“主题-模块法”“大学化学”实验教学新尝试

［摘 要］ 针对“大学化学”实验教学，提出一种多形式结合互动的“主题-模块法”教学模式，并进行探索实践。采用理论学习—深度思考—实践应用多环节相融合的综合方式，以提高学生参与度，培养学生独立思考、团队协作、自查自检、实验技能、归纳总结等综合能力为目标。选用大学实验中的开放性实验水净化与软化实验，对教学过程、成果展示及学生学习效果进行讨论，通过分析初步取得了预期效果，根据不足之处归纳总结，为后期进一步改善课程提供支撑。

［关键词］ “主题-模块法”教学；理论实践有机结合；全方位素质培养；大学化学实验

［基金项目］ 2021年度中国地质大学（武汉）本科教学改革研究立项项目“大学化学A理论——实验综合‘模块法’应用探索”（2021A52）

［作者简介］ 李 静（1984—），女，河南洛阳人，理学博士，中国地质大学（武汉）材料与化学学院副教授，硕士生导师（通信作者），主要从事功能高分子材料开发和应用研究；蔡卫卫（1985—），男，江苏苏州人，理学博士，中国地质大学（武汉）材料与化学学院副教授，博士生导师，主要从事燃料电池开发和应用研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2024）18-0006-04 ［收稿日期］ 2023-03-21

21世纪，化学已渗透至人类社会各技术领域，高级工程、科技、文法经管等人才均要求其具备一定水平的化学知识。各大高校普遍将“大学化学”或“基础化学”作为非化学专业理工科的必修基础课。化学是一门围绕物质变化和检测的实验科学，目前国内相关课程普遍采用传统教授方式。实验课采用教师当堂讲解原理、安排实验内容，学生进行重复性验证操作的方式。此方式理论与实践缺乏有机结合，对学生基本实验技能的培养有一定作用，但对学生科学思维的训练和创新能力的培养收效甚微。

为提高教学质量，多种教学方式被提出［1-3］。为进一步提高大学生的素质，提出将“主题-模块法”融入“大学化学”课程教学，并进行应用探索。遵循“感知—理解—运用”的教学思路，将“大学化学”中合适的实验内容与对应的原理及理论结合为有机整体，并设计为专题项目，先将需要解决的问题抛出，学生自行分组对其进行分析处理，通过综合模块化学习，实现理论学习—深度思考—实践应用的教学效果，达到培养学生创新思维的目的。线上线下混合式教学是当前高校普遍采用的方式［4］，有助于拓展课程，提高学生的参与度，包括案例项目分析、寻求理论支撑、方案设计、自我分析、实践实施；培养学生独立思考、团队协作、自查自检、实验技能、归纳总结的综合能力。实现学生科学思维训练及创新能力的培养，促进专业研究型、应用型人才培养目标的达成。

一、“主题-模块法”教学模式

“主题-模块法”教学模式以线上线下相结合的方式进行，通过完成各个模块，从而实现内容的完整贯通，如图1所示。

课前通过线上平台完成模块1—3：模块1，提出待解决实验案例，包括实验层面的问题及延伸科学前沿或社会实践相关案例；模块2，学生自主组建团队；模块3，各小组对案例进行分析讨论，通过多渠道对实验背景及相关理论知识进行学习。课堂完成模块4：解析问题，引入原理知识，并深入讲解。课后通过线上平台完成模块5：学生团队根据实验室提供的实验条件（药品、器材、仪器等）对实验步骤、实验操作的设计理念进行深入理解。课堂讨论实操完成模块6—8：模块6，学生团队通过PPT汇报结果，教师对其内容进行点评；模块7，教师引入实验内容，并详细讲解实验步骤及设计思路；模块8，在对原理理论充分理解及对实验内容清晰掌握的基础上开展实验操作。实验课后通过线上平台完成模块9：学生进行自我总结并提交反馈意见。教师根据教学效果及学生反馈对此教学模式进行进一步改进。

二、“主题-模块法”实验教学模式实践

大学化学实验包括：基础操作实验，主要培养学生的基本实验素养及基本仪器的使用能力；常规实验，针对专业性较强的部分理论的论证及应用进行相关的验证性实验；开放实验，如水的净化与软化处理，此部分具有更强的趣味性及实践相关性，更加贴近生活，并可延伸至能源前沿科研领域，更适用于实践此教学模式。在此选取水净化与软化实验为实践对象。

（一）主题的提出

课前通过线上平台完成前期工作。通过学习通布置课题，学生须在规定时间内完成相关预习工作，包括学习何为“主题-模块法”及需要完成的内容，进行分组及思路整理。各小组学习案例后，进行相关讨论与分工。

1.“主题-模块法”简介。将“主题-模块法”的关键信息及内容通过线上平台传达给学生，学生通过自学与讨论，了解该教学模式。以简洁清晰的图文表述，说明该模式的具体实施方案。

2.主题案例引入。素质教育背景下的课堂学习，不能单靠教师灌输，需要引领学生由被动转为主动，将课本中的知识与现实生活衔接，使学生真正投入学习中，充分利用丰富的网络资源，发挥其对教学工作的积极作用［5］。年轻人对于具有挑战性、新奇刺激的事物具有更大的兴趣。

《荒野求生》是Discovery频道的一档探险节目，以野外生存专家贝尔·格里尔斯为主角，记录其在地球上最恶劣最惊险的环境中的求生经历。每次生存考验都伴随一个至关重要的问题，那就是如何解渴。通过展现贝尔在雨林、沙漠、草原、高山、沼泽等恶劣环境中凭借自身强大的荒野生存技能化险为夷，逃出生天，以此激发学生的兴趣与热情。进一步引导学生思考：在野外生存中，最困难的是什么？对于具有超强生存能力及超强心理素质的贝尔来说，这似乎并不是太大的难题。丛林中各类蛇虫鼠蚁都是他的“美味”。从中可以得出结论：维持生命的重要补给——水，才是关键。尽管雨林、江河中的水源有很多，但是这些水并不适合人类直接饮用。自然界中的水含有杂质沉淀、细菌病毒、各种有机或无机污染物，直接饮用会带来诸多危害。因此，喝到干净水是非常困难的。接着便顺势引出贝尔在各种环境条件下进行的简易的水处理方法，包括在太平洋荒岛通过蒸馏的方法取水，此方法能获得的蒸馏水量十分有限，并且非常耗时；相较而言，采用麦秆及木炭当作过滤器过滤浑浊的泥水，抑或在沙漠中同样采用干草与木炭过滤的方法，可以更加便捷地获得饮用水。通过视频案例分析可以认识到净化水最为有效的方法即为过滤，进而引入本次实验内容。

3.完成课前准备工作。通过案例了解本次实验内容之后，学生须在规定时间内完成课前准备工作，包括组建团队，进行案例讨论与挖掘，完成背景调研、PPT总结、实验方案设计等。小组成员按照要求合理分工，要求全体成员参与背景文献调研工作，并在后期汇报过程中有所体现，资料汇总后经各小组讨论与筛选总结归纳并制作PPT。

4.背景调研指南。对于如何进行背景调研，给予相应的指导，建议从原因、方法、意义等三个角度出发。原因：通过分析地球水资源分布及种类，思考为何需要进行水净化。可通过多种形式进行资料查阅，包括图书馆相关书籍杂志查阅、网络资源搜索、结合新闻报道及咨询本校或外校环境专业的相关人士。可从多角度进行分析，如地球淡水资源的匮乏现状及原因，人类现有的健康饮水条件及重要性，地球水质日益变差的原因分析，对水进行净化及处理的必要性与重要性等，不限于此，鼓励学生发散思维进行多元考虑。方法：思考现有的进行水净化的方法和手段有哪些。学生运用自己所掌握的资源与方式方法对现有水处理的手段进行总结归纳，鼓励结合自身的化学知识储备进行分析讨论，鼓励多形式形态表达描述，忌长篇大论，简单复制粘贴，要求善于总结概括。意义：思考实现水净化对人类生存及社会发展有何重大意义。建议结合资料及自身体会，联系身边现实案例进行说明，此部分为自我发挥部分。

（二）背景调研报告汇总讨论

各小组按照5～6人分组，提交背景调研报告，并说明分工及讨论结果。总体制作水平符合要求，从内容到形式，从模板设计到图文配置，从效果到美观等均体现了当代大学生的创造性与较高的配合度。各小组在后期课上进行了成果展示，学生经过交流学习讨论后，指导教师给予点评。

以某小组成果为例，该小组成员完成度较高，体现了较好的逻辑性和条理性，课件美观及表述内容均反映出小组成员的高度参与性和思考投入。背景调查部分内容充实，除了参考背景指南的内容外，在小组成员讨论分析之后，选择了“饮用水”切入点进行论述。分析了目前人类的饮用水健康调查结果，从两个角度进行论述：一是饮用水安全状况不佳的现状，以联合国教科文组织发布的文件作为数据支持进行阐述，并以日本核废水排入太平洋为例进行动态展示。二是资源管理不善及卫生状况不佳，同样给出了相关数据，以日本水俣病事件为例，辅以触目惊心的病例图片，更加说明了健康饮用水的重要性。

随后对水质下降的人为因素进行了分析，包括工业废水污染、城市污水污染、农业回流水污染、固体废物污染，进而对现今人类饮用水类型进行介绍，包括纯净水、矿泉水、自来水，以及各种伪科学水，如“弱碱性水、小分子水、活性水、富氧水、电解水、离子水”，介绍其含义及各自的特点。

学生在背景介绍中加入了软水和硬水的介绍，通过图示介绍了软水和硬水的定义及区分依据，并介绍了软水和硬水的优缺点，呼应了实验内容。在最后还整理了水净化的相关技术，如活性炭吸附技术、生物预处理技术、臭氧-生物活性炭技术、膜分离技术，并对饮用水深度处理工艺的发展趋势进行了陈述，对健康饮用水的标准进行了总结，符合本次实验的结论。

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（三）实验课堂完成实验内容

在实验室完成水的净化与软化处理实验内容。本实验采用离子交换法，使水样中的钙离子、镁离子等与阳离子交换树脂进行阳离子交换，交换后的水即为软化水（简称软水）；使水样中的阳离子、阴离子与阳离子交换树脂、阴离子交换树脂进行离子交换，可除去水样中的杂质阳离子、阴离子而使水净化，得到去离子水。水中的微量钙离子、镁离子，用铬黑T指示剂进行检验。在pH=8～11的溶液中，铬黑T能与钙离子、镁离子作用生成紫红色的配离子。纯水是一种极弱的电解质，水样中所含的可溶性电解质（杂质）常使其导电能力增强。用电导率仪测定水样的电导率，可以确定去离子水的纯度。

学生在充分了解实验背景、现实意义及相关前沿领域后，对本次实验有了更加深入的了解，对实验产生了更大的兴趣，从传统被动地完成实验步骤，转变为积极主动地参与其中。

实验结束后，教师还提供了相关的内容拓展，例如：再生水技术、中国废水排放技术改良、全球水安全与未来水资源服务、海水淡化、污水处理、太阳能水处理技术、膜技术、垃圾渗滤液处理技术等，进一步使学生感受实验的重要性及意义。

三、学生反馈

在了解到本次实验采用不同于以往的模式后，大部分学生表示会有不安、焦虑的情绪，这是面对新挑战、新困难时的正常反应，但也有一丝新鲜感在其中。不安和焦虑源于之前没有相关的经验，从高中到大学，相似的教学模式及方法，已经渐渐使学生失去了迎接新挑战的心理素质及实践能力。也正因如此，打破常规尤为重要。

在准备工作过程中，包括教师引导案例分析、进行背景调研，并将工作细节具体化后，80%以上的学生表示，之前所产生的负面的不安情绪已经基本消失，对于如何进行本次实验已经有了大致的轮廓与了解。恐惧源于未知，行动起来是克服恐惧的最好方式。在项目进行过程中，学生体会到了团队的强大作用，在协作过程中学会了如何高效地与他人沟通，有些学生表示发掘了自身的统筹领导能力，或者表现出优异的口头表达能力。

通过新型的教学模式，除了对实验内容进行了更深刻的学习与准备之外，在实验心理建设方面也发挥了积极正面的作用。这一点在实验课的进行过程中也得到了体现，在充分的实验准备之下进行的实验操作，无论是条理性还是准确性均优于以往。当然，此教学模式也体现出一定的不足，如课前准备工作需要额外投入较多的时间和精力，部分学生反映增加了课业负担；再如部分无化学基础的学生反映实施起来较为困难。对此，在未来的实践过程中，需要精选课题，并根据学生的程度及基础，提供不同难度的课题，教师必须做好学生基础调查统计，并进行更精细的教学设计。