,影响主体逻辑。预习测试题涵盖实验原理、仪器操作、安全规范三方面内容,包括单选、多选、填空、计算、简答、投票等题型,难度较低,但需要切实完成所有预习资源的学习才能顺利作答,起到督促学生有效预习、帮助教师掌握情况的作用。

表1 部分代表性线上预习资源清单

1.3 线上线下混合式教学流程

每次实验的总体教学流程如图1所示,线上部分的时间节点包含“3个1”:课前1周,开放本次实验的线上预习资源,给学生留有充足的预习时间;课前1小时,截止测试题作答,便于教师在课前完成预习情况统计;课后1天,教师完成报告批改,制作成绩分布图,将学生的课堂表现、报告撰写情况进行小结并反馈。线下部分:课前,教师需要准备模块化的教学设计,将实验涉及的从基础到创新层次的知识点条目化。课上,首先由教师讲解背景知识、实验原理等内容,然后针对重点仪器操作进行演示,最后视情况提供拓展创新任务,教学模块的取舍根据预习统计结果进行精准调整;然后学生分组实验、记录现象及数据,教师从旁指导;实验结束提交报告,仪器归位、整理卫生,经检查无误方可离开。课后,随时可以预约教学开放实验室,允许在本次实验基础上进行试错或拓展,满足部分学生想要观察副产物等方面的好奇心;也可以预约科研开放实验室,依托大学生创新项目、全程导师科研项目等进行探索实验、创新实验等自主学习或研究工作。课程全阶段开放线上答疑平台,帮助学生解决具体问题或提供方法建议。

图1 线上线下混合式教学设计流程图

2 线上线下混合式教学改革成效

自2020年春季学期以来,“无机及分析化学实验”的线上线下混合式教学模式已施行至第5个教学周期。我们分别取教学改革前后两个教学周期的学生成绩进行分析对比,如图2所示。在评分标准不变的前提下,良好以上成绩的学生比例明显提升,尤其对大一的学生而言,教学改革的收效更为显著。其中,主要减少的失分项为超时和仪器损坏,超时率从之前的65%左右下降为目前的20%左右,玻璃仪器(烧杯、玻璃棒、量筒、抽滤瓶等)损坏率从之前的每400人时8件左右下降至0.5件左右,为实验室管理员大幅减轻了保障工作压力。同时,学生在实验时的一次成功率也从之前的50%左右上升至85%左右。此外,将较为浅显的内容抽提至课前预习后,课上空出的讲授时间可以用于介绍实验相关的生物医学、国防军事背景及应用,进而得以更充分地将思政元素打磨浸润其中,使实验课程设计更为立体、目的性更强,让学生意识到这些实验确实“有用”,进而有效地激发学习兴趣,更好地服务德育目标。线上反馈的高时效性有助于学生学习和教师授课的共同调整进步,显著缩短了师生“磨合期”。线上实时答疑机制的便利性使学生提问的意愿更为强烈,促进学生对实验相关知识进行主动思考和深入挖掘。

图2 不同专业教学改革前后的成绩对比图:专业1(A)、专业2(B)(改革前:18春、19春、18秋、19秋;改革后:20春、21春、20秋、21秋)

3 结语

针对传统线下教学中,学生预习效果不佳、课上状况频出、课后反馈延迟等问题,我们提出“无机及分析化学实验”的线上线下混合式教学改革设计并进行实践。通过数据对比可以发现,改革后学生的实验失误率大幅下降、学习兴趣明显提升。但目前教学又遇到了新问题——无法完全满足新增的“拔尖学生”培养需求。对此,我们计划整体重构化学实验课程体系,使基础实验与中、高阶实验课程无缝接轨,注重课外实践实训活动,形成一体化、分层次、多维度的特色化学实验课程体系。时代在发展,知识在更新,教学改革永远在进行。