以产出为导向的物理化学实验...化物制备及性质测试实验为例_刘永梅.pdf

文章编号：（）收稿日期：作者简介：刘永梅（），女，副教授，：以产出为导向的物理化学实验的设计与实践 以铈镍复合氧化物制备及性质测试实验为例刘永梅（复旦大学 化学系，上海 ）摘要：目前，为了适应高等学校课程思政建设以及强基计划人才培养的需求，高校课程教学需要进行全面深入改革。本文基于目标产出为导向的理念，从实验教学目标分解、实验教学系统设计、创新教学模式、改革课程评价等方面探讨物理化学实验课程教学在学生知识、能力与素养方面的培养实践。关键词：物理化学实验；混合式教学；评价方式中图分类号：；文献标志码：教育部 高等学校课程思政建设指导纲要 中明确指出：“落实立德树人根本任务，必须将价值塑造、知识传授和能力培养三者融为一体、不可割裂。”同时，基础学科拔尖学生培养试验计划和强基计划，也对人才培养目标提出明确要求：培养符合国家需求、面向世界、引领未来、推动学科持续高水平发展的创新性人才。面对时代赋予的新任务，有效实现知识、能力、情感价值的育人目标，成为一线教师需要完成的时代命题。化学作为一门理论与实验并重、富有创造性的中心学科，实验教学在化学类专业人才培养中占据不可或缺的地位。物理化学课程作为理工类的专业核心课程，侧重于用物理手段和数学方法研究化学变化普遍规律，与之相适应的物理化学实验教学内容多偏重原理的运用，涉及仪器设备种类多，测量数据量大，数据深度解读要求高，是辩证唯物主义客观规律在生产实践和科技创新中的实践。经过几十年的不断完善和更新，已形成严谨规范的教学体系。要提升教学目标，需突破原有教学模式，通过深入剖析与系统设计，加强基础知识基本技能培养的同时增强能力培养。在提升学生分析解决复杂问题能力的过程中，加强科学思维和辩证思维的训练。通过“有目标、有举措和有考核”三要素三环节的完整教学过程，达到化学知识传授与价值引领的高度统一，培养具有坚定正确的政治立场和理想信念，具有家国情怀和社会责任感，具有扎实的专业知识、良好的科学文化素养、道德修养、法治意识、创新意识和实践能力的化学人。本文以“铈镍复合氧化物制备及性质测试实验”为例，通过剖析分解实验教学的知识目标、能力目标和素养目标，融入到课前预习、课堂教学、课后数据深度解读和论文撰写等不同教学环节，并通过相应考核设计检验教学目标达成度，实现“知识传授、价值塑造、能力培养”高度统一，促进学生全面发展。教学目标基于上述背景，本实验教学目标按照知识、能力和素养个层次设计，学生通过自主学习，在记忆理解的基础上，完成实验方案的设计。通过实验操作，获得实验数据，利用数据处理软件和表征技术分析软件完成数据分析处理，提取数据信息。对样品微观结构和晶相性质进行归纳总结，进而能够创造设计样品等过程达成教学目标。实验涉及气体在固体表面的吸附类型特点，气体在固体表面吸附理论、固体晶相结构、仪器测试原理、操作技术、数据解析等教学内容，难度由易到难逐级递升。培养目标的达成考核体现在课前、课中和课后的不同阶段，具体如表（见第 页）所示。第 卷第期 年月复 旦 学 报（自然科学版）（）DOI:10.15943/ki.fdxb-jns.2023.01.003表实验教学目标的分解 知识素质和能力要求实验内容教学方法达成体现实现阶段掌握基础知识，基本理论气体在固体表面的吸附性质特点，气体在固体表面的吸附理论，晶体结构理论，方程讲授，线上自学预习测试课前（线上）掌握基本实验技能样品制备，样品预处理，管路连接，样品性质测试的仪器操作线上 自 学，课 堂实验预习 测 试、规 范操作课前、课中（线下）实验的设计创新能力完成理论学习和操作规范学习后，能够自主设计具体的实验方案，课堂上有效完成样品制备、样品预处理、氮气吸附脱附测试、射线衍射图谱测试自 主 设 计 实 验方案，师生研讨实验方案设计运用 数 字 信 息 或 软 件，准确分析解读实验数据能力培养能够运用 或者 软件处理 吸附脱附数据，获得氮气吸附脱附等温线。能够运用数据库信息，分析样品 图谱数据，准确标出样品的晶相，样品衍射角，晶面间距。讲授，自学，师生、生生互动讨论实验数据图表、分析讨论课后（线下线上）科学思维与逻辑分析能力培养对比分析同一样品的 比表面与 比表面差异根源。根据吸脱附等温线性质推测样品微观结构特点。合理推测样品 衍射图谱中衍射峰强弱变化规律与影响样品性质因素关系。分析特定位置衍射锋位移原因。通过文献阅读，正确解读样品微观结构性质。文献检索，数 据作图，数据讨论，论文报告撰写数据规律总结、论文报告课后团队合作能力和团队意识培养协调能力和团队合作能力具有团队意识，能够在本学科及多学科团队中与其他成员进行有效 的 协 调 与合作。团队实验小组讨论，协作课上、课后书面表达及沟通交流能力培养具有较强的表达、交流；具有一定的国际视野和跨文化沟通交流能力；能够采用书面或者语言的方式进行良好的沟通和交流。论文撰写，互动交流论文报告课后适应未来科学技术的发展，具备自主学习、自我发展的能力适应未来科学技术和社会经济的发展具备自主学习、自我发展的能力。自学、自主设计方案设计、课堂实践课前、课上、课后教学设计从教学目标出发，以研究教学法的理念为指导，以促进学生发展为中心达成为牵引，辅以与之相适应图三层次融合教学策略 的教学模式和技术方法，推动学生理解掌握相关理论和知识基础，引发积极思考，自主设计实验方案，完成样品制备及结构性质测试。在数据分析讨论中通过辩证思维，客观准确地解析样品性质，从而在知识运用、分析解决问题的能力以及创造发展的科学素养等方面得到提升。在具体的教学过程中，我们采用三层次融合的任务设计，引导学生按照设定目标，完成相应的教学内容。具体策略如图所示。基于知识培养层面，学生需要掌握气体在固体表面吸附行为与特征、气体吸附理论、气体在固体表面吸附量的测量、晶体结构理论、晶体结构的表征等基本理论。为培养强化学生自主学习的意识与能力，我们充分利用线上资源的便捷性，复旦超星在线 物理化学实验 课程中提供了预先制作的理论讲解视频和课件资源，学生根据自己时间安排，自主完成学习。同时，辅以线上测试，检验学生知识掌握情况。为了进一步夯实理论学习，针对线上学习内容，在线下教学中，指导教师将进行重点互动交流，了解学生掌握情况。基于能力培养层面，充分发挥化学学科的特点，通过实验操作将所学理论转化为实践能力，并通过实复 旦 学 报（自然科学版）第 卷验及数据解析，进一步加深对知识理论的理解和运用。本实验中，学生需要运用已掌握仪器工作原理和仪器操作规范，指导完成相应的实验操作，获得相应样品性质测试数据，并能从原理层面理解实验操作中的相应的规范要求，做到规范操作，获得真实可靠的实验数据。并根据相应的气体在固体表面吸附脱附理论模型，进一步解析实验数据，总结归纳实验条件等因素对样品性质影响规律。基于科学素养培养层面，学生需要理解固体样品性质表征的意义，及其对揭示样品性能本质的重要性。在本实验教学设计中，充分将科学研究要素，融入实验教学。通过小组合作模式，完成不同铈镍比样品制备及其性质测试教学内容。引导学生对不同样品的性质进行对比分析，并通过课后文献检索阅读，深度剖析实验数据，总结制备条件等因素对样品性质影响规律，尝试根据已有结果和理论，建立设计控制样品制备的理念，为创新思维建立积累素材。教学实施在教学目标的牵引下，在个层次融合教学策略指导下，本实验的教学实施分为课前、课中、课后个阶段（图）。图本实验教学实施流程 课前学生通过观看线上理论讲解视频和课件完成理论知识学习，掌握气体在固体表面的吸附、吸附分类、吸附特点、吸附理论模型等理论，理解物理吸附仪测量工作原理。学习掌握晶体结构特点，晶体对射线的衍射，方程等理论，理解粉末 射线衍射仪工作原理。观摩样品制备操作规范、吸附仪操作规范和粉末 射线衍射仪操作规范，通过理论学习和实验操作规范学习，完成实验方案的设计，完成预习测试（图，见第 页）。在这一学习过程中，侧重培养学生学习自主能动性，锻炼学生独立思考意识，初步形成仪器规范操作意识，实验数据科学记录意识，以及对复杂化学实验内容的统筹安排和设计意识。课中（线下）主要进行互动交流、样品制备、样品预处理、氮气吸附脱附测试、样品粉末 射线衍射图谱测试、数据处理等环节，具体课堂开展步骤如下：第步，实验开始前，带教老师与学生就预习思考和实验方案，进行交流与讨论，一方面检验学生的知识掌握情况，巩固基本知识。另外与同学们探讨实验方案规划的合理性与可改进性，加强方案设计指导。第步，系列实验操作技能与规范演练。这是本实验内容的重点，这部分既是线上学习的理论知识和实验规范操作技能技术的灵活运用，也是后续综合结果讨论的基础。共有部分内容，同学们可以根据自己的方案，合理调整顺序：实验操作：复合氧化物的制备，学生自主选择一个比例的样品，称取一定量的硝酸铈和硝酸镍，转第期刘永梅：以产出为导向的物理化学实验的设计与实践 以铈镍复合氧化物制备及性质测试实验为例图线上资源与自测 移至大烧瓶中，加乙醇搅拌溶解。称取一定量草酸，加乙醇溶解，将草酸溶液按一定速度滴加到上述盐溶液中，完成氧化物前驱体的沉淀制备。实验过程中，教师会引导学生思考，草酸溶液滴加速度、搅拌速度、沉淀温度等实验条件，哪些会影响样品性质？引导学生控制实验条件一致，重点考察铈镍比例对样品性质的影响。本部分实验操作，强化对学生严谨科学实验态度和规范扎实实验技能的训练。实验操作：样品预处理。沉淀样品搅拌等待的时间，学生可以研磨已制备好的样品，完成称量、活化等实验操作，为获得准确可靠的实验数据做准备。在样品活化处理时，需要将样品管与真空系统连接，通过引导学生回顾视频操作演示、自己实践、观察思考、归纳正确规范操作要义等环节，将系统密封连接原理、预处理条件选择等内容，一一与学生探讨，让学生理解样品处理对吸附脱附性质影响的本质以及合理实验条件选择的原则，除了培养学生的规范实验操作技能，鼓励学生进行辩证思维，理解从样品自身特点出发，选择适宜的处理条件，为解决复杂问题的逻辑思维做演练。实验操作：样品氮气吸附脱附测试。将处理好的样品，准确称量质量，规范安装到测试仪器上，根据数据需求，设置仪器测试参数，准备好液氮，启动测试程序。在这个过程中，称量样品质量的准确程度，将直接影响到样品比表面积的大小；样品管的规范连接，将会影响仪器能否正常运行；仪器参数的设置，将会影响测试过程以及获取到的样品微观结构信息。实验过程中，通过对预习思考题的探讨，规范的实验操作以及合理设置仪器运行参数，让学生从原理上理解实验操作和参数设置原则，进而掌握仪器规范操作技能，帮助学生养成从理论到实践的思维习惯。实验操作：样品 图谱测试。将处理过的样品，装填到样品槽，安装到样品盘上，设置仪器运行参数，完成数据采集。在这个过程中，样品装填平整度，会影响到衍射图谱基线噪音；样品面与样品槽外沿面的高度一致性，会影响到样品衍射角度的准确性。实验参数的设置时，与学生就“影响样品衍射信号强弱的因素”、“由衍射图谱可以获取哪些样品信息”、“无定形样品，是否需要进行粉末射线衍射测试”复 旦 学 报（自然科学版）第 卷等问题，进一步探讨。探讨过程中，鼓励学生将晶胞估算、微观结构表征测试方法选择等多学科知识进行有机关联，引导学生思考数据分析重点，挖掘数据反映的样品本征结构信息。并激励学生通过文献检索阅读，从研究视角解读实验数据，提升科研素养。课后（线下）学生完成实验数据作图和处理，从不同维度对数据进行分析讨论并完成实验报告撰写。包括原始数据记录、数据结果探讨，同组小伙伴间数据对比分析，从研究的视角理解不同样品性质差异本质原因，初步建立学科研究思维，为创新设计积累元素。教学评价本实验的评价以教学目标产出为导向，采用线上线下、过程与结果相结合的评价，注重学生知识掌握、能力提升与科研素养累积并重的评价与反馈。课程评价与教学目标对标针对本实验的教学目标，在课前、课中和课后的成绩评定与其对标，具体如图所示。图基于教学产出的教学评价 线上线下评价融合鉴于该课程线上线下混合的特征，该实验的学业考评也以线上线下相结合的方式进行。线上的考评包括学生线上观看视频、完成预习自测、在学习平台递交实验方案设计等；线下评价包括课堂中的师生互动交流、实验操作规范的考察、实验数据的合理处理、学生实验报告评判等。课程在课前、课中和课后都提供了丰富的信息技术和学习支持，辅助学生开展探究性和个性化学习。在课前的线上学习阶段，我们主要使用视频、文档资源、在线测试等技术，帮助学生掌握气体在固体表面吸附、测试技术原理、手段等知识的记忆目标，培养自主学习能力，具体支持体现如图所示。图课前技术与学习支持 第期刘永梅：以产出为导向的物理化学实验的设计与实践 以铈镍复合氧化物制备及性质测试实验为例在课堂中，主要以学生完成实验操作、取得实验数据为主，实验操作前后通过师生互动、操作要点提图课上技术与学习支持 问演示、实验操作规范指导等方式，进行深入探讨、反馈与指导，帮助学生进一步将线上学习的理论知识，转化为实验技能，实现学以致用的运用目标，具体如图所示。在课后，通过撰写实验报告内容的设计，督促学生完成实验报告撰写，在此过程中，学生重新从实验目的、原理、技术、数据分析与结果讨论等方面，对本节课涉及的实验内容进行全面、系统梳理、回顾，并进行深入的思考与探索，理解样品性质规律的本质，积累创新思维元素，实现科学思维训练。通过上述教学过程，以上的同学，能够高质量的完成论文式实验报告撰写，对实验数据进行深入探讨。总之，本实验课程教学从培养学生能力和素质出发，明确教学目标，以学生发展为中心，通过系统教学设计，将教学目标分解融入各教学环节，并通过明确要求进行目标达成度评价，反馈教学实施效果，进而改进实验教学，发挥实验教学对学生学习、表达、交流和团队合作能力等方面的培养，通过实验教学助力学生创新意识和实践能力的培养，通过自主性学习的引导，加强对学生自主学习、自我发展能力的培养，帮助学生更好的适应未来科学技术和经济社会的发展。参考文献：习近平全国高校思想政治工作会议上的讲话 ：张树永高校化学类专业课程思政建设目标与实现途径刍议：以物理化学课程教学为例 大学化学，（）：沈海云，朱莉娜，王海媛，等浸润式课程思政在物理化学实验中的设计与实践 大学化学，（）：樊红霞，袁文霞，柯红岩，等基于“三位一体”目标导向的物理化学实验课程思政探索与实践 大学化学，（）：郭畅，方晖，白国梁，等构建“模式”提升课程育人实效：以物理化学课程群建设为例 大学化学，（）：张树永当前“课程思政”建设存在的不足及未来建设重点：以化学类专业课程为例 中国大学教学，：（，）：，：，：；复 旦 学 报（自然科学版）第 卷