王丹 任东
摘 要：在环境专业众多基础课中，分析化学是学生将化学反应原理应用于实际的入门级课程，涵盖环境化学领域涉及的重难点知识。为解决当前线上教育平台不便于开展实验实训教学的难题，文章从分析化学课程实践教学的必要性、实践教学现状分析、设计网上实践教学方案以及组织与实施等多个方面进行探讨，以满足线上实验教学的发展需求，从而提高环境专业学生的综合学习水平。
关键词：开放教育;化学课程;线上实践教学;组织与实施
中图分类号：G640 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2022）18-0074-04
Abstract：
Among the many basic courses of environmental specialty， Analytical Chemistry is an introductory course for students to apply the principle of chemical reaction into practice， covering the important and difficult knowledge involved in environmental chemistry field. In order to solve the current implementation problems of experiment practice teaching in online education platform， this article discussed the possibility for experiment practice teaching implementation from the necessity of practice teaching in analytical chemical curriculum， practice teaching present situation analysis， design online practice teaching plan， and organization and execution to satisfy the demands of online experiment teaching development and to improve the general study skill of the environmental scholars.
Keywords：
open education; chemistry curriculum; online practice teaching; organization and implementation
在线上开放教育过程中，实践教学是关键组成部分之一，它与理论教学相辅相成，在对高等院校环境工程专业人才进行培养时，发挥着极其重要的作用。实践教学既可以促进素质教育的全面发展，进一步深化教学改革，又可以提高教学质量，实现培养目标，促进理论教学与实践相结合，对学生知识的掌握起到积极作用，巩固和理解。同时，拓展学生知识面，促进理论知识向实际应用转化，培养学生分析问题、解决问题的能力，培养学生的创新能力，培养学生个性品质，从而提高其综合素质。一般来说，在线上开放教育实践性教学中，培养传统教育十分重视专业能力，不仅要提高学生的理论联系实际的能力，还需要增强学生综合素质，提高其自主学习能力，让学生在面对现代教育技术环境时，更好地适应社会发展和时代需求，加强学生的终身学习能力，充分利用教育与现代交流的结合。因此，利用远程教育平台怎样展开实训教学，使环境专业学生对环境化学涉及的实验操作技能进行学习并在今后工作中加以实际应用，提高其自身竞争力，是当前环境专业教育工作者完善线上线下混合教学模式迫切需要解决的难题。
一、化学课程实践教学的必要性
分析化学是化学类本科专业学生的主干基础课之一，其理论和方法是其他一切与化学有关的课程以及专业的基础。课程的具体教学目标可归纳为下述几点：（1）掌握常量组分在定量分析中的基本知识、理论和分析方法;（2）掌握分析测定中误差的来源和表征，以及实验数据的统计处理方法与表达;（3）掌握四种常见的滴定方法的原理和计算，并掌握其他常用的定量分析方法;（4）初步了解分析化学在化工、生物、医药、能源和信息等领域中的应用;同时理解其他学科发展的新技术、新成就对分析化学的促进作用。分析化学的教学要求详见表1。实践教学是其重要的组成部分之一，在一定程度上对教学水平的提高起到促进作用。通过实验实训，能够训练学生掌握正确的实验基本操作技能，使学生学会记录实验数据，对误差进行处理及分析[1]。“量”是化學分析中比较重要的一个概念，学生在掌握理论知识的基础上，可以自行解决和处理在滴定分析法中发现的问题，同时培养学生实事求是的科学作风、严谨的治学态度以及良好的学习习惯，提高其分析和解决问题的能力，从而增强学生综合素质。此外，还能使环境专业本科学生的自身竞争力提高，有助于推动日后其个人职业的发展。
二、实践教学现状分析
在线上教学中，因为受到诸多因素如管理、教学对象、环境、条件及观念等的限制，实践性教学往往成为较为常见的难点之一。通常开展开放教育实践教学时，对其产生制约的因素有很多，包括以下几点：（1）大部分环境专业学生课业安排紧，课时量繁多，而安排脱产实习又比较集中，无法顺利进行;（2）线上教学期间，由于学生处于分散状态，存在明显的时空差距，而实验仪器设备相对集中，学生之间不能共享;（3）环境专业具有办学规模大和学生数量多的特点，而实践教学则要求个性化、相对具体的实际应用，无法满足所有学生的学习需求;（4）由于实践教学要求较高，但是不同学生的学习能力存在着一定的区别，并且学生的自主学习能力不一、个体学习基础等也无法适应实践教学的统一要求。基于上述影响因素，教师的教学组织难度增加，而实践教学质量却有所下降。
相较于全日制在校学习而言，开放教育具有诸多优点，如：（1）线上教育可丰富学习经验，强调知识和生活积累，进一步强化理论知识学习;（2）学生在学习过程中的主动性增强。通常情况下，线上教育学生在学习的过程中，具有明确的目标，比如学历与毕业后职业生涯的规划、适应就业单位的岗位需求或考研保研学校的录取等。因此，学生更渴望获得知识，具备较强的学习自主性。
随着现代社会的不断发展，人们呈现出“针对性、碎片化、多样化”的学习趋势，其中碎片化学习在开放教育的学生中比较常见[2]。多样化主要是因为现代人具有较多的学习媒介，比如电子图书、手机以及电脑等。而在特定环境中（如新冠肺炎疫情期间），环境专业本科学生作为线上教育的学科之一，它没有固定的学习时间，在学习的过程中也呈现出时空分离、工学矛盾的特征[3]。同时，在毕业工作后，学习者依然能够随地、随时、随心地运用多媒体手段，采取片段式学习理论知识，丰富自身知识储备，从而提高专业技能。
三、设计分析化学的网上实践教学方案
在对任何一门学科进行学习时，国外学者布鲁纳认为良好认知结构的构建是其主要目的[4]。通过分析目前线上教育实践教学中存在的问题，在掌握线上教育学生学习特点的基础上，再结合现代人的学习趋势，在实验教学中，设计分析化学课程时，可以从这几方面入手，即与学生学习的熟悉、理解、掌握和运用四个层次相对应，化学实验教学设计分析为四个模块，分别为实验拓展设计、虚拟仿真实验室、视频及多媒体（表2）。首先采用多媒体PPT课件教学，学生能够更加直观、全面地了解学科知识，从而达到了解层次。进而学生通过视频的观看和学习，达到熟悉层次，进一步通过参加虚拟仿真实验或者校外实践，达到实际运用层次。最后以考核形式开展拓展实验，在学生设计实验时给予一定的指导，并完善实验的全部流程，最终达到掌握层次，从而完成分析化学理论与实验实训的衔接。同时，通过科学、合理的设计，能够对实践教学的个性发展和共性需求、知识与技能、媒体和策略、活动和资源、评价和效果、方式和内容、考核和过程、要求和目的等关系进行处理，使过程得到优化，从而提高教学质量。
四、分析化学网上实践教学的组织与实施
（一）资源建设
1. 多媒体课件和视频
在教学过程中，通过运用多媒体视频和课件，能够营造轻松、愉悦的教学氛围，充分调动学生的多种感官如听觉、视觉等，全面展示知识发展的整个过程，增加学习兴趣，有助于突出教学重点，及时发现并解决教学难点，从而提高教学效率[5]。同时，将分析化学课程中的知識点作为基本依据，制作多媒体课件，然后录制实验流程的视频，包括仪器和试剂、实验目的、实验步骤和实验原理等。比如可以通过Flash动画来展示滴定过程，以及实验过程中需要用到的容量瓶、量筒、移液管、分析天平以及托盘天平等图片，并且在制作时，可以运用Flash、FrontPage以及PowerPoint等软件。
2. 虚拟仿真实验
在分析化学课程的网上实践教学中，虚拟仿真实验是比较重要的一个组成部分，具有诸多特点，比如教学时空分离、学习多元化、实验交互性以及教学资源共享等，也是终身学习、灵活学习以及开放学习教育理念得以实现的一个重要学习平台[6]。在本次研究中，我们构建了具有完善的网络功能、较好交互性、较高沉浸感以及较强的一套滴定分析虚拟实验系统，分析化学仿真实验制作分为六个模块，包括讨论与思考、处理与记录数据、实验操作、实验步骤、实验试剂和仪器以及实验原理。在学习的过程中，学生可以根据自己的实际需求，选择合适的学习模块。在构建系统时，应考虑滴定分析实验的特殊性，尤其是涉及到的实验相关操作进行模拟，并且设置相关参数如指示剂、滴定速度、称重以及滴定剂浓度等，完成虚拟实验，从而达到多过程和多变量的实时数据传递[7]。同时，在设计的过程中，应该使仿真实验具有较强直观性的优点得到充分发挥，对因为操作错误产生的危险结果、实验不能演示的操作错误以及学生平时不细致观察的操作步骤等充分展现出来，比如数据处理中保留有效数字、滴定终点的颜色变化、半滴和一滴的操作等，使学生在学习的过程中，能够对化学实验中“量”的要求进行认真分析。通过多样化的教学方法，充分调动学生的积极性和主动性，创设愉悦的实验环境，对发挥学生主观能动性起到一定的促进作用，从而提高教学效率。
3. 拓展实验
在分析化学课程网上实践教学中，可以运用FastStone Capture屏幕录制软件对实验操作视频进行录制。由于部分学生的计算机操作水平不高，在使用虚拟仿真实验环境时，不能很好地进行教学实验，无法获得较好的学习效果，加之时空限制，教师在线不能为学生操作计算机提供帮助。而在拓展实验中，使用屏幕记录软件将计算机操作的实际过程记录为视频文件，学生在学习的过程中，能够将视频文件的演示步骤作为基本依据，从而推动实验操作的顺利进行。同时，通过拓展实验，能够充分调动学生的学习兴趣，增强主动学习意识，为学生有机会多次理解分析化学理论精髓，整合分析化学的精华知识，并树立正确的“量”的核心概念。此外，分析化学应该重视对学生解决实际问题能力的培养，利用拓展实验，能够使学生达到学以致用，在巩固学习知识的基础上提高逻辑思维能力[8]。
（二）设计网上平台
本课程的运行时间较长，组织和实施的具体方式包括以下几点：（1）组建学习小组。通过小组竞争模式，提高学生的学习兴趣;（2）地方组织。学生学习辅导由学务导师和地方辅导老师负责，有助于巩固基础知识;（3）网上平台。主要是虚拟仿真实验，即通过网上平台，学生对仿真实验进行模拟，了解整个实验流程，以及对实验期过程中的细节和注意事项有所了解和掌握;（4）学生自主学习。以多媒体视频和课件为主，每个视频时间较短，一般为3～5 min，由学生独立学习完成，尤其适用于开放教育型学生。
（三）实施与组织实践课程
在对实施与组织实验的过程进行介绍时，一般以实验设计为例，具体如下。
1. 实验选题的确定
在对实验选题进行确定时，一方面要充分体现综合应用知识的融合特点，一方面还应该以学生掌握的理论知识为基本出发点，进行相应的拓展。通常情况下，实验选题应结合时下国民生活中的热点问题，比如环境污染、生態修复、资源保护等[9]。通过提高选题的实用性，使学生对分析化学正确认识，了解其是一门具有较强实用性的应用科学，使学生积极思考，主动、大胆提问，从而充分调动学生的兴趣和热情[10]。
2. 实验方案的制定
在开展实验方案时，应该将线上教育学生的特点作为基本依据，按照地域划分分散的学生，组建学习小组，采用学习小组合作的方式推动拓展实验设计的完成。本文选择测定矿泉水中的Ca2+含量（水的硬度）为具体案例介绍实施的过程。（1）教师将实验设计话题引出来，为学生提供丰富的背景知识。因为学生存在着个体差异性，不同学生的能力水平也存在着一定的区别，一些学生不熟悉文献调研方法，无法顺利开展实验。所以学生在动手设计实验方案时，教师要提前告知学生相关信息和文献的获取方法，比如检索文献的方法、使用数据库等[11-12]。同时，告知学生矿泉水中Ca2+含量的大致范围，可以作为判断的有效依据;（2）学生调研资料。学生查阅文献并总结文献的背景知识;（3）小组讨论设计方案。学习小组成员相互讨论，设计模式有2种：a. 对于实验的每个环节，组长组织大家进行讨论，并且将实验方案提出来;b. 每个成员都需要对方案进行设计，并且召开讨论会，每个人对自己的方案进行介绍，集思广益，从而使小组的设计方案成形。在实验的设计过程中，学生要充分发挥自身的自学能力和学习积极性，使实验与理论结合起来，比如Ca2+怎样测定？测定矿泉水Ca2+需要哪些基准物质？在充分掌握理论课知识的基础上，再与实验设计相结合，能够更加直观、全面地学习知识，使学生对分析化学“量”的核心概念有一个正确的认识和了解，丰富知识储备;（4）学习小组提交设计方案，教师点评。教师组织学生进行讨论，对不同的设计方案进行点评，将学生设计的每个方案进行比较，使学生了解和认识实验过程，并且巩固分析化学基本知识，从而提高学习质量。
五、结束语
针对环境专业大学生的学习特点，在对实践教学方案进行设计时，分析学生的个体差异性，在分析化学实验教学中对模块进行设计。最终不仅能够满足教学的基本要求和规定，还能为学生提供充足的学习空间，提高学习者自身的职业操作技能，对学生的创新性思维培养和个性发展起到一定的促进作用，从而推动开放型大学实践教学的长远发展。
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