設計性化學教育研究
分析化學實驗課是大學化學、化工、應用化學及與化學相關各專業(yè)的一門基礎課程,它在將一個普通的大學生培養(yǎng)成為化學工作者的過程中起到了承啟起后的作用[1]。分析化學實驗課應致力于在理論與實踐、學與用、知識與能力之間為學生搭建一個橋梁,使之成為一個培養(yǎng)學生形成創(chuàng)造性科學思維和綜合應用知識能力的載體。在分析化學實驗中開設“設計性實驗”,正是在這種共識的基礎上所采取的重要措施[2]。國內多所高校在分析化學實驗中都不同程度地引入了“設計性實驗”,近年出版的分析化學實驗教材中幾乎都可以看到設計實驗的內容。2000年始,我們分析化學教研組開始了“設計性實驗”教學的探討。2004年,我們將這一教學形式寫進教學大綱,在全校所有開設分析化學實驗課的專業(yè)推廣,獲得了良好的教學效果。十幾年里,我們在教學實踐中對“設計性實驗”的教學進行了全方位的研究并使其逐步完善�，F(xiàn)將我們的工作介紹給大家并愿意與同行們商榷。
1逐步完善“設計性實驗”課程運行模式
按照最初的課程設計,學生在完成了分析化學實驗基本技術訓練和驗證性實驗的基礎上,進入“設計性實驗”階段。我們精選了115個實驗題目并按其難度分為三級,設計了循序漸進、由淺入深的“3步走”的實施模式。以化學專業(yè)為例:第1步,學生在一級實驗題目(共10個)中選擇一個實驗,獨立完成實驗方案的設計,經(jīng)指導教師批準后,提出所需試劑和備品,由實驗室負責備齊,于規(guī)定時間內完成實驗。一級實驗題目難度不大,一般為單一組分的實際樣品分析。目的是通過這一實驗,使學生有機會對實際的分析工作有系統(tǒng)的了解。由于可能多人共題,大家可以相互討論、互相借鑒,在討論、模仿和借鑒之中,完成自己的實驗任務。實驗結束后,要求學生對自己的工作進行評價,討論得失,總結經(jīng)驗。第2步:學生可在二級實驗題目(共12個)中選擇一個實驗,限定每題不超過4人,要求同題者應使用不同的測定方法完成實驗,但可以共同討論解決實驗中出現(xiàn)的問題。二級實驗題目皆為混合物分析內容,學生需要從查閱資料入手,弄清實驗理論和干擾情況后設計出實驗方案。由于共題人數(shù)減少了,需要獨立思考的內容多了,實驗難度增加了。當學生全部完成實驗后,教師會通告試樣的相對真值,要求學生運用數(shù)理統(tǒng)計方法對實驗結果作出客觀評價,并分析產(chǎn)生誤差的原因。此實驗完成之后,學生對分析實驗的認識有了提高,基本掌握了解決一般分析問題的思路和方法。第3步是獨立設計實驗,具有考核性質,要求學生獨立完成。內容則以學生前期知識儲備為基礎,涉及定性分析、定量化學分析中的任何一種方法。三級題共93個,分為A、B、C、D4個檔次,依A→D的順序難度增加。其中A:20題、B:25題、C:36題、D:12題,學生可在三級實驗題目中任選其一。選題后,學生通過2~3周準備時間,查閱資料、設計實驗方案、與指導教師討論實驗方案的可行性,獲得批準后進入實驗室。此階段實驗室對學生全面開放,學生可根據(jù)自己的情況預約實驗時間、可以申請使用實驗室所有的設備與試劑,指導教師與實驗教輔人員隨時會給學生必要的幫助。為了讓學生能有更大的收獲,我們還建立了討論制度,在每個工作日,都會利用1h左右的時間,教師帶領全體同學對1天的工作進行總結。此時,學生可將自己在實驗中遇到的問題、困難提出請求幫助,也可以將自己的經(jīng)驗和收獲與同學們分享,同學和指導教師可提出自己的意見供參考。實驗結束后1周內,學生應上交實驗報告,由指導教師根據(jù)學生的綜合表現(xiàn)評出其設計實驗得分,并單獨計入學生實驗課總成績。我們也鼓勵學生對自己感興趣的分析問題自命題,但要由教師考證難易程度后確定難度等級。設計實驗有效激發(fā)了學生的學習興趣和欲望,提高了學生運用知識和獨立解決問題的能力,對提高教與學的質量都有很好的促進作用。我們的初步實踐收到了良好的效果。同時,問題也突顯出來了,主要為:①獨立設計實驗階段,雖然我們考慮到學生的興趣、知識基礎、實驗技術和能力等多方面的差異,設立了A、B、C、D4個檔次的預選題目,但由于大二年級的學生正處于學習任務較繁重的階段,學生時間投入有限,加之有的學生對成績的期待值不符合自身能力(各檔次題目得分不同),有部分同學需要超時完成,個別學生甚至不能完成實驗任務或實驗結果與相對真值差距較大。②指導教師在大約1個月的時間里每天要在實驗室巡視和指導不同的實驗,工作強度大。實驗室與教輔人員要一直和學生同步運轉,工作時間和強度都遠超負荷。③1人1題的設計實驗太過強調了學生完成實驗的獨立性,部分學生在這種“孤立無援”的境地里會過多的依靠教師,學生體會不到探索帶來的樂趣,甚至盼望著快點完成實驗勝利大逃亡。這在本質上并沒有解決如何啟迪學生科學思維和創(chuàng)新意識的問題,而“疲勞工作”甚至使個別學生“害怕”實驗,與我們建立這一教學模式的初衷相距甚遠。④由于教學計劃的調整,各專業(yè)用于設計性實驗僅有12~16學時,無法完成“3步走”的模式。這些問題不解決,教學模式再好,也只能是紙上的“研究成果”,無法推廣應用。2008年,我們再次對學生設計實驗題目進行了考察和精簡。通過篩選,確定了51個以學生前期知識儲備為基礎、具有一定探索性的設計實驗題目,同時,根據(jù)實際應用特點增加了對分析結果評價的要求。據(jù)其難度劃分A、B、C3級,規(guī)定學生可2~3人同選一題。將原來的3步走變?yōu)橐徊降轿?使學生完成實驗的時間有了保證。為了彌補減少了前2步帶來的缺陷,我們加強了經(jīng)典實驗教學中的討論。為促使學生主動學習和教學中的師生互動,自編了討論式分析實驗教學的電子課件,有計劃地將解決實際分析問題的方法、步驟等滲透到驗證性實驗的教學中,如查閱文獻資料、實驗方案的形成、試樣的制備、前處理、分析結果的評價等。在開學初開設“設計實驗知識講座”,使學生明確設計性實驗的性質、要求、選題須知等,并以教師的經(jīng)驗和具體分析案例啟發(fā)學生進行實驗方案的設計。由于給學生考量的時間較充裕,學生可以通過查找資料,閱讀教材,參考實驗講義,根據(jù)自己的情況較合理地確定選題;還可在繼續(xù)進行的驗證性實驗中積累經(jīng)驗、和同伴交流、與指導教師討論,使得實驗前的準備工作更充分。由于學生能夠較準確的提出所需備品,實驗室也有了足夠的時間做準備,實驗室人員也輕松了許多。學生進入實驗室后,工作更有秩序,遇到問題相互交流意見,共同探討解決途徑,實驗室內氣氛緊張、嚴肅、和諧,秩序井然。由于增加了對分析結果考察的內容,使學生真正從傳統(tǒng)的驗證實驗走進了實際分析工作。過去是做完實驗的學生追著老師問自己的分析結果是否合理,現(xiàn)在是學生自信的向老師匯報自己的工作已圓滿結束。學生對這樣的實驗課表現(xiàn)了高度的熱情,只要是有空閑時間,就會主動到實驗室來,實驗室成了學生展示自己能力的舞臺。特別是一些原來成績不好甚至不太認真學習的同學,為了能在實驗小組里起到一定的作用,會認真讀書,積極參與解決問題,這也許是最讓我們有成就感的結果。實驗結束后,大多數(shù)學生表示希望后續(xù)課程也有這樣做實驗的機會,有的同學甚至對分析實驗室戀戀不舍,認為這里是他“發(fā)現(xiàn)自己”的地方,我們開展設計性實驗的目的初步實現(xiàn)了。2個教學年度的實踐結果讓我們充分認識到:大學課程在傳授知識的同時更應注重培養(yǎng)學生的學習能力、解決問題的能力、交流能力、團隊合作能力和創(chuàng)新能力[3]。這些能力不是逼出來的,是學生在具有相應氛圍的文化環(huán)境中“悟”出來的。我們應該在實驗教學中為學生營造一個有科學研究氣氛的學習環(huán)境,為學生提供更多的創(chuàng)新機會,鍛煉學生的創(chuàng)新行為,激發(fā)學生參與創(chuàng)新的意識和熱情,培養(yǎng)他們的團隊協(xié)作精神以及創(chuàng)新所需要的頑強的意志品質和持之以恒的'精神。實踐讓我們真正的認識到“教學內容和教學形式是實現(xiàn)教學目標的基礎”,要使設計性實驗教學的設想轉變?yōu)閷W生能力的提高,首先要求教師對自己所堅持的教學理念要有足夠的理解;其次是教學內容和形式要符合教學理念;最后還要有“以學生為本”的教學管理方式�，F(xiàn)在,學院領導特別為我們增添了2臺微機,除了處理實驗數(shù)據(jù)外,學生在實驗中遇到問題可以隨時上網(wǎng)查詢。這增強了實驗室的研究性氛圍,使得學生對設計性實驗的參與熱情更高了,實驗的成功率大幅度提高。不僅如此,從學生實驗過程中所表現(xiàn)出的主動學習、積極工作、團結合作、認真求實的精神,克服困難、堅持到底的良好品德、對新知識的追求和創(chuàng)造的熱情中,我們感受到了改變傳統(tǒng)的教學模式與方法的重要性和“設計性實驗”的魅力。
2整理編撰“設計性實驗”教師參考資料庫
在實踐中我們體會到,如何開展“設計性實驗”的教學,怎樣使得“設計性實驗”在分析化學實驗的教學中真正開展起來,并非僅僅在教學計劃中添幾個設計性實驗題目那么簡單。無須諱言,“設計性實驗”教學的操作難度較大,是否開設“設計性實驗”,與學校的教學硬件、有關教學管理部門重視程度有關,而能否開出“設計性實驗”,取決于實驗授課教師的個人能力、敬業(yè)精神和實驗教輔人員的合作精神等多種因素。“設計性實驗”題目隨機多樣,缺乏相應的教學指導性材料,學生提出的解決問題的方法可能超出教師的原有知識積累等因素,對教師個人能力的要求很高。即便是經(jīng)驗豐富的教師,也需要足夠的精力投入才能及時發(fā)現(xiàn)學生實驗中存在的問題并給予恰當?shù)闹笇�。一個對分析化學理論理解不夠深入和缺乏教學投入及科學研究經(jīng)驗的教師是無法勝任這種教學形式的。為此,我們在完成本課題的過程中,及時總結,歸納整理了近幾年來對實驗題目的考察結果和學生的實驗記錄,整理編撰了教師用“設計性實驗”教學參考資料庫和“學生設計性實驗”檔案。任課教師可根據(jù)學生和教學條件等差異,在預選題庫中選用適當?shù)?ldquo;設計性實驗”題目,同時可以參考教師教學資料庫提供的資料和建議指導學生。教輔人員也可以從資料庫中了解所需備品的詳細情況等等,為設計性實驗課的順利完成提供了很好的支持。
3建立學生成績考評標準
在教學活動中,學生成績的考評標準是不可或缺的。在我們的教學模式中,設計性實驗成績占25%。正確評估學生在設計性實驗中的工作對教師的工作經(jīng)驗和工作能力都提出了比傳統(tǒng)教學方法更高的要求。這是設計性實驗題目的多樣性、實驗的多途徑等特點決定的。因此,如何評價學生的工作是項艱難的任務。經(jīng)過反復研究,我們確定衡量學生完成設計性實驗的質量標準是:①設計方案的合理性。體現(xiàn)在學生設計方案中原理的正確性、知識的綜合運用程度、實驗方案的可行性。②個人在完成實驗中的貢獻。由于實驗可以小組的形式進行,對每個組員的能力與貢獻大小的評價是一個難題,這需要教師細致入微的觀察和宏觀把握,最重要的是解決實驗問題的表現(xiàn)。③實驗報告的寫作和實驗結果的準確性。在此項,同組同學的最大差異表現(xiàn)在對實驗中探索性內容的討論,這是個性化程度較高的部分,這也是衡量實驗完成優(yōu)劣的主要標準。評分標準大體化分如表1。教師在執(zhí)行中應據(jù)“鼓勵創(chuàng)新、激勵創(chuàng)新”的原則具體把握。此外,我們將學生實驗預習得分由原來的預習報告得分改為課前討論發(fā)言得分,從而有力地保證了為設計實驗積累經(jīng)驗的教學意圖。由于能力有限,我們的做法存在諸多不足,僅希望我們的工作能為“設計性實驗”的實施提供實踐經(jīng)驗,為其在分析化學實驗教學中充分發(fā)揮作用“拋磚引玉”。
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