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設計性化學(xué)教育研究
分析化學(xué)實(shí)驗課是大學(xué)化學(xué)、化工、應用化學(xué)及與化學(xué)相關(guān)各專(zhuān)業(yè)的一門(mén)基礎課程,它在將一個(gè)普通的大學(xué)生培養成為化學(xué)工作者的過(guò)程中起到了承啟起后的作用[1]。分析化學(xué)實(shí)驗課應致力于在理論與實(shí)踐、學(xué)與用、知識與能力之間為學(xué)生搭建一個(gè)橋梁,使之成為一個(gè)培養學(xué)生形成創(chuàng )造性科學(xué)思維和綜合應用知識能力的載體。在分析化學(xué)實(shí)驗中開(kāi)設“設計性實(shí)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(xué)實(shí)驗中都不同程度地引入了“設計性實(shí)驗”,近年出版的分析化學(xué)實(shí)驗教材中幾乎都可以看到設計實(shí)驗的內容。2000年始,我們分析化學(xué)教研組開(kāi)始了“設計性實(shí)驗”教學(xué)的探討。2004年,我們將這一教學(xué)形式寫(xiě)進(jìn)教學(xué)大綱,在全校所有開(kāi)設分析化學(xué)實(shí)驗課的專(zhuān)業(yè)推廣,獲得了良好的教學(xué)效果。十幾年里,我們在教學(xué)實(shí)踐中對“設計性實(shí)驗”的教學(xué)進(jìn)行了全方位的研究并使其逐步完善�，F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(shí)驗”課程運行模式
按照最初的課程設計,學(xué)生在完成了分析化學(xué)實(shí)驗基本技術(shù)訓練和驗證性實(shí)驗的基礎上,進(jìn)入“設計性實(shí)驗”階段。我們精選了115個(gè)實(shí)驗題目并按其難度分為三級,設計了循序漸進(jìn)、由淺入深的“3步走”的實(shí)施模式。以化學(xué)專(zhuān)業(yè)為例:第1步,學(xué)生在一級實(shí)驗題目(共10個(gè))中選擇一個(gè)實(shí)驗,獨立完成實(shí)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(shí)驗室負責備齊,于規定時(shí)間內完成實(shí)驗。一級實(shí)驗題目難度不大,一般為單一組分的實(shí)際樣品分析。目的是通過(guò)這一實(shí)驗,使學(xué)生有機會(huì )對實(shí)際的分析工作有系統的了解。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(shí)驗任務(wù)。實(shí)驗結束后,要求學(xué)生對自己的工作進(jìn)行評價(jià),討論得失,總結經(jīng)驗。第2步:學(xué)生可在二級實(shí)驗題目(共12個(gè))中選擇一個(gè)實(shí)驗,限定每題不超過(guò)4人,要求同題者應使用不同的測定方法完成實(shí)驗,但可以共同討論解決實(shí)驗中出現的問(wèn)題。二級實(shí)驗題目皆為混合物分析內容,學(xué)生需要從查閱資料入手,弄清實(shí)驗理論和干擾情況后設計出實(shí)驗方案。由于共題人數減少了,需要獨立思考的內容多了,實(shí)驗難度增加了。當學(xué)生全部完成實(shí)驗后,教師會(huì )通告試樣的相對真值,要求學(xué)生運用數理統計方法對實(shí)驗結果作出客觀(guān)評價(jià),并分析產(chǎn)生誤差的原因。此實(shí)驗完成之后,學(xué)生對分析實(shí)驗的認識有了提高,基本掌握了解決一般分析問(wèn)題的思路和方法。第3步是獨立設計實(shí)驗,具有考核性質(zhì),要求學(xué)生獨立完成。內容則以學(xué)生前期知識儲備為基礎,涉及定性分析、定量化學(xué)分析中的任何一種方法。三級題共93個(gè),分為A、B、C、D4個(gè)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(xué)生可在三級實(shí)驗題目中任選其一。選題后,學(xué)生通過(guò)2~3周準備時(shí)間,查閱資料、設計實(shí)驗方案、與指導教師討論實(shí)驗方案的可行性,獲得批準后進(jìn)入實(shí)驗室。此階段實(shí)驗室對學(xué)生全面開(kāi)放,學(xué)生可根據自己的情況預約實(shí)驗時(shí)間、可以申請使用實(shí)驗室所有的設備與試劑,指導教師與實(shí)驗教輔人員隨時(shí)會(huì )給學(xué)生必要的幫助。為了讓學(xué)生能有更大的收獲,我們還建立了討論制度,在每個(gè)工作日,都會(huì )利用1h左右的時(shí)間,教師帶領(lǐng)全體同學(xué)對1天的工作進(jìn)行總結。此時(shí),學(xué)生可將自己在實(shí)驗中遇到的問(wèn)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(xué)們分享,同學(xué)和指導教師可提出自己的意見(jiàn)供參考。實(shí)驗結束后1周內,學(xué)生應上交實(shí)驗報告,由指導教師根據學(xué)生的綜合表現評出其設計實(shí)驗得分,并單獨計入學(xué)生實(shí)驗課總成績(jì)。我們也鼓勵學(xué)生對自己感興趣的分析問(wèn)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(shí)驗有效激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習興趣和欲望,提高了學(xué)生運用知識和獨立解決問(wèn)題的能力,對提高教與學(xué)的質(zhì)量都有很好的促進(jìn)作用。我們的初步實(shí)踐收到了良好的效果。同時(shí),問(wèn)題也突顯出來(lái)了,主要為:①獨立設計實(shí)驗階段,雖然我們考慮到學(xué)生的興趣、知識基礎、實(shí)驗技術(shù)和能力等多方面的差異,設立了A、B、C、D4個(gè)檔次的預選題目,但由于大二年級的學(xué)生正處于學(xué)習任務(wù)較繁重的階段,學(xué)生時(shí)間投入有限,加之有的學(xué)生對成績(jì)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(xué)需要超時(shí)完成,個(gè)別學(xué)生甚至不能完成實(shí)驗任務(wù)或實(shí)驗結果與相對真值差距較大。②指導教師在大約1個(gè)月的時(shí)間里每天要在實(shí)驗室巡視和指導不同的實(shí)驗,工作強度大。實(shí)驗室與教輔人員要一直和學(xué)生同步運轉,工作時(shí)間和強度都遠超負荷。③1人1題的設計實(shí)驗太過(guò)強調了學(xué)生完成實(shí)驗的獨立性,部分學(xué)生在這種“孤立無(wú)援”的境地里會(huì )過(guò)多的依靠教師,學(xué)生體會(huì )不到探索帶來(lái)的樂(lè )趣,甚至盼望著(zhù)快點(diǎn)完成實(shí)驗勝利大逃亡。這在本質(zhì)上并沒(méi)有解決如何啟迪學(xué)生科學(xué)思維和創(chuàng )新意識的問(wèn)題,而“疲勞工作”甚至使個(gè)別學(xué)生“害怕”實(shí)驗,與我們建立這一教學(xué)模式的初衷相距甚遠。④由于教學(xué)計劃的調整,各專(zhuān)業(yè)用于設計性實(shí)驗僅有12~16學(xué)時(shí),無(wú)法完成“3步走”的模式。這些問(wèn)題不解決,教學(xué)模式再好,也只能是紙上的“研究成果”,無(wú)法推廣應用。2008年,我們再次對學(xué)生設計實(shí)驗題目進(jìn)行了考察和精簡(jiǎn)。通過(guò)篩選,確定了51個(gè)以學(xué)生前期知識儲備為基礎、具有一定探索性的設計實(shí)驗題目,同時(shí),根據實(shí)際應用特點(diǎn)增加了對分析結果評價(jià)的要求。據其難度劃分A、B、C3級,規定學(xué)生可2~3人同選一題。將原來(lái)的3步走變?yōu)橐徊降轿?使學(xué)生完成實(shí)驗的時(shí)間有了保證。為了彌補減少了前2步帶來(lái)的缺陷,我們加強了經(jīng)典實(shí)驗教學(xué)中的討論。為促使學(xué)生主動(dòng)學(xué)習和教學(xué)中的師生互動(dòng),自編了討論式分析實(shí)驗教學(xué)的電子課件,有計劃地將解決實(shí)際分析問(wèn)題的方法、步驟等滲透到驗證性實(shí)驗的教學(xué)中,如查閱文獻資料、實(shí)驗方案的形成、試樣的制備、前處理、分析結果的評價(jià)等。在開(kāi)學(xué)初開(kāi)設“設計實(shí)驗知識講座”,使學(xué)生明確設計性實(shí)驗的性質(zhì)、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(xué)生進(jìn)行實(shí)驗方案的設計。由于給學(xué)生考量的時(shí)間較充裕,學(xué)生可以通過(guò)查找資料,閱讀教材,參考實(shí)驗講義,根據自己的情況較合理地確定選題;還可在繼續進(jìn)行的驗證性實(shí)驗中積累經(jīng)驗、和同伴交流、與指導教師討論,使得實(shí)驗前的準備工作更充分。由于學(xué)生能夠較準確的提出所需備品,實(shí)驗室也有了足夠的時(shí)間做準備,實(shí)驗室人員也輕松了許多。學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗室后,工作更有秩序,遇到問(wèn)題相互交流意見(jiàn),共同探討解決途徑,實(shí)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(xué)生真正從傳統的驗證實(shí)驗走進(jìn)了實(shí)際分析工作。過(guò)去是做完實(shí)驗的學(xué)生追著(zhù)老師問(wèn)自己的分析結果是否合理,現在是學(xué)生自信的向老師匯報自己的工作已圓滿(mǎn)結束。學(xué)生對這樣的實(shí)驗課表現了高度的熱情,只要是有空閑時(shí)間,就會(huì )主動(dòng)到實(shí)驗室來(lái),實(shí)驗室成了學(xué)生展示自己能力的舞臺。特別是一些原來(lái)成績(jì)不好甚至不太認真學(xué)習的同學(xué),為了能在實(shí)驗小組里起到一定的作用,會(huì )認真讀書(shū),積極參與解決問(wèn)題,這也許是最讓我們有成就感的結果。實(shí)驗結束后,大多數學(xué)生表示希望后續課程也有這樣做實(shí)驗的機會(huì ),有的同學(xué)甚至對分析實(shí)驗室戀戀不舍,認為這里是他“發(fā)現自己”的地方,我們開(kāi)展設計性實(shí)驗的目的初步實(shí)現了。2個(gè)教學(xué)年度的實(shí)踐結果讓我們充分認識到:大學(xué)課程在傳授知識的同時(shí)更應注重培養學(xué)生的學(xué)習能力、解決問(wèn)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(lái)的,是學(xué)生在具有相應氛圍的文化環(huán)境中“悟”出來(lái)的。我們應該在實(shí)驗教學(xué)中為學(xué)生營(yíng)造一個(gè)有科學(xué)研究氣氛的學(xué)習環(huán)境,為學(xué)生提供更多的創(chuàng )新機會(huì ),鍛煉學(xué)生的創(chuàng )新行為,激發(fā)學(xué)生參與創(chuàng )新的意識和熱情,培養他們的團隊協(xié)作精神以及創(chuàng )新所需要的頑強的意志品質(zhì)和持之以恒的精神。實(shí)踐讓我們真正的認識到“教學(xué)內容和教學(xué)形式是實(shí)現教學(xué)目標的基礎”,要使設計性實(shí)驗教學(xué)的設想轉變?yōu)閷W(xué)生能力的提高,首先要求教師對自己所堅持的教學(xué)理念要有足夠的理解;其次是教學(xué)內容和形式要符合教學(xué)理念;最后還要有“以學(xué)生為本”的教學(xué)管理方式�，F在,學(xué)院領(lǐng)導特別為我們增添了2臺微機,除了處理實(shí)驗數據外,學(xué)生在實(shí)驗中遇到問(wèn)題可以隨時(shí)上網(wǎng)查詢(xún)。這增強了實(shí)驗室的研究性氛圍,使得學(xué)生對設計性實(shí)驗的參與熱情更高了,實(shí)驗的成功率大幅度提高。不僅如此,從學(xué)生實(shí)驗過(guò)程中所表現出的主動(dòng)學(xué)習、積極工作、團結合作、認真求實(shí)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的教學(xué)模式與方法的重要性和“設計性實(shí)驗”的魅力。
2整理編撰“設計性實(shí)驗”教師參考資料庫
在實(shí)踐中我們體會(huì )到,如何開(kāi)展“設計性實(shí)驗”的教學(xué),怎樣使得“設計性實(shí)驗”在分析化學(xué)實(shí)驗的教學(xué)中真正開(kāi)展起來(lái),并非僅僅在教學(xué)計劃中添幾個(gè)設計性實(shí)驗題目那么簡(jiǎn)單。無(wú)須諱言,“設計性實(shí)驗”教學(xué)的操作難度較大,是否開(kāi)設“設計性實(shí)驗”,與學(xué)校的教學(xué)硬件、有關(guān)教學(xué)管理部門(mén)重視程度有關(guān),而能否開(kāi)出“設計性實(shí)驗”,取決于實(shí)驗授課教師的個(gè)人能力、敬業(yè)精神和實(shí)驗教輔人員的合作精神等多種因素。“設計性實(shí)驗”題目隨機多樣,缺乏相應的教學(xué)指導性材料,學(xué)生提出的解決問(wèn)題的方法可能超出教師的原有知識積累等因素,對教師個(gè)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(shí)發(fā)現學(xué)生實(shí)驗中存在的問(wèn)題并給予恰當的指導。一個(gè)對分析化學(xué)理論理解不夠深入和缺乏教學(xué)投入及科學(xué)研究經(jīng)驗的教師是無(wú)法勝任這種教學(xué)形式的。為此,我們在完成本課題的過(guò)程中,及時(shí)總結,歸納整理了近幾年來(lái)對實(shí)驗題目的考察結果和學(xué)生的實(shí)驗記錄,整理編撰了教師用“設計性實(shí)驗”教學(xué)參考資料庫和“學(xué)生設計性實(shí)驗”檔案。任課教師可根據學(xué)生和教學(xué)條件等差異,在預選題庫中選用適當的“設計性實(shí)驗”題目,同時(shí)可以參考教師教學(xué)資料庫提供的資料和建議指導學(xué)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(shí)驗課的順利完成提供了很好的支持。
3建立學(xué)生成績(jì)考評標準
在教學(xué)活動(dòng)中,學(xué)生成績(jì)的考評標準是不可或缺的。在我們的教學(xué)模式中,設計性實(shí)驗成績(jì)占25%。正確評估學(xué)生在設計性實(shí)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教學(xué)方法更高的要求。這是設計性實(shí)驗題目的多樣性、實(shí)驗的多途徑等特點(diǎn)決定的。因此,如何評價(jià)學(xué)生的工作是項艱難的任務(wù)。經(jīng)過(guò)反復研究,我們確定衡量學(xué)生完成設計性實(shí)驗的質(zhì)量標準是:①設計方案的合理性。體現在學(xué)生設計方案中原理的正確性、知識的綜合運用程度、實(shí)驗方案的可行性。②個(gè)人在完成實(shí)驗中的貢獻。由于實(shí)驗可以小組的形式進(jìn)行,對每個(gè)組員的能力與貢獻大小的評價(jià)是一個(gè)難題,這需要教師細致入微的觀(guān)察和宏觀(guān)把握,最重要的是解決實(shí)驗問(wèn)題的表現。③實(shí)驗報告的寫(xiě)作和實(shí)驗結果的準確性。在此項,同組同學(xué)的最大差異表現在對實(shí)驗中探索性?xún)热莸挠懻?這是個(gè)性化程度較高的部分,這也是衡量實(shí)驗完成優(yōu)劣的主要標準。評分標準大體化分如表1。教師在執行中應據“鼓勵創(chuàng )新、激勵創(chuàng )新”的原則具體把握。此外,我們將學(xué)生實(shí)驗預習得分由原來(lái)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(shí)驗積累經(jīng)驗的教學(xué)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(shí)驗”的實(shí)施提供實(shí)踐經(jīng)驗,為其在分析化學(xué)實(shí)驗教學(xué)中充分發(fā)揮作用“拋磚引玉”。
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