基于“立德樹人”的儀器分析化學實驗教學改革探索

耿 萍，徐志愛

（華東師范大學化學與分子工程學院，上海 200062）

0 引言

立德樹人是教育的根本任務。教育事業(yè)不僅要傳授知識培養(yǎng)能力，還需要引導學生形成正確的世界觀、人生觀和價值觀。儀器分析化學是分析科學領域必不可少的重要組成部分和發(fā)展方向，是以分析儀器為基礎，通過測定物質(zhì)化學組成、狀態(tài)、結構和含量，從而進行科學研究與質(zhì)量監(jiān)控的重要手段，已被廣泛應用于醫(yī)學檢驗、藥物分析、環(huán)境監(jiān)測、食品檢驗等諸多方面［1-3］。儀器分析實驗則是學生掌握各種儀器及其分析方法的重要環(huán)節(jié)。通過儀器分析實驗課程的學習，學生不僅可以加深對基本理論知識的理解，而且培養(yǎng)了運用理論知識解決實際問題的能力，為繼續(xù)深造學習和未來就業(yè)打下良好的基礎。

因此，以“立德樹人”為導向，通過不斷改進與完善實驗教學方法與教學模式，有助于學生更好地理解現(xiàn)代化大型精密儀器的基本理論和分析方法，激發(fā)學生自主學習的熱情和潛力，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神和科學思維［4-6］，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量。

1 儀器分析化學實驗教學現(xiàn)狀

儀器分析實驗教學中涉及的大型精密儀器較多且價格昂貴，不會像其他基礎實驗課一樣為每位學生提供1 臺儀器。盡管采用循環(huán)實驗的方式同時開動多種儀器的分析實驗課程，2 或3 人1 組做同一個實驗，但是每組學生每個實驗只有4 學時的時間，學生接觸儀器的時間有限。同時實驗教學具有空間壁壘，與理論課學習不同，實驗教學必須在實驗室中進行，除了課堂時間外，學生很難接觸到大型分析儀器，嚴重缺乏與實驗學習有關的材料和環(huán)境，也使課前預習和課后復習不免流于形式。

現(xiàn)代化大型儀器設備通常結構復雜，而儀器結構幾乎全是封閉式，學生無法觀測到儀器的內(nèi)部構造。同時，學生沒有接觸過這些大型分析儀器，難以在短時間內(nèi)快速有效地掌握分析儀器的操作要領和解決實驗過程中出現(xiàn)的問題。因此，這些分析儀器本身的特點迫切地需要儀器分析實驗教學有更直觀更有效的教學手段和方法。

課堂教學模式主要是采用教師先講解實驗內(nèi)容，演示具體操作步驟，然后由學生自己完成實驗，最后由教師進行評價。這種單純的授課方式存在很多弊端，例如：僅靠教師課堂講授實驗相關內(nèi)容，形式比較單一枯燥，而且有限的課堂時間使學生對理論知識的認識不夠深入；每個學生實際動手操作的實驗時間較短；學生在實驗過程中的個體差異較大，沒有足夠的時間解決這些個體差異問題；學生在實驗課堂上僅能按照實驗步驟操作儀器，得到儀器給出的實驗結果，實驗過程中缺乏思考的空間，不利于創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

在長期的儀器分析化學實驗教學過程中，通過總結和研究，根據(jù)當前拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)的理念，結合我校實際對儀器分析化學實驗教學進行了改革和探索，堅持立德樹人，以培養(yǎng)學生的全面發(fā)展為目標，改革實驗內(nèi)容和教學方式，完善考核機制，讓學生在實驗過程中切身感受理論與實踐的結合，擴大他們的眼界，激發(fā)他們獨立思考、自主學習的積極性及創(chuàng)新意識和科學思維。

2 儀器分析化學實驗教學改革探索

2.1 堅持立德樹人，將思想政治教育貫穿于實驗教學過程

為了完善和深化課程思政教學改革，構建思想政治教育與專業(yè)教育有機融合的課程體系，深入推動習近平新時代中國特色社會主義思想進教材、進課堂、進頭腦，堅持把“立德樹人”作為中心環(huán)節(jié)，將思想政治教育融入儀器分析實驗教學全過程中，凸顯對學生的人文關懷、科學思維、專業(yè)倫理、服務觀念和科學素養(yǎng)的培養(yǎng)。①人文關懷方面，強調(diào)規(guī)范操作與實驗安全，引發(fā)學生關注生命健康；重視廢液回收，減少環(huán)境污染，引發(fā)學生對環(huán)境保護的關注。②科學思維方面的啟發(fā)，貫穿于實驗原理中，如電導率是電阻率的倒數(shù)，由此延伸到時間，每天24 h 的時間總量是不變的，引導學生合理安排每天的學習與休閑時間，不要虛度光陰。滴定實驗中確定滴定終點的方法有多種，引導學生了解各種方法的特點，在應用時根據(jù)實際條件和要求，選擇適當?shù)慕鉀Q方法。③專業(yè)倫理方面從實驗數(shù)據(jù)的處理方面進行引導，比如做平行實驗，對實驗結果進行科學記錄與計算，教導學生嚴守道德誠信。④服務社會方面從儀器的發(fā)展歷程方面進行滲透，如滴定實驗由手動滴定到自動電位滴定儀的發(fā)展歷程，展示了人類創(chuàng)新思維與技術革新的能力，使滴定法成為一種精確、可靠、快速、簡便的分析技術，應用于實際生活中樣品的檢測。⑤科學素養(yǎng)方面強調(diào)追求真理和團隊精神等，要求學生知其然，更要知其所以然，這樣才能使實驗教學成為理論與實踐的結合體。任課教師也努力將課程思政內(nèi)化為自覺的教學行為，將思想政治教育融入化學實驗教學的全過程，以不言之教達到育人效果，促進學生的全面發(fā)展。

2.2 改革實驗內(nèi)容，激發(fā)學生的實驗熱情

“立德樹人”要求發(fā)揮課程育人的吸引力，就需要對實驗內(nèi)容進行挖掘。儀器分析實驗教學的目標是要求學生掌握儀器分析研究方法及儀器相關的實驗操作技能，從而達到提高學生的實驗動手能力、創(chuàng)新能力和分析解決問題能力的目的［7-9］。合適的實驗內(nèi)容對于儀器分析實驗教學有著重要的作用。實驗內(nèi)容如果設置不合理，驗證性實驗安排較多，學生按規(guī)定操作進行，無須更多思考，只是簡單驗證實驗結果，這樣做實驗興趣不強，積極性不高。因此，實驗內(nèi)容的設計和選取不僅要注重體現(xiàn)儀器的特點，更要注重學生的興趣和熱情，讓學生在實驗過程中充分展示其主動性和創(chuàng)造性。

在實驗研究對象選擇方面，充分考慮與實際生活的結合，以此激發(fā)學生自主學習的熱情和動力，有了內(nèi)在的驅動力，學習自然也就變?yōu)橹鲃拥男袨?，學生在完成實驗后就會有成就感，實驗興趣會更濃。比如開設的維生素B2含量測定、阿司匹林藥片的紅外譜圖測繪、礦泉水中鈣鎂離子測定、水樣中重金屬離子的電化學測定、自來水中氯離子含量測定、牙膏中氟離子含量研究等實驗，這類實驗內(nèi)容與實際生活密切相關，充分調(diào)動了學生實驗的積極性，激發(fā)了學生的實驗熱情，有效地培養(yǎng)學生的思維創(chuàng)新，以及靈活應用知識獨立分析解決問題的能力，有利于學生個性的發(fā)展，是提高學生綜合素質(zhì)的有效途徑。

2.3 實驗教學方式的改革

隨著教學理念的不斷創(chuàng)新和教育技術手段的不斷改革，傳統(tǒng)的一成不變的課堂教學遠遠不能滿足學生個性發(fā)展的需要。學生既要儲備深厚的知識，又要具備將知識轉化為實踐創(chuàng)新能力。教學模式不能再是單一的傳統(tǒng)講授，實驗教學方法必須要靈活變通，真正實現(xiàn)以“學生為中心”的人才培養(yǎng)目標［10］。因此，將微視頻教學和翻轉課堂教學模式應用于儀器分析實驗教學中，探索立德樹人的多種實現(xiàn)途徑，使實驗課程更具活力，從而提高育人水平。

微視頻教學是一種為學生提供分層次學習的視頻教學方式，是傳統(tǒng)課堂學習的一種重要補充形式，滿足各個學生的自主學習需求［11-13］。我校“大夏學堂”是學校構建的輔助課堂教學的在線課程教學平臺，教師將每個實驗的微視頻放在“大夏學堂”教學平臺上供學生預習使用，并設置了課前預習測試題，完成預習作業(yè)的同學才可以開展實驗。教師也可以跟蹤查看學生微視頻的學習次數(shù)、測試是否完成及得分情況，將這些具體的課前學習過程數(shù)據(jù)化，作為學生實驗課成績考評的一部分。

學生通過實驗講義和網(wǎng)絡平臺完成預習，制作實驗海報，課堂上輪流講解實驗原理、實驗內(nèi)容和實驗操作，并將預習時不清楚的問題向老師提問，最后教師進行講解、提問、點評和總結。學生的課堂表現(xiàn)是實驗成績考核內(nèi)容之一，這樣可以充分調(diào)動學生學習的主觀能動性。這種翻轉課堂模式是把知識傳授的過程放在課前，把知識內(nèi)化的過程放在了課上。學生在上課前就完成了對課程內(nèi)容的自學，課上教師只需對實驗相關內(nèi)容進行補充，有更充裕的時間來解釋實驗的疑點和難點。實驗結束后，學生依然可以利用手機電腦隨時觀看實驗視頻，從而對實驗內(nèi)容有更深刻的理解和認識。同時，在“大夏學堂”教學平臺上，還設立了討論交流區(qū)，同學們可以將實驗中遇到的疑難點和經(jīng)驗教訓等發(fā)布在交流區(qū)，便于其他同學學習和借鑒。相對于傳統(tǒng)的實驗教學，微視頻和翻轉課堂的實驗教學模式，充分調(diào)動了學生學習的能動性，激活了學生的思維，更提高了學習效率和深度，真正實現(xiàn)了以“學生為中心”的因材施教和自主學習，提升了對學生科學思維的訓練。

2.4 完善課程評價機制

實驗考核是規(guī)范實驗教學的重要組成部分，是反映學生實際掌握操作情況的最有效的手段，會直接影響學生學習的積極性，對學生的學習方法、學習態(tài)度也起到重要的導向作用［14-16］。傳統(tǒng)的實驗考核中實驗報告是實驗成績評定的重要依據(jù)，重點在實驗報告數(shù)據(jù)是否準確、格式是否正確、態(tài)度是否認真等，而對實驗過程的評定較少。有的學生對實驗原理一知半解，實驗過程中操作不認真，甚至違反一些基本的操作規(guī)范，而這些在實驗報告中都無法體現(xiàn)。實驗考核機制的不完善，使學生得不到客觀的成績，從而會挫傷學生做實驗的熱情，以及深入思考的積極性。因此建立客觀反映學生綜合實驗素質(zhì)的考核方法非常必要。根據(jù)儀器分析化學實驗的課程特點，調(diào)整了評分標準，更加強調(diào)過程性評價，突出對學生課堂討論參與程度的考核。單次實驗評分標準中包含了4 個部分：課前預習（20%，包含大夏學堂PPT 和操作視頻在線學習及在線測評），課堂學習（50%，教師考核學生課堂表現(xiàn)）；實驗報告（25%），在線參與度（5%，大夏學堂在線參與情況）。實驗過程中主要考查學生各種操作技能和遇到問題時解決問題的能力。實驗報告評閱中側重于學生對實驗結果的分析、對實驗過程的反思以及思考題的解答和歸納。實驗結束后，學生實驗期末總評成績是各實驗成績總和的平均值。增加實驗過程性評價比例的目的在于激勵學生積極參與討論，促進學生對實驗原理的理解和實驗過程的掌握，最終提高學生的實驗素養(yǎng)。幾年的實施表明，這一綜合評價標準得到了絕大部分學生的肯定，調(diào)動了學生的積極性，提高了學生的實驗興趣和實驗能力，同時也充分體現(xiàn)了“實事求是”的德育滲透。

3 教學實施過程實例分析

以“原子吸收光譜法測定水樣中的銅離子”實驗為例，探討基于“立德樹人”理念的儀器分析化學實驗教學改革路徑。

3.1 課前活動

（1）確定教學目標，設計實驗內(nèi)容，選擇學校內(nèi)櫻桃河水為檢測對象，提高學生的探索興趣和積極性。

（2）設計和制作帶有講解音頻的教學課件（包括實驗目的、原子吸收光譜法實驗原理、實驗步驟，原子吸收分光光度計儀器結構及操作），上傳至“大夏學堂”網(wǎng)站，供學生隨時隨地觀看學習。

（3）錄制微視頻，將儀器結構、儀器操作和實驗操作具體內(nèi)容及注意事項錄制成微視頻，上傳至“大夏學堂”網(wǎng)站上，供學生反復觀看學習。

（4）編制預習檢測題，根據(jù)本實驗課的教學目的編制了4 條預習測試題：①石墨爐原子吸收法和火焰法的優(yōu)缺點。②原子吸收光譜和原子發(fā)射光譜的對比。③原子吸收光譜法定量分析如何選擇使用工作曲線法或標準加入法。④闡述樣品的前處理方法及其優(yōu)缺點和適用范圍。

（5）提供學習資源，在“大夏學堂”平臺上提供一些學習資源供學生選讀，如有關原子吸收光譜儀的發(fā)展歷程，有關原子吸收光譜應用的中英文文獻等。學生可以根據(jù)自身學習的需求進行知識拓展。學生線上觀看教學課件和實驗微視頻，組內(nèi)討論，制作實驗海報，完成預習檢測，并將疑問反饋到“大夏學堂”交流區(qū)。根據(jù)教師提供的學習資源和參考文獻，學生自由學習，擴大知識面，為今后設計型實驗打下基礎。教師在“大夏學堂”平臺上對學生的預習情況進行查看，并對學生反饋的問題進行整理、匯總，有針對性地設計和調(diào)整后續(xù)課堂活動內(nèi)容。

3.2 課中活動

通過課件和微視頻的學習，學生在課堂上播放自己制作的實驗海報，并輪流講解實驗原理、實驗內(nèi)容和實驗操作，并將預習時碰到的疑難點進行交流討論。教師針對學生的疑惑進行講解，并設置提問環(huán)節(jié)，對以下問題進行討論：①在原子吸收分析中為什么要使用空心陰極燈作為光源？②灰化溫度和原子化溫度對吸光度值有怎樣的影響？如何選擇最優(yōu)實驗溫度？③原子吸收光譜法有哪些干擾，怎樣減少或消除這些干擾？④原子吸收光譜線為什么是有一定寬度的譜線而不是波長準確等于某一值的無限窄譜線？試分析譜線寬度變寬的原因。

討論結束后，教師進行點評和總結，學生開始合作完成實驗，教師跟蹤指導，及時指出實驗中的不規(guī)范操作。實驗操作結束后，教師檢查學生實驗數(shù)據(jù)記錄和實驗結果。整個實驗教學過程中教師將思想政治教育貫穿其中。實驗前，拓寬理論知識內(nèi)容的深度和廣度，重視安全教育和規(guī)范意識的培養(yǎng)，這也是對學生的人文關懷。實驗中，①要求學生端正學習態(tài)度，端正的學習態(tài)度比完美的實驗結果更重要；②強調(diào)團隊合作意識，本次實驗為2 或3 人合作的小組實驗，實驗的成功需要每個人的努力和配合；③為了確保實驗數(shù)據(jù)真實可靠，教師要求每個樣品都要做平行實驗，教導學生實驗結果來不得半點虛假，必須嚴守道德誠信，灌輸實事求是、科學嚴謹?shù)膶嶒瀾B(tài)度，這些都是今后個人發(fā)展和立足社會的基石。④在廢液處理方面，提醒學生重視廢液回收，減少、杜絕環(huán)境污染，引發(fā)學生對環(huán)境保護的關注。實驗后，提醒學生要重視每一次實驗課后的總結與反思，只有不斷思考和總結，才能逐步提高自己的能力。

3.3 課后活動

學生課后書寫實驗報告，并對實驗的得失成敗做總結和反思。教師根據(jù)評分標準，對實驗過程，如溶液的配制，移液器的使用和進樣操作的準確度等以及學生課堂討論參與程度進行評價。評閱實驗報告，并把實驗報告中存在的問題及時通過“大夏學堂”教學平臺反饋給學生，對共性問題進行歸納總結，形成新的教學資源，為今后該實驗教學活動的設計和調(diào)整提供素材。

4 結語

基于“立德樹人”教育理念對人才培養(yǎng)的要求，通過改革儀器分析化學實驗教學模式，在實驗教學中融入思想政治教育，以學生發(fā)展為中心，注重學生實踐能力的培養(yǎng)，取得了初步成效。學生的實驗積極性和學習主動性明顯增加。從與學生的交流和反饋來看，新的教學體系的建立對于提高學生的動手能力、創(chuàng)新能力、綜合設計能力以及團隊協(xié)作能力有著非常重要的現(xiàn)實意義。新的教學模式不僅強調(diào)學生技能的培養(yǎng)，對思維過程培養(yǎng)也起到了啟示作用，優(yōu)化了課堂教學效果，提高了儀器分析實驗的教學質(zhì)量，為創(chuàng)新性人才培養(yǎng)進行了有益的探索和實踐。