水分析化学实验混合式教学设计及创新人才培养策略研究_黄贵琦.pdf

第 51 卷第 2 期2023 年 1 月广 州 化 工Guangzhou Chemical IndustryVol.51 No.2Jan.2023水分析化学实验混合式教学设计及创新人才培养策略研究黄贵琦,陈春燕,刘亚敏,杨 晶,刘 倩,李思敏(河北工程大学能源与环境工程学院,河北 邯郸 056038)摘 要:水分析化学实验是给排水科学与工程专业的基础课程,对大学生构建知识体系立体化、培养实验操作能力,提高创新科研素质具有重要导向作用。根据当前给排水专业基础教育的发展趋势,提出了水分析化学实验课程教学改革的初步方案,力求满足当代大学生的个性化需要,为新时代下培养合格的给排水专业创新人才奠定坚实的基础。关键词:水分析化学实验;教学改革;创新人才;课程思政中图分类号:G642.0 文献标志码:A文章编号:1001-9677(2023)02-0273-03 基金项目:河北工程大学教育教学改革研究与实践项目(XN1200130806)。第一作者:黄贵琦(1989-),男,博士,讲师,主要从事环境污染物痕量分析及测定研究。通讯作者:李思敏,男,博士,教授,主要从事水污染控制技术。Study on Mixed Teaching Design and Innovative Talent TrainingStrategy of Water Analytical Chemistry ExperimentHUANG Gui-qi,CHEN Chun-yan,LIU Ya-min,YANG Jing,LIU Qian,LI Si-min(School of Energy and Environmental Engineering,Hebei University of Engineering,Hebei Handan 056038,China)Abstract:Water Analytical Chemistry Experiment is a basic course for Water Supply and Drainage Science andEngineering major,which plays an important guiding role in constructing three-dimensional knowledge system,cultivatingexperimental operation ability and improving innovative scientific research quality for college students.According to thecurrent development trend of basic education of water supply and drainage specialty,a preliminary teaching reform schemefor Water Analytical Chemistry Experiment course was put forward,which tried to meet the individual needs ofcontemporary college students and laid a solid foundation for training qualified innovative talents of Water Supply andDrainage specialty in the new era.Key words:Water Analytical Chemistry Experiment;teaching reform;innovative talent;course education水分析化学是研究水及其杂质、污染物的组成、性质、含量及其分析方法的一门学科,是给排水科学与工程专业指导委员会指定的十门骨干课程之一1。该课程在国民经济各个领域肩负着重要使命,尤其在日趋严重的水环境污染治理和环境监测中起到“眼睛”和“哨兵”作用。与其他课程相比,水分析化学是一门实践性比较强的课程,实验课程是其必不可少的教学环节,它不仅能够加强学生对基础知识的理解,同时也可以培养本专业学生的实践技能和数据处理能力。因此,在新时代工科背景下,如何提高学生学习的积极性、主动性和创新思维,塑造肩负着缓解水体环境污染和建设生态文社会责任的给排水专业高素质创新人才,已成为水分析化学实验教学模式改革的重要课题。1 水分析化学实验教学存在的主要问题1.1 学生主动性不足、试剂浪费严重学生对水分析化学实验课程重视程度不够,普遍认为理论知识更重要,做实验主动性不足,实验前大部分学生没有预习,仅凭实验老师课堂授课内容,并不能真正理解实验目的和原理,也不清楚实验的关键性操作步骤,实验过程中往往出现“一人操作,多人围观”的现象。其次,多数学生没有严格按照所需实验剂量和正确步骤进行操作,造成化学试剂严重浪费2-3。比如为了实验方便,有些学生将过量的试剂直接倒入烧杯中带回自己实验台位,而认真做实验的同学却没有试剂做实验,此情况的发生使得指导老师只能在实验课上再次配置实验试剂以保证全部学生能完成实验。1.2 教学模式单一普通高校实验教学多采用“实验老师讲,学生听;老师演示,学生看,做完实验写报告”。实验前准备工作如水样采集及其预处理,标准溶液的配置及标定等工作均有实验老师完成或者研究生助管完成3。学生在实验课上仅是按部就班完成,如此被动的教学模式使得学生没有彻底理解实验目的,不清楚实验结果的实际含义,也不理解该课程在国民经济中的真正地位和作用。其次,每个实验均是独立实验,没有综合性实践调274 广 州 化 工2023 年 1 月研活动,没有利用水分析实验知识参与过水质调研课题。在此种教学模式下,很难培养出具备从事相关实验分析工作能力的学生。针对传统的水分析化学实验教学中出现的问题,本文以我院 18 级和 19 级给排水专业为对象,按照教学规律进行了改革设计,将水分析化学实验课堂作为核心平台,以学生为主体,架建一种实验课堂、MOOC 在线课堂、文献检索课程、实践调研和学科竞赛的“五位一体”实验教学模式。该教学模式既可以发挥高校课堂教学的引导性,又能转换课堂的主体为学生,还可以实现专业课程间的连通。重要的是可通过以目标性引导为基本、兴趣激发为本质、自主学习和讨论为目的的实验教学模式,从根本上突破现有实验课堂的局限性。2 水分析化学实验教学改革的探索2.1 教学团队建设、课程交叉联动我院水分析化学实验教学老师共 2 位,其中 1 位是从事教学十几年,具有丰富经验的老教师,另 1 位是具有丰富科研经验、基础扎实的年轻博士老师。两位老师相互促进,取长补短,尤其是博士老师将该课程相关的科研实例注入相关实验内容,让实验教学变得更加活力和生机。此外,该年轻老师还教授 文献检索和科技写作 以及 大学生创业基础 两门课程。在文献课中教师可引导学生通过学校图书馆数据库检索近5 年的生态环境部发布的 中国生态环境状况公报 以及 中国环境统计年鉴。在以学生为主的学习和查阅过程中,学生不仅可以了解了我国水资源短缺、水环境污染的现状,也逐渐认识到水质分析的重要性和必要性以及水分析化学实验在环境监测和水环境污染控制过程中扮演的角色。其次,在 大学生创业基础 课堂中,该教师给学生介绍怎么利用水分析化学实验知识去参加各项学科竞赛和实践调研活动,激发学生科研兴趣和创新意识,锻炼学生创新思维,拓展学生利用水分析化学的基本原理和实验技能解决水环境问题。2.2 构建“线上+线下”混合式实验教学模式将现有的中国大学 MOOC 线上课堂引入水分析化学实验,构建“线上+线下”混合式实验教学模式,能够给学生提供更多的预习时间和学习机会。如:武汉大学林毅老师在 MOOC 上开设的分析化学实验课程,主要包括容量仪器的洗涤和标准溶液的配置、分析天平的使用、酸碱滴定以及络合滴定等。然而,该课程中缺少水中的碱度(硬度)的测定、水中 Cl-的测定以及 Fe3+的测定、COD 以及 BOD5的测定等重要的水分析化学实验。基于此,本课程以学生为主体,充分调动学生积极性,通过课堂选拔和分组实验比赛,让实验操作优秀的学生将MOOC 中缺少的实验章节提前录制好,放到我院开设的公众号“我爱科创”上。学生可通过“MOOC”以及公众号“我爱科创”在课前进行切换预习和学习,这种新颖的混合式实验教学模式,能使学生更加深入地理解实验原理和实验关键步骤,增加学生对水分析化学实验的熟悉程度。2.3 注入课程思政、实现立德树人水分析化学这门课程蕴含着丰富的思政元素,可以承载和发挥思政教育工作。在教师授课中,不仅让学生学习专业知识,也可以将科学道德和爱国情怀潜移默化地融入课堂,从而坚定学生理想信念,牢记使命担当4。例如在络合滴定中,通过镉中毒引起的“痛痛病”及汞中毒引起的“水俣病”等经典环境污染案例的讲解,提高学生对环境污染问题的重视,理解水分析化学实验知识对环境监测的重要性4-5。此外,让学生了解水分析化学实验中常用到有毒有害有机溶剂,这些溶剂使用过量或随意倾倒,会造成严重后果,让学生树立环境安全的意识,培养学生守护祖国绿水青山的爱国情怀。此外,在当前我国抗击新冠疫情中,水环境介质中新冠病毒检测与水分析化学知识的应用密切相关。2.4“教学-科研-调研”紧密结合为促进学生积极思考,在科研活动和实践调研中提高创新思维和实践技能,可将教师科研课题和水分析化学实验教学内容紧密结合6。首先,以我院实行的本科生导师制为基础,让给排水专业学生全部参与导师课题的研究工作,比如“雨水收集装置的设计和高效利用”、“地域性水质监测和污染物溯源研究”。课题研究过程中,学生从文献检索、设计方案到参与检测,不仅实践了理论知识,也满足了学生对所学知识和技能用于解决实际环境问题的渴望,调动了学生学习主动性,尤其是他们会根据自己的假设,进行独立思考和探索,学生的创新思维和实践技能以及团队协作意识得到进一步提升。其次,引导学生参与综合性实践调研项目如河北省大学生“调研河北”社会调查活动。学生以小组或团队形式在河北省各市区进行水样采集和检测,该过程会强化学生水样采集、预处理及酸碱(络合)滴定等水分析实验关键性知识要点。此外,通过对不同水样中污染物种类和浓度分析,不仅能够让学生对所用的实验仪器更加熟练,也使学生更加直观地了解到当地水环境状况,进一步提高大学生环保意识。2.5 培养学生创新与实践能力创新与实践能力是给排水专业大学生必须具备的,它对推动国民经济发展具有重要作用。给排水专业学生在学习完水分析化学实验课程后,可通过参加一些环境市政类学科竞赛检验该课程知识的掌握程度,提高学生的创新能力和实践技能。以全国大学生市政环境类创新实践能力“北控水务杯”大赛为例,该项赛事由中国生态产教联盟主办,北控水务集团和哈尔滨工业大学承办,分化验赛和虚拟仿真赛两个赛项。每届化验赛考题全部来自水分析化学实验课程内容(第二届为测定水中Fe3+,第三届为化学需氧量(COD)的测定),在化验赛中,学生需要运用所学实验知识进行分析研判以及团队协作。教师可根据学生在该比赛中取得的成绩,进行教学反思,明确今后水分析化学实验课程教学中努力的方向。此外,虚拟仿真赛项需要完成“水污染控制工程”和“水质检测”两类虚拟仿真赛项的考核,参加该项比赛可培养学生综合运用所学基础知识用于生产实际,巩固和充实水分析化学理论知识。其次,我院“城市健康水系统科普基地”获批河北省科普示范基地,每年在全国科技活动周期间,该科普基地围绕水资源和水生态向广大中小学生开展科普宣传活动。科普活动中,选拔给排水专业优秀学生充当科普使者,面向中小学生现场展示水的碱度和硬度实验测定,这促使学生更加积极主动的学习水分析化学实验知识、极大地锻炼了学生的思维能力及交流能力。3 教改成效将水分析化学实验课堂作为核心平台,以学生为主体,架建一种实验课堂、MOOC 在线课堂、文献检索课程、实践调研和学科竞赛的“五位一体”混合式实验教学模式自实施以来,极大地激发了给排水专业学生对水分析化学实验知识的学习兴趣,提升了学生的创新思维和实践能力,有效地促进了本专业(下转第 283 页)第 51 卷第 2 期李艳妮,等:分子对称性教学方法探究283 打开 GaussView 软件,画一个乙烷分子,点击菜单栏“Edit”下拉菜单中的“Point Group”,并在弹出的界面上“Enable point group symmetry”前面的对话框(见图 3)中打钩,显示当前的乙烷分子的点群为 C3,子群为 C1。将“Constrain tosubgroup”设为 C3,当使用“Detate Atom”工具去删除编号为2 的氢原子时,编号为 3 和 4 的氢原子同时被删除,说明编号为 2、3 和 4 的氢原子是等同的,C1-C5 键轴是分子的 C3旋转轴。在“Tolerance”为0.01 的情况下,完全交错式的乙烷分子是 D3d点群,点击“Symmetry”按钮,则当前分子的点群变为D3d,“Constrain to subgroup”下拉列表中子群的数目变多,有C1、Ci、Cs、C2、C2h、C3、S6、C3v、D3和 D3d。将子群设为Ci,用“Detate Atom”工具去删除编号为 2 的氢原子时,编号为 7 的氢原子同时消失,说明在 C1-C5 键轴的中点有一个对称中心。将子群设为 Cs时,删除编号为 2(或 7)的氢原子时,仅仅 2(或 7)号氢原子消失,而删除 3 号氢原子(或 6 号氢原子)时,4 号氢原子(或8 号氢原子)同时消失,说明镜面为 H2-C1-C5-C7 构成的平面。将子群设为 C2时,删除编号为 2 氢原子时,6 号氢原子消失,说明 H2-H6 原子连线的中点和 C1-C5键轴的中点的连线为一 C2旋转轴,根据组合定律,还可以找到另外的两条 C2旋转轴。将子群设为 D3d时,删除编号为 2 氢原子时,会发现所有的氢原子一起消失,说明 6 个氢原子处于等同位置。D3d是由 C3旋转轴,3 条垂直于 C3轴的 C2轴及通过主轴平分 C2轴夹角的镜面等对称元素决定的。C3轴的存在使得每个 C 原子上的 H 原子是等价的,C2的存在使得交错的H 原子等价,最终造成 6 个氢原子是等价的。改变“Constrainto subgroup”中显示的子群,通过“Detate Atom”工具和键盘“Ctrl+Z”结合,可以明确地找到每一个子群所包含的对称元素,对于初学者很有帮助。GaussView 软件形象的图形界面及其强大的对称性模块可以帮助学生学习分子对称性,尤其是对于与主轴垂直的 C2轴的确定,帮助很大。此外,学生在确定目标分子的点群后,可以使用 GaussView 软件检查该分子所属点群的正确性,可以大大提高学习效率。2 结 语本文通过将学生自制的几何图形和分子球棍模型与GaussView 软件相结合,采取由简单到复杂地讲授次序对分子对称性进行教学,生动、直观,不仅可以调动学生学习地积极性和主动性,而且大大提高了这部分内容的教学效果。参考文献1 李炳瑞.结构化学.多媒体版 第 2 版M.北京:高等教育出版社,2011:148-183.2 周公度,段连运.结构化学基础.第 5 版M.北京:北京大学出版社,2017:122-137.3 孙宏伟.结构化学M.北京:高等教育出版社,2016:195-220.4 张海艳,沙兆林,崔世海,等.POV-Ray 软件在分子对称性中的应用J.大学化学,2015,30(2):78-82.5 孙宏伟,陈兰.VRML 在分子对称性教学中的应用J.大学化学,2018,33(2):70-74.6 陈莉敏,林友文,王津.模型及 ChemBioOffice 在有机化学实验中的应用J.广州化工,2014,42(21):214-215.7 唐贝.球棍模型及 ChemBioOffice 在有机化学教学中的应用J.广州化学,2017,42(3):77-79.(上接第 274 页)创新人才的培养。目前,我院 2018、2019 级给排水专业学生的创新能力得到了明显提高,创新实践类学科竞赛成绩显著,在中国“互联网+”大学生创新创业大赛、“深水杯”全国大学生给排水科技创新大赛、全国大学生节能减排社会实践与科技竞赛、全国大学生市政环境类创新实践能力“北控水务杯”大赛以及全国环境友好科技竞赛等比赛中有 80 余人次获奖,其中省级以上奖励 10 余项。本专业学生的水分析化学实验基础知识扎实、创新意识强,已在全国同类高校中显露出较强的竞争实力。4 结 语河北工程大学能源与环境工程学院给排水科学与工程专业水分析化学实验课程是本专业的独立骨干课程。本文从教学团队建设、课程交叉联动、构建“线上+线下”混合式实验教学模式、注入课程思政、实现立德树人、“教学-科研-调研”紧密结合以及培养学生创新与实践能力五个方面进行教学改革,实现了以学生为主体,构建一种实验课堂、MOOC 在线课堂、文献检索课程、实践调研和学科竞赛的“五位一体”混合式实验教学模式。在教师的指导下,极大地加深了学生对该课程基础知识和基本理论的理解,有效地提高了学生分析问题、解决问题及团队写作能力,使自身素质得到了全体提升,让学生的自主学习性、创新意识和实践能力得到了真正的提高。参考文献1 黄君礼,吴明松.水分析化学(第四版)M.北京:中国建筑工业出版社,2013.2 刘秀英.水分析化学实验课程的设计与实践J.长春教育学院学报,2012,28(8):100-101.3 禹丽娥,何川,彭青林.水分析化学实验课程的教学改革探微J.当代教育理论与实践,2019,11(1):61-65.4 崔志民,侯永平,钱建刚.分析化学实验教学中融入思政元素的的探索与实践J.广东化工,2021,48(19):294-295.5 吴淑琰.综合设计性水分析化学实验课程教学实践J.化学教育,2017,38(6):47-49.6 方志荣,曹宇.以“学生为主体”的水分析化学实验教学方式改革探索J.西昌学院(自然科学版),2020,34(3):121-124.