課程思政視域下大一新生科學素養(yǎng)構(gòu)建探索
——以“有效數(shù)字”教學為例

彭一鳴，鄧遠富，劉英菊，劉偉章，陳明潔

1 華南農(nóng)業(yè)大學材料與能源學院，廣州 510642

2 華南理工大學化學與化工學院，廣州 510640

3 華南農(nóng)業(yè)大學數(shù)學與信息學院，廣州 510642

科學素養(yǎng)概念于1958年第一次被正式提出之后，逐步發(fā)展成為各國科學教育的主流認知與重要目標[1-3]。隨著時代的發(fā)展其內(nèi)涵不斷被擴充，2018年的“國際學生評價項目”(簡稱為“PISA”項目，每三年舉行一次)將科學素養(yǎng)界定為具有下列三種能力：① 科學地解釋現(xiàn)象；② 評估和設(shè)計研究方法；③ 科學地解釋數(shù)據(jù)與證據(jù)[4]?？茖W素養(yǎng)是人類可以通過后天學習逐步形成的涵養(yǎng)與特征[5]，2020年5月教育部印發(fā)的《高等教育課程思政建設(shè)指導(dǎo)綱要》明確指出，理科工科課程的思政教學目標為：通過專業(yè)課程、課堂培養(yǎng)學生的科學素養(yǎng)，塑造學生的科學精神，從而形成協(xié)同效應(yīng)，為國家培養(yǎng)合格的社會主義接班人、生力軍[6]。

有效數(shù)字是指在分析工作中實際測量得到的數(shù)字，包括所有準確數(shù)字和一位可疑數(shù)字[7,8]，不僅表示數(shù)值的大小，而且可以反映出測定儀器的精密程度[9]。其應(yīng)用范圍很廣，涵括化學、物理、生物、農(nóng)學、林學、醫(yī)學、機械工程、地質(zhì)勘探等學科，凡是需要測量數(shù)據(jù)的領(lǐng)域都適用。有效數(shù)字是科學素養(yǎng)中最重要、最基礎(chǔ)的技能之一，同時也是培養(yǎng)大一新生科學素養(yǎng)最簡便高效的途徑?！笆е晾?，謬以千里”，大一新生的有效數(shù)字問題如果得不到切實有效的解決，將導(dǎo)致其今后的學習與研究工作中任意增減有效數(shù)字位數(shù)等問題層出不窮，甚至造成結(jié)論誤判的嚴重后果[10]。

1 有效數(shù)字問題現(xiàn)狀分析

“無機及分析化學”與“基礎(chǔ)化學實驗(無機及分析部分)”兩門課程是華南農(nóng)業(yè)大學面向農(nóng)林、生科、獸醫(yī)、理工等大類非化學專業(yè)的大一新生開設(shè)的專業(yè)基礎(chǔ)必修課程，彼此相互依存，一一對應(yīng)[11]。兩門課程均開設(shè)于大一上學期，是學生入校后最早接觸到的專業(yè)相關(guān)課程。有效數(shù)字知識點是無機及分析化學中第一章學習的內(nèi)容，在中學階段也有涉及[12]，簡單易懂。課本首先直接介紹有效數(shù)字的概念；接著舉例應(yīng)用；最后強調(diào)注意事項。由于沒有直觀介紹有效數(shù)字的來歷、其對應(yīng)的測量儀器以及各自相應(yīng)的測量方法等，因而學生無法通過課本了解前人總結(jié)出有效數(shù)字這一概念的化學意義。這一現(xiàn)象造成學生無法理論聯(lián)系實際，在實踐中普遍存在兩個方面的問題：① 有效數(shù)字隨意記錄；② 有效數(shù)字運算時更是任意妄為。

如圖1、圖2所示，學生在有效數(shù)字記錄方面主要存在隨意刪減有效數(shù)字位數(shù)的問題，尤以忽略末尾數(shù)字“0”為甚。圖3為鄰苯二甲酸氫鉀標定氫氧化鈉溶液濃度實驗中學生的兩份數(shù)據(jù)處理截圖。根據(jù)有效數(shù)字運算規(guī)則，實驗中計算得到的氫氧化鈉濃度本應(yīng)保留四位有效數(shù)字，但人為降低有效數(shù)字的位數(shù)卻可以得到看似更“完美”的實驗結(jié)果?？梢妼W生在進行有效數(shù)字運算時，遵循的并不是相關(guān)運算法則，而是片面追求平行數(shù)據(jù)的一致性。

圖1 學生實驗報告中隨意記錄測量數(shù)據(jù)圖示之一

圖2 學生實驗報告中隨意記錄測量數(shù)據(jù)圖示之二

圖3 學生實驗報告中有效數(shù)字錯誤運算圖示

2018年《大學化學》期刊發(fā)表的“分析化學有效數(shù)字教學中常見問題及分析”一文中也指出[13]：據(jù)不完全統(tǒng)計，從2001年到2016年期間，在各類學術(shù)期刊上發(fā)表的關(guān)于有效數(shù)字教學論文達9篇之多。既往論文中有詳細介紹有效數(shù)字各種運算法則的，也有在實驗中強調(diào)應(yīng)重視有效數(shù)字運算操練的，都力圖幫助學生理解并掌握有效數(shù)字的概念與運算規(guī)則。

綜上所述，有效數(shù)字使用不規(guī)范問題在實踐中已經(jīng)十分突出，并已成為持續(xù)多年的“頑疾”，遷延不愈，嚴重制約著大學生整體科學素養(yǎng)的提升。有效數(shù)字問題是大一新生們整體缺乏科學素養(yǎng)、安全責任意識淡漠的一個縮影。但與其一味苛責學生，更切實可行的方法是教師從傳統(tǒng)的重知識傳遞轉(zhuǎn)向重視學生能力培養(yǎng)。本文以課程思政示范課堂建設(shè)為契機，補齊中學階段應(yīng)試教育下的德育短板[14]，著力培養(yǎng)學生的科學精神，提升學生科學素養(yǎng)，并使掌握及熟練運用有效數(shù)字成為大一新生的一項基本技能，徹底解決該頑疾。

2 有效數(shù)字多維教學思路設(shè)計

學生在有效數(shù)字方面呈現(xiàn)出的種種問題與教師在相關(guān)教學實踐中重視運算規(guī)則、忽略記錄的問題密切相關(guān)。其實有效數(shù)字記錄與運算問題的本質(zhì)皆為有效數(shù)字位數(shù)保留問題。因此解決的根本之道在于學生的態(tài)度與能力兩方面：首先通過課程思政教學模式讓學生了解有效數(shù)字的重要意義，改變其漫不經(jīng)心的態(tài)度；其次在講解時詳細例舉學生常見的使用問題，引發(fā)學生學習興趣，有效加深學生對知識點的掌握程度；最后反復(fù)實操練習，落實鞏固知識點。綜上所述，即為理論課堂、實驗課堂齊發(fā)力；線上線下相結(jié)合；多措并舉，構(gòu)建沉浸式教學模式，破解有效數(shù)字教學困境，詳見圖4所示。

圖4 有效數(shù)字教學多措并舉示意圖

3 教學實施過程

3.1 理論課堂教學重引導(dǎo)

3.1.1 課程導(dǎo)入

首先播放稀有氣體氬氣發(fā)現(xiàn)的小視頻：1785年英國科學家卡文迪許在實驗中發(fā)現(xiàn)：將不含有水蒸汽、二氧化碳的空氣再除去氧氣和氮氣后，仍有極少量的殘余氣體存在。但是卡文迪許并未對此現(xiàn)象加以重視，進行進一步的探索研究。直到1894年，英國物理學家瑞利測定氮氣的密度時，發(fā)現(xiàn)從空氣里分離出來的氮氣每升質(zhì)量是1.2572 g，而從含氮物質(zhì)制得的氮氣每升質(zhì)量是1.2505 g。經(jīng)多次測定，兩者質(zhì)量相差仍然是幾毫克。幸運的是瑞利沒有忽略這個實驗現(xiàn)象，查閱相關(guān)文獻資料之后，與拉姆塞合作進行一系列研究，最終發(fā)現(xiàn)了第一個稀有氣體氬氣，從此打開了通向稀有氣體家族的大門。1894年到1898年短短四年時間，科學家們一共發(fā)現(xiàn)了氦、氖、氬、氪、氙等五種稀有氣體[15-17]。

接著讓學生們討論：氬氣的發(fā)現(xiàn)被稱為“第三位小數(shù)的勝利”[18]。但是如果當時瑞利忽視實驗數(shù)據(jù)的細微差異，沒有“錙銖必較”，甚至對原始實驗數(shù)據(jù)隨意處理，將兩次實驗的原始數(shù)據(jù)記為一位有效數(shù)字或兩到三位有效數(shù)字，整個實驗的結(jié)論將會變成怎樣呢？引導(dǎo)學生們自己思考，意識到有效數(shù)字規(guī)范使用的重要性。理論課堂的引入部分與思政元素融合情況參見表1。

表1 課堂引入部分與思政元素融合表

3.1.2 有效數(shù)字的記錄與運算法則

通過播放教師自制的有效數(shù)字知識點微課小視頻，學生從中可以清晰地了解到：① 各類型稱量數(shù)據(jù)的“來龍去脈”；② 常數(shù)或是倍數(shù)關(guān)系的數(shù)據(jù)與實驗數(shù)據(jù)的顯著性差異；③ 各類型有效數(shù)字運算規(guī)則。接下來讓學生進行互問互答的討論式學習，深化對知識點的理解。

緊接著教師重點展示往屆學生在基礎(chǔ)化學實驗課程中呈現(xiàn)出的有關(guān)有效數(shù)字記錄方面的典型案例。通過理論聯(lián)系實際，具體問題具體分析，針對性地對學生進行強化訓練，打造情境式教學氛圍。同時精心設(shè)計導(dǎo)向性提問，層層深入，引導(dǎo)學生多方面、多角度思考，從而真正理解并掌握有效數(shù)字知識點，詳情見表2-表4。

表2 有效數(shù)字記錄典型案例與思政元素融合表之一

表3 有效數(shù)字記錄典型案例與思政元素融合表之二

表4 有效數(shù)字記錄典型案例與思政元素融合表之三

通過表2-表4的典型案例分析，幫助學生堵住實踐中可能出現(xiàn)的種種漏洞，切實掌握如何正確記錄有效數(shù)字的方法。學生真正理解并掌握該知識點之后，融會貫通，如文中圖1-圖3所展示的有效數(shù)字問題自然迎刃而解。

3.2 課后復(fù)習線上線下相結(jié)合

為幫助學生更有效地復(fù)習有效數(shù)字知識點，教師在課后持續(xù)進行引導(dǎo)：① 組織學生課后自行查閱有關(guān)有效數(shù)字方面的科學小故事，并在課程學習群里討論，充分調(diào)動其主觀能動性；② 在我校的教育在線平臺上觀看教師收集的有效數(shù)字相關(guān)小視頻，進一步鞏固理論知識點；③ 在線上平臺設(shè)立了往屆學生實驗中有效數(shù)字錯誤集錦，方便學生理論聯(lián)系實際，熟悉實驗室常見情況下有效數(shù)字的正確記錄方法；④ 設(shè)立線下作業(yè)，指導(dǎo)學生進行各類型多維度有效數(shù)字運算練習：I-常規(guī)練習，包括加減乘除法的混合運算，pH的轉(zhuǎn)換運算等；II-情境式練習，主要針對真實實驗數(shù)據(jù)的處理練習。例如要求學生找出圖3中有關(guān)有效數(shù)字運算方面的錯誤，分析原因并進行改正等。

3.3 實踐教學抓落實

相較于其他知識點而言，有效數(shù)字的學習與應(yīng)用兩方面長期處于“割裂”狀態(tài)。因此充分利用與理論課堂相輔相成、互為補充的實踐大課堂——基礎(chǔ)化學實驗(無機及分析化學部分)，切實強化理論知識點教學效果顯得尤為重要。通過實驗現(xiàn)場與實驗報告兩大模塊，強調(diào)原始實驗數(shù)據(jù)記錄與運算的真實性、準確性及規(guī)范性，在實踐中深化學生對有效數(shù)字的理解與運用，提升學生科學素養(yǎng)，端正學生實驗態(tài)度。

在實驗課堂方面：

① 首先告知學生，有效數(shù)字的規(guī)范記錄與正確運算將作為本學期實驗課程的核心考核對象，在評分上重點傾斜。

② 針對每一次實驗中出現(xiàn)的各類型稱量、測量工具，一一對應(yīng)，強化練習各自有效數(shù)字正確記錄方法。

③ 要求學生必須用簽字筆將所有原始數(shù)據(jù)記錄在實驗報告專用紙上，同時拍攝所有原始數(shù)據(jù)得出場景照片備查，實驗結(jié)束時必須由教師簽字認可。做到有的放矢，有針對性地指導(dǎo)學生踐行有效數(shù)字知識點。

在實驗報告方面：

① 首先在實驗預(yù)習報告中讓學生們找出該次實驗可能用到的測量工具，并且注明工具的測量精度。例如：電子分析天平(0.0000 g)；電子臺秤(0.00 g)；滴定管(0.00 mL)。

② 其次提升有效數(shù)字正確記錄與運算在實驗報告成績中的占比，在數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)需詳細寫出完整的運算過程，只顯示一個最終數(shù)值的實驗報告將評分很低，確保每一位學生掌握有效數(shù)字運算法則。例如：在工業(yè)五水硫酸銅的提純實驗中，數(shù)據(jù)處理時不能直接寫出回收率72.6%，需要如圖8所示詳細寫出運算過程。

圖8 工業(yè)硫酸銅提純實驗中回收率計算詳解圖示

③ 最后，要求學生將原始數(shù)據(jù)照片附在實驗報告中，方便學生備查糾錯，詳情參見圖9。

圖9 工業(yè)五水硫酸銅提純實驗稱量原始數(shù)據(jù)圖示

4 教學評價與反饋

4.1 理論課程

筆者教授了196位22級大一新生的“無機及分析化學”理論課程，期末考試卷面最高為95.5分，最低為31分，平均分為77分。在幾十個考核點中，唯有有效數(shù)字知識點的考核通過率達到100%。

4.2 實驗課程

多年來，“基礎(chǔ)化學實驗(無機及分析化學部分)”課程期末考試的考題均為：硼砂法標定鹽酸濃度實驗。該實驗需記錄的原始數(shù)據(jù)多達15個，需進行有效數(shù)字運算處理的有8處，歷年來的評分都集中在60分左右的區(qū)間段。經(jīng)過一學期有效數(shù)字知識點的精準操練，驚喜地發(fā)現(xiàn)學生的期考評分大幅提升到80分的區(qū)間段，甚至出現(xiàn)了不少滿分卷。課后不少學生總結(jié)留言：“上老師的化學實驗課很開心，雖然感覺嚴格，但我知道是為了鍛煉我們的嚴謹性”“很佩服在一遍遍的重復(fù)教學下老師的那份積極性，這也影響著我們”。

4.3 后續(xù)實驗課程

我校的基礎(chǔ)化學實驗課程開設(shè)一整學年，分別為上學期的無機及分析化學部分與下學期的綜合實驗部分。在下學期的實驗課程中，教改試點班與平行對照班學生之間的相關(guān)表現(xiàn)區(qū)別顯著。教改試點班學生已經(jīng)完全掌握有效數(shù)字知識點，具備一定的科學素養(yǎng)；平行班的學生依舊存在著較嚴重的有效數(shù)字記錄與運算問題，教師不得不對學生進行有效數(shù)字方面的二次培訓。由此可見，有效數(shù)字多措并舉改革模式卓有成效，已達預(yù)期效果。

5 結(jié)語

習近平總書記指出[19]，“沒有全民科學素質(zhì)普遍提高，就難以建立起宏大的高素質(zhì)創(chuàng)新大軍，難以實現(xiàn)科技成果快速轉(zhuǎn)化。”大學生科學素養(yǎng)的培養(yǎng)過程并非一蹴而就，需要多方協(xié)同，點滴積累。有效數(shù)字知識點為所有理科工科類課程涉及，其應(yīng)用范圍從大一的基礎(chǔ)實驗到大四的畢業(yè)論文全覆蓋，具有應(yīng)用范圍廣、時間跨度長的特點。以有效數(shù)字為切入點，構(gòu)建大一新生的科學素養(yǎng)，具有重要的奠基意義。

實踐證明通過有效數(shù)字“組合拳”式的思政教學模式，以培養(yǎng)學生能力塑造學生的科學素養(yǎng)為教學目標，在理論課堂喚起學生的責任心，在實踐中要求學生正確記錄及運算有效數(shù)字等一系列措施，扭轉(zhuǎn)了學生的散漫態(tài)度，塑造了嚴謹?shù)目茖W態(tài)度，為理科工科課程的進一步學習打下良好的基礎(chǔ)，取得可喜的教學效果。