宋潔，周守勇，徐繼明，趙樸素，皮武

淮陰師范學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，江蘇 淮安 223300

世界范圍內(nèi)的國力競爭說到底是人才的競爭，當(dāng)前，實現(xiàn)中華民族的永續(xù)發(fā)展尤其需要“提高高等教育質(zhì)量，要加強(qiáng)創(chuàng)新型、應(yīng)用型、技能型人才的培養(yǎng)”[1]?！皠?chuàng)新”是重要的科學(xué)精神之一，對于化學(xué)學(xué)科而言，實驗課又是實施全面化學(xué)教育的一種最有效的教學(xué)形式[2]，科學(xué)的精神、分析問題、解決問題的應(yīng)用能力需要通過高效的實驗訓(xùn)練才能達(dá)成。既要傳授化學(xué)知識和技術(shù)，更要訓(xùn)練科學(xué)方法和思維，還要培養(yǎng)科學(xué)精神和品德，是“全面的化學(xué)教育”觀對化學(xué)教學(xué)的要求[3]，同樣是創(chuàng)新型、應(yīng)用型、技能型人才培養(yǎng)的指導(dǎo)思想。

物理化學(xué)實驗屬于基礎(chǔ)實驗，主要是驗證性實驗[4]，一般流程為：學(xué)生課前完成預(yù)習(xí)，教師課上講解并指導(dǎo)學(xué)生完成實驗，學(xué)生課后處理實驗數(shù)據(jù)并完成實驗報告，最后教師批改實驗報告評定成績。這種“照方抓藥”的傳統(tǒng)教學(xué)模式很難滿足高質(zhì)量人才培養(yǎng)的需求[5]。其弊端主要有：1)課程結(jié)構(gòu)簡單，與能力訓(xùn)練要求不匹配；2)教學(xué)內(nèi)容滯后，與科技發(fā)展脫節(jié)；3)教學(xué)方法陳舊，訓(xùn)練成效難以提高；4)評價方法單一，難以量化和反饋等。因此，有必要重構(gòu)傳統(tǒng)物理化學(xué)實驗的教學(xué)模式。通過調(diào)整課程結(jié)構(gòu)[6,7]、整合優(yōu)質(zhì)資源[8,9]、優(yōu)化教學(xué)方法[10,11]等途徑，在有限的課時內(nèi)提升實驗課堂訓(xùn)練的成效，促進(jìn)“知識容器型人才”向“創(chuàng)新應(yīng)用型人才”的轉(zhuǎn)變，是化學(xué)實驗教學(xué)改革研究的方向。

1 融合實驗設(shè)計方案構(gòu)建

從認(rèn)知心理學(xué)角度分析，物理化學(xué)實驗知識包含陳述性知識、程序性知識和策略性知識三大類[12]，前兩者分別指實驗原理和實驗技能，策略性知識是將感性認(rèn)識上升為抽象知識的“思維訣竅”[13]，即“學(xué)會學(xué)習(xí)”的本領(lǐng)，它是創(chuàng)新應(yīng)用能力的核心，需要在嘗試、應(yīng)用、鞏固等場景中反復(fù)訓(xùn)練而習(xí)得，單一的驗證性實驗難以達(dá)成，這也是造成傳統(tǒng)基礎(chǔ)實驗訓(xùn)練不深入、效果不理想的關(guān)鍵因素之一。

如圖1所示，以電動勢測定實驗為例，通過資源整合和內(nèi)容調(diào)整后，將傳統(tǒng)基礎(chǔ)實驗分解并拓展為仿真實驗、基礎(chǔ)實驗、探究實驗、綜合實驗一體化的融合實驗，再根據(jù)實驗內(nèi)容的特點(diǎn)，對應(yīng)地將策略性知識分解為感悟嘗試策略、反思應(yīng)用策略、遷移鞏固策略、課后拓展策略。在實驗各環(huán)節(jié)，顯化的策略性知識更容易被評價和反饋，從而有效落實創(chuàng)新能力的訓(xùn)練。

圖1 仿真嵌入式物理化學(xué)融合實驗?zāi)Ｊ绞疽鈭D

與傳統(tǒng)實驗相比，融合實驗采用結(jié)構(gòu)化的模塊，提高了訓(xùn)練的總體要求；前端嵌入仿真實驗，對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行補(bǔ)充和更新；在實際教學(xué)中，教師退位讓權(quán)，保持啟發(fā)式教學(xué)法的覺察；通過評價指標(biāo)的建立，實現(xiàn)產(chǎn)出評價的當(dāng)堂反饋；此外，將自主知識產(chǎn)權(quán)的自制儀器及科研成果應(yīng)用于實驗中，融思政教育于實驗過程中，按照全面的化學(xué)教育觀的要求實施改革并實踐。

1.1 仿真實驗——感悟、嘗試策略

通常講解實驗原理時，一般采用電路圖加文字表述的方法。學(xué)生比較難理解對消法測定可逆電池電動勢時“既要保持電路暢通，又要保持電流為零”。為此，利用NOBOOK虛擬仿真平臺搭建了對消法測量可逆電池電動勢原理的虛擬實驗。除了教師課堂演示外，學(xué)生也可以從選元件、連接電路到測定過程全程模擬實操，直觀感受測定過程中如何通過滑線變阻器的調(diào)控電流為零，直至徹底弄通電動勢測定的原理，感悟嘗試電動勢測定認(rèn)知策略，為后續(xù)實驗奠定基礎(chǔ)。游戲化的仿真操作體驗有助于降低認(rèn)知難度，從而有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

1.2 基礎(chǔ)實驗——反思、應(yīng)用策略

融合實驗中的基礎(chǔ)實驗仍然是“電動勢測定”教學(xué)的核心內(nèi)容，需要依次完成以下任務(wù)：理解實驗原理、制備電極、組裝電池并學(xué)會測定可逆電池的電動勢。采用教師自制測定裝置進(jìn)行實驗(ZL201510030349.4；ZL201010149763.4)，學(xué)生對實驗過程的反思和總結(jié)認(rèn)為：前面仿真實操的加入，對原理的理解更加深入，應(yīng)用操作的策略更加得心應(yīng)手；自制儀器的組裝更便捷，使得測量結(jié)果準(zhǔn)確，同時節(jié)約了不少時間。

1.3 探究實驗——遷移、鞏固策略

探究實驗有2個，分別是：1)比較兩套自制儀器組裝電池的電動勢并討論；2)比較兩組電池作電源的工作情況并討論。如表1所示，探究實驗環(huán)節(jié)不僅能夠考查前面實驗環(huán)節(jié)的產(chǎn)出目標(biāo)(1-5項)(表1)，同時還涉及科學(xué)研究態(tài)度、辯證思維、團(tuán)隊協(xié)作等重要的科學(xué)思維和品德(6-8項) (表1)。后續(xù)綜合實驗拓展中還包含可持續(xù)發(fā)展理念，材料應(yīng)用簡介。鼓勵有興趣的同學(xué)繼續(xù)參加相關(guān)研究。探究實驗?zāi)軌蚝芎玫赜?xùn)練和考查知識的遷移和鞏固策略，鍛煉學(xué)生分析解決實際問題的知識應(yīng)用能力。

表1 融合實驗產(chǎn)出評價目標(biāo)及認(rèn)知策略分解表

1.4 綜合實驗——課后拓展策略

綜合實驗來源于師生共同研究的“創(chuàng)新”和“應(yīng)用”成果。1)教師自制儀器中的隔膜材料來源于農(nóng)業(yè)廢棄物秸稈，將其應(yīng)用于教學(xué)中，有效激發(fā)了學(xué)生自主創(chuàng)新的意識和信心。2)學(xué)生利用秸稈降解廢液組裝成電池，降解廢液的同時，產(chǎn)生電能，樹立了低碳環(huán)保的理念，在第11屆全國大學(xué)生節(jié)能減排社會實踐與科技競賽中獲得二等獎。3)師生的科研及獲獎成果編制成綜合實驗，用于知識拓展和科普宣傳，為感興趣的同學(xué)提供延伸探索的課題。

2 融合實驗教學(xué)方法改革

全面的化學(xué)教育中提出實驗教學(xué)方法要用啟發(fā)式，不要用注入式[3]。新時代大學(xué)生除了需要掌握專業(yè)課的基本知識和技能外，還需鍛煉溝通、合作、管理等關(guān)系的協(xié)調(diào)能力。物理化學(xué)實驗課的開設(shè)在大三階段，學(xué)生已修完專業(yè)基礎(chǔ)課程及實驗，已具備基本的專業(yè)知識和實驗技能，具有與教師討論、探究實驗的愿望與能力。從教學(xué)內(nèi)容來看，電動勢測定實驗的技術(shù)難度和風(fēng)險指數(shù)都不算高，具備教學(xué)方法改革的良好條件。在社會有需求、學(xué)生有能力、改革有條件的前提下，如何充分激發(fā)學(xué)生的自驅(qū)力，真正實現(xiàn)“學(xué)生在課堂的中心位置”，是值得探討的重要議題。

2.1 課堂角色關(guān)系重構(gòu)——“教師讓位、學(xué)生中心”

如圖2所示，傳統(tǒng)課堂上，教師需要負(fù)責(zé)實驗準(zhǔn)備、實驗示范和講授以及安全督察等工作，學(xué)生的主要任務(wù)是完成規(guī)定的實驗即可。在融合實驗中，從12名參加實驗的學(xué)生中選出材料員(1-2名)、學(xué)生小助教(2-3名)、學(xué)生安全員(1-2名)，他們需要完成自己的實驗任務(wù)外，還要在教師的協(xié)助下，分別負(fù)責(zé)課前實驗準(zhǔn)備、課中組織總結(jié)討論，以及全程安全督察等原先全部由教師來完成的工作任務(wù)。教師實質(zhì)性的讓位、讓權(quán)充分調(diào)動了學(xué)生的主觀能動性。

圖2 課堂教學(xué)形式轉(zhuǎn)變示意圖

2.2 師生關(guān)系重構(gòu)——“多重角色、競爭合作”

在傳統(tǒng)實驗中，教師是施者，學(xué)生是受者，師生、生生之間的關(guān)系單一，關(guān)系重構(gòu)后，教師“讓教”、學(xué)生“自教互教”，教師與學(xué)生、學(xué)生與學(xué)生之間形成了多重關(guān)系。

從學(xué)生的角度來看，根據(jù)埃里克森人格發(fā)展理論[14]，大學(xué)生所處的年齡階段特別注重自己在別人眼中的形象，以及他在社會集體中所占的情感位置，大學(xué)生在各自崗位上的課堂表現(xiàn)更加積極，尤其是獲得教師和同伴的需要和認(rèn)同后，自信心不斷增強(qiáng)。有研究表明，志愿服務(wù)和社會實踐對大學(xué)生角色的社會化作用明顯[15]，課堂多重關(guān)系增加了溝通機(jī)會，有助于學(xué)生未來的社會適應(yīng)。

從教師的角度來看，關(guān)系重構(gòu)后，教師需要改變觀念、態(tài)度和交流方式。首先從權(quán)威立場中撤出，和學(xué)生一起討論，而不是立刻給出答案，促進(jìn)學(xué)生更多地思考和探索。當(dāng)實驗中出現(xiàn)失敗和錯誤時，教師的態(tài)度要包容，引導(dǎo)鼓勵學(xué)生自己找出答案。以溫和且堅定的方式與學(xué)生平等交流，從能說會道轉(zhuǎn)變?yōu)槟苋虝?，并時刻覺察和協(xié)調(diào)多角色間的關(guān)系。課外，教師要花更多的時間投入研究和改革，同時需要進(jìn)行更多的學(xué)習(xí)、實踐和反思。

3 融合實驗實施方案及成效

3.1 融合實驗課時安排

大綱規(guī)定的教學(xué)時數(shù)是5課時，每節(jié)課45分鐘。在實驗任務(wù)要求及總課時不變的基礎(chǔ)上，融合實驗各環(huán)節(jié)的安排如圖3所示。實驗講解課時不變，用仿真實操代替原理講解。新的電動勢測定儀器及自制電動勢測定裝置替換老的儀器和裝置，共計節(jié)約40分鐘，用于后續(xù)探究實驗及產(chǎn)出評價，總結(jié)討論部分拓展了綜合實驗的簡介，總結(jié)部分由小助教、安全員和教師共同完成。多層次的總結(jié)能夠更加全面有效地鍛煉學(xué)生的溝通表達(dá)能力。實踐證明，該方案時間和任務(wù)安排合理，教學(xué)效果良好。

3.2 融合實驗課堂思政

電動勢測定實驗中豐富的思政元素為課堂思政的實施提供良好的條件。表2列舉了電動勢測定實驗的部分思政素材。選材貼切的主題、過渡自然的表述有助于產(chǎn)生師生共鳴，在實際教學(xué)中取得了良好的效果。

圖3 電動勢測定實驗的課時分配及任務(wù)安排對照圖

表2 課堂思政元素實施情況

3.3 融合實驗教學(xué)改革成效

1)融合實驗——構(gòu)建高效課堂。

傳統(tǒng)基礎(chǔ)實驗的訓(xùn)練內(nèi)容及方法單一。融合實驗的前端嵌入仿真實驗，能夠幫助學(xué)生更好地理解抽象概念和原理等陳述性知識，基礎(chǔ)實驗完成之后增加了探究性實驗，能夠強(qiáng)化并反饋程序性知識的掌握情況，課后的綜合拓展實驗，能夠為學(xué)有余力的學(xué)生提供深入探索的機(jī)會。在融合實驗的教學(xué)情境中，學(xué)生參與度和積極性明顯提高，達(dá)成度指標(biāo)的完成情況更好。

2)自制教具——探索教改之路。

近二十年來，教師以科研項目為依托，開展以“實驗裝置改進(jìn)”為目標(biāo)的實驗改革，獲得了多項自主知識產(chǎn)權(quán)的自制教具，并在實驗教學(xué)的過程中不斷改進(jìn)。以電動勢測定裝置為例，如圖4所示，自編實驗教材中使用了改進(jìn)的第二代裝置，之后繼續(xù)研制了第三代、第四代裝置，均獲得國家發(fā)明專利授權(quán)，在教學(xué)中應(yīng)用得到良好反饋。

圖4 電動勢測定裝置改進(jìn)過程示意圖

3)教學(xué)相長——促進(jìn)人才培養(yǎng)。

教師通過教改課題、大創(chuàng)項目等形式組織學(xué)生共同研究，將成果申報學(xué)生自主知識產(chǎn)權(quán)、撰寫論文，在教學(xué)應(yīng)用中持續(xù)改進(jìn)，師生共同努力，取得了系列創(chuàng)新成果(表3)。2021年，根據(jù)創(chuàng)新成果整合設(shè)計而成的電動勢測定融合實驗獲得了專家和同行的認(rèn)可，榮獲“全國高校教師教學(xué)創(chuàng)新大賽”三等獎。

表3 電動勢測定融合實驗研究中師生產(chǎn)出創(chuàng)新成果一覽表

4 結(jié)語

融合實驗始終以全面地化學(xué)教育觀為指導(dǎo)，以“學(xué)生為中心，教研相結(jié)合”為理念，對傳統(tǒng)實驗的課程結(jié)構(gòu)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和評價手段進(jìn)行了改革，強(qiáng)化知識的理解和技能的應(yīng)用，更加注重知識的遷移和創(chuàng)新能力的訓(xùn)練，把策略性知識習(xí)得的過程分化于實驗的不同階段，通過明確的評價指標(biāo)當(dāng)堂考查產(chǎn)出目標(biāo)及策略性知識的完成情況，在實踐中邊教邊改，取得了良好的教學(xué)效果，同時也發(fā)現(xiàn)了新的問題：1)仿真實驗自主研發(fā)技術(shù)的局限，部分實驗暫時無法實現(xiàn)仿真化，應(yīng)加大開發(fā)投入和力度；2)探究性、綜合性實驗的推廣受到實驗設(shè)備條件及學(xué)時的限制，應(yīng)申請協(xié)調(diào)和保障；3)教師投入的教學(xué)精力有限，設(shè)法調(diào)動實驗教學(xué)改革的積極性。

參照上述融合實驗的理念與模式，以教師自制教具和探究實驗開發(fā)為核心，根據(jù)不同實驗的特點(diǎn)，對物理化學(xué)實驗的大部分項目都進(jìn)行了改革，已經(jīng)取得顯著效果。如：溶液表面張力的測定、燃燒熱的測定、乙酸乙酯的皂化反應(yīng)等實驗。從已有改革實踐來看，該實驗教學(xué)改革的創(chuàng)新模式通過在實驗設(shè)計和實施環(huán)節(jié)上的多元賦值與高效釋放，同時注重實驗效果的及時評價，對于化學(xué)實驗改革具有較大參考價值，經(jīng)過不斷發(fā)展和完善，一定能在更大程度上促進(jìn)創(chuàng)新型、應(yīng)用型、技能型人才的培養(yǎng)。