基于“三维一体”线上线下混合式教学创新的探索与实践
——以无机及分析化学课程为例

胡文远，钟国清，杨定明，蒋琪英，张欢

西南科技大学材料科学与工程学院，四川 绵阳 621010

通识教育模式下高等教育倡导培养学生独立思考的能力，拥有广泛学科知识容量，且具有将不同学科知识进行融会贯通的能力，这就对通识教育中的公共基础类课程提出了更高的要求[1]。既要夯实课程内的知识体系，又要在有限的课堂时间内进行拓展和延伸，尤其是与学生学科前沿相关、与学生未来产出关联的知识延伸。无机及分析化学是高校农、理、工科学生必修的化学基础课程，国内大部分高校由于课程体系重构或培养方案调整普遍存在内容繁多、学时有限及学生基础差异等诸多问题[2]。教学同行多采用提高教师素养、整合教学内容、启用兴趣教学方法和引入MOOC资源等措施[3]，但内容未减，学时压缩的困境仍未彻底解决。针对高等教育对于公共基础课程提出的新要求，我校的无机及分析化学课程教学团队坚持以“以学生为中心，教师为主导，持续改进”的理念，全面贯彻着力打造“前觅重难点，中强知识点，后固脉络而成于思”的三维一体的学习进阶模块，以实现课程高阶学习目标的达成。

1 课程基本概况及教学痛点

无机及分析化学是我校面向材料、环资、生命、国防等4个学院的材料科学与工程、环境科学与工程、食品科学与工程、特种能源与烟火技术等二十余个专业年均1400人的公共基础课。在通识教育和新工科、新农科和新医科的培养模式的导向下，课程理论学时数受培养方案调整影响修订为48个学时。课程内容繁杂，涵盖了无机化学中气体溶液和胶体、化学热力学初步、化学反应速率和化学平衡和物质基础，分析化学中的酸碱平衡与酸碱滴定法、氧化还原平衡与氧化还原滴定法、沉淀溶解平衡与沉淀滴定法和配位平衡与配位滴定法[4,5]。课程开设在大一学年，该学段学生需要同时修学英语、高数、大学物理等多门课时占比量大的公共基础课程，使得学生学习时间分配存在严重困难[6]。此外，无机及分析化学的课程内容决定了传统课堂教学多采用教师讲述的单声道传授模式，使得课程教学过程中存在学生参与度不高的困境[7]。

针对无机及分析化学课程内容繁杂、学生时间分配困难、课程教学过程学生参与度不高等困扰高校公共基础课程的教学痛点[8-12]，我校的无机及分析化学教学团队从课程体系维度构建、学生学习力驱动和学生课程参与度激发等方面进行全面的教学创新改革，以期解决课程教学中的痛点问题。

(1) 在课程体系维度构建上，针对课程知识容量大、涉及多层次化学分支和知识拓展，解决学生对课程知识难消化、难应用，专业不同对课程需求差异性，建立教材、慕课平台、腾讯QQ、慕课留言板等立体多维度的学习体系。

(2) 在学生学习力驱动上，针对大学低年级同阶课程门类多、学生知识获取压力大，时间分配有困难，建立内容导学和任务驱动的碎片化学习模式，帮助学生在最短的时间内高效掌握多维度的知识体系，获得最大的学习能力。

(3) 在学生课程参与度激发上，针对学习过程学生的参与感低、被动学习的占比大的顽疾，建立教学目标与学习活动关联，任务驱动促进学生自主学习，通过“三维一体”学习进阶模块及多阶多模块评价体系激发学生深度学习，达成高阶学习目标。

2 课程教学创新思路举措

我校的无机及分析化学课程，从2017学年伊始着手进行课程教学改革创新。坚持以“学生为主体，教师为主导，持续改进”的理念，着力打造“前觅重难点，中强知识点，后固脉络而成于思”的三维一体的学习进阶模块。依托自编教材、学银在线和中国大学MOOC平台构建立体的多维度课程体系，强化过程管理、学生自主学习的过程监控、授课起点时效化、学习过程碎片化、师生角色互换化、知识脉络系统化和外延化等多环节并举建立以学生为中心的多维度混合式教学创新示范(图1)。

图1 课程教学创新思路

2.1 课程教学体系构筑的创新

以产出为导向、专业为模块的无机及分析化学及实验OBE课程教学框架设计，教材、慕课平台、学习通、腾讯QQ等立体多维度的学习体系构筑。

教材及课程体系建设是课程教学的根基，无机及分析化学教学团队立足课程知识体系与学生产出专业对接的思路，全面贯彻“产出为导向、专业为模块”的无机及分析化学及实验OBE课程教学体系设计。于2006年起逐步打造了由科学出版社出版的《无机及分析化学》《无机及分析化学实验》和《无机及分析化学学习指导》第1版系列精品教材，随后于2014年出版了该系列的第2版。该系列教材入选普通高等教育“十二五”规划教材和四川省“十二五”普通高等教育本科规划教材，并被推荐参评首届全国教材建设奖。系列教材第3版于2021年4月正式出版，此版教材较前几版教材特色在于：① 无机化学和分析化学有机融合；② 注重内容设计的思想性、科学性、先进性、启发性和适用性；③ 典型案列与理论知识相结合，拓宽学生视野；④ 教材配套《无机及分析化学实验》(第2版)、《无机及分析化学学习指导》(第3版)、多媒体教学课件等[5]。在教材内容设计上，以专业为模块设计，分别针对不同专业进行课程内容设计，充分体现了以学生专业发展及学生学习为中心的理念，如针对材料大类专业设计了材料与化学章节、针对生物大类专业设计了生命与化学章节、针对环境大类专业设计了环境与化学章节。在课程内容设计上，针对生物大类专业融入缓冲体系在生命体中的重要性讨论和拓展，在实验环节选开“乙酸解离度和解离常数的测定(pH计法)”。缓解了生物大类学生培养方案中未专门开设仪器分析课程，在高阶学期需要使用酸度计支撑专业实验的困境。又如针对环境类专业的学生，增加环境监测中涉及的污水硬度、COD等常规污水检测项目原理研讨及实验选做，实现基础课程与专业需求无缝对接。针对材料类学生，增加水泥熟料全分析的综合实验方案设计及实验选做。此外，还用绿色化学的理念对传统化学实验教学内容进行改造，建立了“制备实验小量化、分析实验减量化、实验内容绿色化”。有效解决专业需求差异性、基础课程与专业对接性不强等问题，让公共基础课成为专业课程的重要支撑。

通过教材、慕课平台、学习通、腾讯QQ等立体多维度的学习体系，为学生构建了立体多元的课程框架，改变了课程只停留在课堂、书本的单一模式，为学生多维度的学习提供了平台。

2.2 课程培养模式创新

以“前觅重难点，中强知识点，后固脉络而成于思”的三维一体的学习进阶模块，培养学生对新知识主动建构的意识和习惯，充分调动学生自主学习的积极性。传统的教学模式是以教师讲授为主体，这种模式严重背离了现代高等教育倡导的“以学生为主体”的教学理念。“三维一体”的学习进阶模式利用线上、线下、线上线下混合式和翻转课堂等教学模式，使学生课前在自建慕课平台利用碎片化时间，对新知识进行梳理。通过课前随堂测试将效果给予教师反馈，教师根据效果实时更新教学起点，课后利用自主开发课程学习评价系统进一步巩固夯实知识脉络、拓展外延知识、促进自主学习习惯养成、提升自主学习能力，从而形成“闭环”的教学模式。课程培养的新模式转变了师生关系，从传统的单向的知识传授、灌输模式转变为多向交流的教学模式。教师的角色转变成知识学习的设计者和导演者，学生学习的引导者和督导者以及学生发展的促进者和支持者，深化了“以学生为中心”的教学理念，培养了学生自主学习的意识和习惯，激发了学生自主学习的积极性。

2.3 课程评价体系的创新

课程考评学生参与、过程环节教师监控、教学互动师生共建、评价体系外延拓展。将课程评价体系固化进课程教学大纲，在授课环节明确告知学生，从而有效解决“一考定音”僵化传统课程考评体系。以强化过程考核(40分)为导向，涵盖章节测验(40%)、在线互评作业(20%)、在线讨论或课堂互动(10%)、在线考试(30%)，期末考试(60分)和辅助平台(加分2-3)等多阶、多模块评价体系。通过科学有效的过程性评价给出学习导向，真实反映学生课程全过程的学习状态，激励学生主动参与，引导学生深层次学习，提升教学质量，体现了以学生学习效果为中心的教学理念。

3 课程教学创新改革实施案例

下面以第6章酸碱平衡与酸碱滴定法中的一元酸碱的滴定曲线为例，详细阐述教学流程及教学活动设计思路(表1)。

表1 三维一体的进阶模式与教学设计

一元酸碱滴定是无机及分析化学课程中所涉及的第一个滴定分析，首次学习该知识点的学生对化学滴定分析尚未形成清晰的脉络。因此，首先需要在这个部分引导学生对滴定分析的整个过程有清晰的梳理。其次，采用内容引导、任务驱动的方法去激发学生对相关知识点的兴趣。课前布置了关于食品中的蛋白质测定可能存在的疏漏为问题引领，驱动学生在课前去探究：(1) 一元酸碱滴定测定奶粉中蛋白质的原理；(2) 基于在测定原理中采用不同的酸吸收液均可进行定量测定的原因；(3) 是否所有的弱酸、弱碱都可以被准确滴定；(4) 疏漏的症结所在；(5) 采取何种手段对现有的测定方法进行改良；(6) 拓展延伸到2008年震惊全国的毒奶粉事件及受到的启示并融合课程思政。

基于课前推送的课前预习测试反馈获知，学生对于强碱滴定弱酸的滴定曲线中的滴定突跃的影响因素和该滴定过程的指示剂选择的把握尺度存在问题。因此，在课前教学设计调整中，将强弱滴定中一元弱酸的滴定曲线分析作为讨论和课堂翻转的教学手段引入课堂，从而强化学生对该部分知识的理解，酸碱滴定曲线的知识点的具体教学实施见图2。

图2 一元酸碱滴定的教学实施实例

通过具体的课堂教学实施强化了学生对于一元酸碱滴定中滴定曲线的绘制方法，曲线中需要特别关注滴定突跃的范围及其影响因素。帮助学生学会梳理了滴定分析中的观测点、强强滴定与强弱之间的差别。基于内容引导、任务驱动明晰了凯氏定氮法的测定原理是基于“蛋白质”转化为“NH4+”，再转化为“NH3”，随后采用硼酸或盐酸进行吸收，最终采用酸碱滴定进行滴定计算。学生通过课前文献调研获知了并非弱酸、弱碱都能被准确滴定；采用凯氏定氮法测定奶粉中的蛋白质含量存在无法区分“蛋白氮”和“非蛋白氮”的疏漏；可以采用三氯乙酸提前沉淀蛋白质的前处理方式将蛋白氮从检测样品中以沉淀的形式分离出来，从而避免非蛋白氮的检测干扰。从无法区分“蛋白氮”和“非蛋白氮”的疏漏引出毒奶粉事件，引导学生从这个检测的实例可以获得如下启示：(1) 要根据样品的具体情况优化和改良检测方法，以适应复杂样品的检测；(2) 要从产品源头上去把控原料的品质，杜绝劣质原料进入食品流通环节；(3) 要培养全民的食品安全意识，打造安全放心的餐桌。

课后通过平台自带的评价体系进行知识巩固和外延拓展，从而形成一个闭环的教学过程，以教学设计为教学的落脚点，以多手段教学吸引学生注意力，以实际应用能力检验学习效果，通过主体教学法，密切关注学生的学习成效，深化通识教育背景下“以学生为中心”的教学理念，促进深度学习。

4 课程教学创新改革实施数据分析及成效

无机及分析化学课程线上线下混合式教学创新改革实施始于2017级，已完成了线上线下混合式教学创新示范开课6期，学银在线的选课总数超8361人，累计页面浏览量超1101万次、累计互动次数9.3万次。

经过三个学年实施并持续改进过程，通过课程成绩分布反映了教学效果逐年趋好的态势。以我校材料科学工程专业为例，课程成绩为优秀及良好占比呈现逐年递增趋势(图3)，已从2016级占比20.00%上升至2019级67.95%，增幅为239%，此外，课程不及格的人数呈现逐年递减的趋势。说明线上线下混合式立足“以学生为中心”的教学理念，通过内容导学、任务驱动的教学模式有效地激发了学生的学习积极性。教材、慕课平台、学习通、腾讯QQ等立体多维度的学习体系，为学生构建了立体多元的课程框架体系，促成学生实现高阶学习目标，提升教学质量。结课前在课程网站对线上线下混合式教学改革模式进行了问卷调查(约1400人)，调查问卷涉及学生习惯、自学能力提升、在线资源可利用率、线上线下教学认可度及其优势等五方面的内容，现在对混合式教学模式的认可度及优势汇总如图4所示。相比传统教学，线上线下混合式教学模式可自主安排学习时间地点不受约束、对课程的重难点可通过在线资源重复强化，改变了单一的课堂讲授方式。79.49%学生反馈线上线下混合式教学创新模式极大地发挥了学生自主学习的能动性，为学生高阶达成学习目标提供了有效的平台与途径。通过问卷调查我们还获知，学生认为教学视频和单元测试对课程成绩提高有显著的影响，学生希望提高师生在线讨论频率，有利于对课程知识巩固和拓展，这将是课程持续改进的方向和驱动力。

图3 2016-2019级材料科学与工程专业无机及分析化学课程成绩分布

图4 线上线下混合式教学问卷调查结果

5 结语

无机及分析化学课程教学创新改革经过了3年多的探索，坚持“以学生为主体，教师为主导，持续改进”的理念，利用立体多维度的课程体系设计、“三维一体”的学习进阶模式的实施、学生参与的课程考评机制，为适应通识教育下对公共基础课程高阶要求，打造“两性一度”金课提供可靠的理论依据和实践经验。