單麗偉，余瑞金，蒲亮，王文己，郁堯，龔寧

西北農(nóng)林科技大學(xué)化學(xué)與藥學(xué)院，陜西 楊凌 712100

什么是科學(xué)素養(yǎng)？科學(xué)素養(yǎng)是個體或群體在學(xué)習(xí)和應(yīng)用科學(xué)知識過程中養(yǎng)成的內(nèi)在品質(zhì)，是自覺運(yùn)用科學(xué)知識、科學(xué)方法認(rèn)識、解釋和解決實(shí)際問題的內(nèi)在驅(qū)動力。美國學(xué)者米勒將科學(xué)素養(yǎng)的內(nèi)涵歸結(jié)為三個方面[1,2]：(1) 對以科學(xué)概念和科學(xué)術(shù)語為核心的科學(xué)知識的了解與理解。(2) 對科學(xué)研究過程和科學(xué)方法的理解和掌握。(3) 認(rèn)識并了解科學(xué)技術(shù)對個人和社會生活的影響。科技創(chuàng)新是驅(qū)動人類社會進(jìn)步的核心動力，提升全民科學(xué)素養(yǎng)是創(chuàng)新型社會發(fā)展的必然要求。作為未來社會的主人公和建設(shè)者，提升大學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)已成為當(dāng)代大學(xué)生教育的核心目標(biāo)。

無機(jī)及分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)是農(nóng)林類高校多數(shù)專業(yè)開設(shè)的必修基礎(chǔ)課，也是大學(xué)生接觸的第一門化學(xué)類實(shí)驗(yàn)課。該課程不僅承擔(dān)著加深理論知識理解、增強(qiáng)專業(yè)實(shí)驗(yàn)理論和基本實(shí)驗(yàn)技能學(xué)習(xí)的職責(zé)，同時也肩負(fù)著培養(yǎng)大學(xué)生基本科學(xué)素養(yǎng)的職責(zé)。因而，以基本科學(xué)素質(zhì)養(yǎng)成為核心目標(biāo)，改革無機(jī)及分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)模式、提高課程教學(xué)質(zhì)量，對農(nóng)林類高校大學(xué)生培養(yǎng)質(zhì)量的提升具有重要意義。

1 無機(jī)及分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問題及對策

教學(xué)過程未能突出“以學(xué)生為中心，提升基本科學(xué)素養(yǎng)”的教學(xué)理念。在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，學(xué)生經(jīng)常處于被動角色，按部就班、甚至應(yīng)付式完成實(shí)驗(yàn)課。古希臘哲學(xué)家蘇格拉底說“教育不是灌輸知識，而是點(diǎn)燃火焰”，因而以“學(xué)生為中心”激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力已成為當(dāng)前教育模式改革的重中之重[3]。如前所述，提升科學(xué)素養(yǎng)已成為當(dāng)代大學(xué)生教育的核心目標(biāo)。事實(shí)上，實(shí)驗(yàn)課堂是培養(yǎng)學(xué)生基本科學(xué)素養(yǎng)的理想場所，特別是對科學(xué)研究過程和科學(xué)方法的理解和掌握。如何觀察記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、分析數(shù)據(jù)、推導(dǎo)歸納結(jié)論、撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告、開展團(tuán)隊(duì)協(xié)作等均是科學(xué)素養(yǎng)提升的重要環(huán)節(jié)。在以往的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中我們也強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)技能的培養(yǎng)，但實(shí)驗(yàn)技能只是科學(xué)素養(yǎng)的一部分。要解決上述問題，需要對課程內(nèi)容進(jìn)行重新審視和規(guī)劃、通過教學(xué)資源的精心制作、教學(xué)模式的合理運(yùn)用、教學(xué)流程和課程評價的嚴(yán)格執(zhí)行，才能最終培養(yǎng)出具備基本科學(xué)素養(yǎng)的專業(yè)人才。

學(xué)生學(xué)習(xí)基礎(chǔ)和教師授課能力參差不齊。西北農(nóng)林科技大學(xué)每年參加該課程學(xué)習(xí)的學(xué)生約3000人，他們來自12個學(xué)院的24個專業(yè)，具有不同學(xué)習(xí)背景，對實(shí)驗(yàn)課的接觸和了解程度有很大差異，因而學(xué)習(xí)和掌握實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)技能的快慢有很大落差。同時，該課程專職教師人數(shù)相對不足，需要聘請相關(guān)專業(yè)教師及研究生參與教學(xué)，部分代課教師對教學(xué)內(nèi)容理解不到位，教學(xué)要求和成績評定標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，造成教學(xué)效果參差不齊。對于前者需要建設(shè)并充分利用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源，以便學(xué)生根據(jù)自己的能力和節(jié)奏進(jìn)行學(xué)習(xí)。對于后者則迫切需要建立一套標(biāo)準(zhǔn)化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，實(shí)現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式和課程評價體系的統(tǒng)一。

2 課程內(nèi)容的改革與設(shè)計(jì)

為了融匯“以學(xué)生為中心，提升基本科學(xué)素養(yǎng)”的教學(xué)理念，適應(yīng)線上線下混合式教學(xué)的特點(diǎn)[4,5]，我們對無機(jī)及分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)。本實(shí)驗(yàn)課程計(jì)劃48學(xué)時，其中線上教學(xué)內(nèi)容8學(xué)時，包括實(shí)驗(yàn)安全教育、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理、原子分子結(jié)構(gòu)虛擬仿真三部分。線上線下混合教學(xué)內(nèi)容40學(xué)時，包括物質(zhì)性質(zhì)、滴定分析、儀器分析、分離純化等實(shí)驗(yàn)，具體安排見表1。通過上述實(shí)驗(yàn)，不僅培養(yǎng)學(xué)生基本實(shí)驗(yàn)操作技能和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與報(bào)告撰寫能力，同時潛移默化地提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。不同類型的實(shí)驗(yàn)對科學(xué)素養(yǎng)的養(yǎng)成具有一定的針對性，如物質(zhì)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)注重培養(yǎng)學(xué)生觀察記錄實(shí)驗(yàn)的能力；定量分析實(shí)驗(yàn)注重培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)、精益求精的實(shí)驗(yàn)作風(fēng)；實(shí)事求是、團(tuán)隊(duì)合作、安全意識和環(huán)保意識的培養(yǎng)則貫穿在實(shí)驗(yàn)教學(xué)的各個環(huán)節(jié)。

表1 無機(jī)及分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容設(shè)計(jì)

3 課程資源建設(shè)

以重新規(guī)劃后的課程內(nèi)容為基礎(chǔ)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源建設(shè)。制作無機(jī)及分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)課件16個(圖1)；并錄制對應(yīng)的授課視頻，視頻時長為5-20 min，便于學(xué)生課前自主在線學(xué)習(xí)。錄制實(shí)驗(yàn)基本操作和常規(guī)實(shí)驗(yàn)儀器使用視頻25個，包括常規(guī)儀器(滴定管、移液管、容量瓶、分析天平、分光光度計(jì)、酸度計(jì)等)使用及基本實(shí)驗(yàn)操作(溶液配制、離心操作、滴定操作、稱量操作、半滴停靠、常壓過濾、減壓過濾等)；構(gòu)建了以選擇題、判斷題、簡答題為主要題型的試題庫(圖1)，一共包括1072道測試題，覆蓋了實(shí)驗(yàn)室安全知識、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理、儀器使用、基本操作及每個實(shí)驗(yàn)的具體內(nèi)容。根據(jù)以往的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，針對每一個實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)討論題、思考題及實(shí)驗(yàn)案例，利用討論題目開展課堂小組討論，撰寫報(bào)告時完成思考題和實(shí)驗(yàn)案例，對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)和反思。將上述各種素材整合放入超星學(xué)習(xí)通教學(xué)平臺[6,7]，以便教師展開線上線下混合教學(xué)。

圖1 超星學(xué)習(xí)通網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺建設(shè)

4 線上線下混合教學(xué)實(shí)踐

理論課可采用線上教學(xué)(如中國大學(xué)慕課)、線上線下混合教學(xué)或線下教學(xué)，實(shí)驗(yàn)課則更適合線上線下混合式教學(xué)或線下教學(xué)[8-10]。2018-2019年，我們在部分班級中開展無機(jī)及分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的線上線下混合式教學(xué)，2020年則利用超星學(xué)習(xí)通平臺將該教學(xué)模式推廣到全校92個教學(xué)班。授課前首先建立班級QQ群，以便教師和學(xué)生溝通，發(fā)布課程公告，開展課程直播；學(xué)生利用學(xué)習(xí)通進(jìn)行在線學(xué)習(xí)、觀看操作視頻、開展線上討論、完成在線練習(xí)和測試、提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告等。本實(shí)驗(yàn)課程共安排了11次課，其中課程介紹及安全知識教育、數(shù)據(jù)處理、虛擬仿真三次課通過線上教學(xué)完成，采用學(xué)生自主學(xué)習(xí)或網(wǎng)絡(luò)直播方式開展；其他8次實(shí)驗(yàn)課均采用線上線下混合式教學(xué)。

線上線下混合式教學(xué)的實(shí)施包括三個環(huán)節(jié)：課前預(yù)習(xí)、課堂學(xué)習(xí)和課后提升。課前預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)中，需要學(xué)生自主閱讀實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書、觀看相關(guān)實(shí)驗(yàn)講授視頻和操作視頻、完成在線預(yù)習(xí)測試并撰寫預(yù)習(xí)報(bào)告。課堂學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)中，教師首先檢查學(xué)生的預(yù)習(xí)效果，然后講解實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)難點(diǎn)及實(shí)驗(yàn)操作注意事項(xiàng)，演示關(guān)鍵的操作流程和儀器使用方法；如若對實(shí)驗(yàn)原理或操作細(xì)節(jié)存在疑問，學(xué)生可通過學(xué)習(xí)通平臺或掃描教材上的二維碼觀看相關(guān)視頻；然后學(xué)生進(jìn)行自主實(shí)驗(yàn)，認(rèn)真觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象并如實(shí)記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，完成規(guī)定實(shí)驗(yàn)內(nèi)容；教師則及時糾正學(xué)生的錯誤操作，同時協(xié)助學(xué)生找出錯誤原因并記錄學(xué)生的實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)；實(shí)驗(yàn)完成后，學(xué)生須經(jīng)教師檢查后將實(shí)驗(yàn)原始數(shù)據(jù)、圖片及視頻資料上傳網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺；師生共同討論實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問題，并總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。實(shí)驗(yàn)課后，學(xué)生須及時分析處理數(shù)據(jù)，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論，總結(jié)實(shí)驗(yàn)心得和收獲，按時完成并在線提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告，完成學(xué)習(xí)效果評價在線測試；教師則須完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告評價，及時反饋督促學(xué)生糾錯。課程內(nèi)容的改革和線上線下混合式教學(xué)模式的運(yùn)用極大地激發(fā)了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)熱情，在線視頻和在線測試的參與度達(dá)到了92%以上(圖2)。由于課前的充分預(yù)習(xí)及實(shí)驗(yàn)操作與儀器使用視頻觀看的便捷性，學(xué)生對實(shí)驗(yàn)原理理解的透徹性和實(shí)驗(yàn)操作技能的規(guī)范性均優(yōu)于以往。

圖2 不同實(shí)驗(yàn)班在線學(xué)習(xí)參與度比較

建立統(tǒng)一的實(shí)驗(yàn)課程考核標(biāo)準(zhǔn)是實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)的重要一環(huán)。實(shí)驗(yàn)課程成績的評價不同于理論教學(xué)，無法僅通過考試完成，更應(yīng)該注重過程性評價。如何實(shí)現(xiàn)過程性評價一直是個難題，線上線下混合式教學(xué)和各種新興教育技術(shù)的應(yīng)用使過程性評價的量化成為可能。我們初步建立了該實(shí)驗(yàn)課成績考核標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)包括在線學(xué)習(xí)(15%)、在線測試(15%)、實(shí)驗(yàn)操作(40%)和實(shí)驗(yàn)報(bào)告(30%)四部分內(nèi)容(圖3)。前兩部分可通過網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源的使用度和在線測試成績綜合給出。實(shí)驗(yàn)操作水平和實(shí)驗(yàn)報(bào)告評價則以相應(yīng)的評分細(xì)則由任課教師給出，實(shí)現(xiàn)課程評價體系的標(biāo)準(zhǔn)化和客觀性。

圖3 實(shí)驗(yàn)成績考核標(biāo)準(zhǔn)

5 科學(xué)素養(yǎng)在實(shí)驗(yàn)課程中的融會貫通

在課程改革實(shí)踐中，我們將“提升科學(xué)素養(yǎng)”這一核心目標(biāo)融匯在實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容規(guī)劃、新形態(tài)教材建設(shè)[11]、課程資源建設(shè)、線上線下混合教學(xué)的各個環(huán)節(jié)。如前所述，科學(xué)素養(yǎng)的內(nèi)涵包括三個方面，其中以科學(xué)概念和科學(xué)術(shù)語為核心的科學(xué)知識的掌握主要通過理論教學(xué)完成；科學(xué)研究過程和科學(xué)方法的理解和掌握則主要通過實(shí)驗(yàn)課和實(shí)踐來實(shí)現(xiàn)；科技對個人和社會的影響則需要在理論課、實(shí)驗(yàn)課和實(shí)踐中不斷強(qiáng)化。也有學(xué)者根據(jù)上述內(nèi)涵，將科學(xué)素養(yǎng)的組成歸結(jié)為三個同心圓[12]，其中最核心的是科學(xué)精神、態(tài)度和科學(xué)觀，中間部分是科學(xué)知識、技能、方法和能力，最外圍是科學(xué)行為和習(xí)慣。

數(shù)據(jù)的采集與處理是科學(xué)素養(yǎng)培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)。下面以定量分析實(shí)驗(yàn)中有效數(shù)字及數(shù)據(jù)處理為例，說明如何引導(dǎo)學(xué)生具備“量”的意識，將有效數(shù)字取舍及數(shù)據(jù)處理訓(xùn)練貫穿定量分析實(shí)驗(yàn)始終。實(shí)驗(yàn)課前要求學(xué)生在線學(xué)習(xí)有效數(shù)字及數(shù)據(jù)處理相關(guān)內(nèi)容，完成相關(guān)知識測試，初步掌握有效數(shù)字的定義、取舍原則及運(yùn)算規(guī)則，以及數(shù)據(jù)的正確讀取、記錄及分析處理方法。在實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)中，任課教師通過自己或?qū)W生示范，強(qiáng)調(diào)數(shù)據(jù)采集及記錄方法，如樣品稱量過程中的數(shù)據(jù)記錄、滴定分析中滴定管的讀法、分光光度計(jì)和pH計(jì)的數(shù)值讀取等；同時學(xué)生也可通過掃描實(shí)驗(yàn)教材上的二維碼反復(fù)查看儀器使用方法和數(shù)據(jù)采集技巧。實(shí)驗(yàn)操作過程中，教師會隨時糾錯并對學(xué)生的各種疑問進(jìn)行解答。實(shí)驗(yàn)結(jié)束，學(xué)生須將自己的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄本交給教師進(jìn)行檢查，教師檢查后在線提交數(shù)據(jù)；如果實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不可用，則要求學(xué)生重新補(bǔ)做實(shí)驗(yàn)。課后學(xué)生將實(shí)驗(yàn)報(bào)告提交至學(xué)習(xí)通平臺，教師將數(shù)據(jù)記錄處理結(jié)果作為實(shí)驗(yàn)報(bào)告考核的主要指標(biāo)，并及時將問題反饋給學(xué)生并要求學(xué)生進(jìn)行修改補(bǔ)充。通過反復(fù)的練習(xí)和強(qiáng)化，使學(xué)生的“量化”意識和技能成為一種自覺習(xí)慣。

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)中，我們首先要求學(xué)生以事實(shí)為依據(jù)，不斷強(qiáng)化實(shí)事求是、勇于創(chuàng)新、精益求精的科學(xué)精神。其次，通過實(shí)驗(yàn)課教學(xué)過程使學(xué)生了解科學(xué)研究的基本過程，培養(yǎng)科學(xué)的行為方式和思維模式，掌握科學(xué)研究的基本方法和技能。同時，科學(xué)技術(shù)是把雙刃劍，不合理、不恰當(dāng)和惡意的使用會給人類帶來災(zāi)難。作為科學(xué)素養(yǎng)的一部分，我們在實(shí)驗(yàn)課程中不斷強(qiáng)化學(xué)生的安全意識和環(huán)保意識。要求學(xué)生實(shí)驗(yàn)后對產(chǎn)生廢液的組分進(jìn)行分析，并對實(shí)驗(yàn)廢水進(jìn)行初步處理和處置，讓安全和環(huán)保意識滲透到教學(xué)的各個環(huán)節(jié)，不斷增強(qiáng)學(xué)生的社會責(zé)任感。

6 結(jié)語

大學(xué)教育的目標(biāo)不僅是知識和技能的傳授，更重要的是良好專業(yè)和科學(xué)素養(yǎng)的塑造。無機(jī)及分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)課是高等院校理工農(nóng)醫(yī)類專業(yè)開設(shè)的必修基礎(chǔ)課，也是大學(xué)生接觸的第一門化學(xué)類實(shí)驗(yàn)課，是從頭培養(yǎng)學(xué)生基本專業(yè)和科學(xué)素養(yǎng)的重要課堂。我們通過數(shù)年的探索實(shí)踐，將線上線下混合式教學(xué)應(yīng)用于無機(jī)及分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)課，將科學(xué)素養(yǎng)的提升貫穿在實(shí)驗(yàn)課教學(xué)的各個環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了教材、教學(xué)資源的疊加式改進(jìn)，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和熱情，顯著提升了學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。