“對分課堂+設(shè)計性實驗”教學(xué)模式在無機化學(xué)實驗中的應(yīng)用研究

黃春蘭

（南寧學(xué)院機電與質(zhì)量技術(shù)工程學(xué)院 廣西南寧 530299）

無機化學(xué)實驗既是一門獨立開設(shè)的實驗課程，又與無機化學(xué)理論課程相輔相成。[1]它的知識點細(xì)碎且雜、教學(xué)方式對教師考驗較大且教學(xué)效果直接影響到學(xué)生對其他學(xué)科基礎(chǔ)課的學(xué)習(xí)。本次教學(xué)改革將“對分課堂”與“設(shè)計性實驗”相應(yīng)的融合到“無機化學(xué)實驗”課程教學(xué)中，形成一種新的教學(xué)模式“對分+設(shè)計性”。該教學(xué)模式，意在激發(fā)學(xué)生主動學(xué)習(xí)，更能有分析問題的思路和解決問題的辦法，在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和創(chuàng)新思維的同時提高其綜合素質(zhì)，并使學(xué)習(xí)效果顯著。

一、“對分+設(shè)計性”融合進(jìn)無機化學(xué)實驗教學(xué)

化學(xué)實驗課程考慮到時間安排、教師安排和實驗安全等，多以實驗教師準(zhǔn)備實驗，課中實驗過程步驟邊演示學(xué)生邊驗證為主。 高效的實驗課堂應(yīng)該讓學(xué)生真正參與到整個實驗教學(xué)中，學(xué)生積極主動探索實驗，認(rèn)真創(chuàng)新設(shè)計方案，踴躍交流分析實驗，學(xué)有方法學(xué)有所得。 在教師“教”與學(xué)生“學(xué)”之間產(chǎn)生共鳴，通過改變學(xué)習(xí)模式來提高課堂教學(xué)效果勢在必行。

（一）“對分課堂”在無機化學(xué)實驗課堂的必要性

“對分課堂”是一種學(xué)生和教師在教學(xué)上主動學(xué)習(xí)熱情很高的新教學(xué)模式，在教師講授和學(xué)生討論之間引入一個心理學(xué)的內(nèi)化環(huán)節(jié)，讓學(xué)生走進(jìn)教師安排的知識環(huán)節(jié)中。對分課堂區(qū)別于過去的提問和討論教學(xué)法，它的創(chuàng)新之處在從教到學(xué)、課堂任務(wù)、管理和效果評價，與過去的教學(xué)方法相比有根本性變革。[2]在化學(xué)實驗課堂中引入“對分”教學(xué)，是很好改變實驗課堂機械驗證和沉悶完成任務(wù)的有效途徑，實驗課堂的變革使得學(xué)生參與度高，討論熱烈，主動求知欲望強烈。

（二）“對分+設(shè)計性”融合激活實驗教學(xué)

無機化學(xué)實驗內(nèi)容多且雜，知識點間連續(xù)性不強，對于傳統(tǒng)實驗教學(xué)而言，設(shè)計性實驗對學(xué)生的綜合知識運用要求高，是一個全新的項目學(xué)習(xí)任務(wù)；而教師在其中的環(huán)節(jié)設(shè)計也面臨較大的挑戰(zhàn)。通過設(shè)計性和創(chuàng)新性的實驗改革研究實施，對整體實驗知識點進(jìn)行實驗內(nèi)容重構(gòu)，完成設(shè)計實驗項目，引導(dǎo)學(xué)生積極主動設(shè)計實驗方案，此過程對互動學(xué)習(xí)和個性培養(yǎng)的教學(xué)效果甚佳，形成一個融洽、歡快、創(chuàng)新的教育局面。

“對分課堂”與“設(shè)計性實驗”的結(jié)合，使“無機化學(xué)實驗”課程教學(xué)形成一種新的教學(xué)模式“對分+設(shè)計性”，實驗課程的改革在學(xué)生思維方式多樣化、對實驗操作創(chuàng)新和實驗設(shè)計方案探討以及協(xié)作解決問題等方面有顯著效果。

“對分+設(shè)計性”無機化學(xué)實驗課程思維導(dǎo)圖如圖1所示。

圖1 “對分+設(shè)計性”無機化學(xué)實驗課程思維導(dǎo)圖

二、“對分+設(shè)計性”課堂教學(xué)實施

“對分+設(shè)計性”教學(xué)模式包括課堂教師給定實驗課題，講解實驗課題背景和基本原理，學(xué)生課程對課題內(nèi)容涉及的知識背景查閱相關(guān)的資料，整個實驗涉及知識點整合設(shè)計實驗方案，由師生共同討論定案，經(jīng)過研討、答疑、修改、完善方案到最終實施實驗過程，得出并分析實驗結(jié)果后展示及討論。[3]

(一)教師在“設(shè)計”實驗環(huán)節(jié)中的關(guān)鍵做法

教師必須熟練掌握無機化學(xué)所涉及的所有理論和實驗方法，并要經(jīng)常大量閱讀相關(guān)資料，關(guān)注本領(lǐng)域新方法、新技術(shù)、新設(shè)備的發(fā)展，再者課堂教學(xué)的掌控能力也十分重要。 在組織“對分+設(shè)計性”教學(xué)模式中，有效地組織課堂和合理分配課堂時間以及營造良好的課堂氛圍并預(yù)測在實驗項目實施過程中可能遇到的問題，對教師的教學(xué)能力幫助很大?！皩Ψ?設(shè)計性”教學(xué)模式能促進(jìn)無機化學(xué)實驗教學(xué)相長，學(xué)生在實驗項目中獲得成就感，教師在實驗課堂中不斷反思改進(jìn)設(shè)計實驗項目，體現(xiàn)出教與學(xué)的雙贏。

教師在進(jìn)行實驗課程設(shè)計時，應(yīng)考慮到專業(yè)特點與實驗知識點相結(jié)合，激起學(xué)生探索的興趣。我?！盁o機化學(xué)”課程及其實驗面向食品質(zhì)量與安全專業(yè)，食品營養(yǎng)與檢測專業(yè)學(xué)生開設(shè)，以知識點“緩沖溶液”為例，該實驗設(shè)計時應(yīng)考慮到實驗過程會用到的知識點：緩沖溶液的配制及其性質(zhì)驗證。該實驗過程涉及“量”液體或者固體的方法（根據(jù)選擇的試劑而定）、溶液的配制方法（固體配液體、液體配液體）、酸堿度的測定方法（各類試紙、指示劑、酸度計）等，教師在“實驗設(shè)計”環(huán)節(jié)中的作用十分關(guān)鍵。

該實驗知識點的設(shè)計可引入與“食品”和“生活”相近得的話題：“人體血液的pH值在7.35～7.45，pH值小于7.35或大于7.45均可能危害生命個體安全。但在實際生活中，人食入1L蘋果醋或1L蘇打水并未造成中毒現(xiàn)象?！睂嶒炘掝}給出后，要求各實驗小組通過討論分析原因，將討論結(jié)果設(shè)計成實驗方案并提交給教師。

學(xué)生經(jīng)過查閱資料和討論得知人體血液是大型緩沖溶劑，而緩沖溶劑在緩沖容量范圍內(nèi)能抵抗少量外來酸和堿，使其pH值基本不變。

(二)學(xué)生實驗課前準(zhǔn)備

學(xué)生對貼近生活及專業(yè)特點的案例興趣高，在討論過程中設(shè)計實驗方案，在遇到實驗難題（如： 不能用人體血液進(jìn)行實驗）時積極查閱資料，學(xué)生走進(jìn)教師“設(shè)計”的整個實驗項目，多方尋求解決問題的方案。查閱結(jié)果得出人體血液中含有大量緩沖對，實驗小組在討論中學(xué)習(xí)緩沖溶液知識； 但也難以選擇哪種緩沖對來設(shè)計實驗方案，更不確定除血液中的緩沖對外，選擇其他的緩沖對是否影響實驗結(jié)果。討論是很好的解決問題的方法，也是發(fā)現(xiàn)問題的關(guān)鍵所在，且此過程能讓不同層次學(xué)生在其中取長補短、相互啟發(fā)，以達(dá)到相互幫助共同解決問題的目的，最終順利完成實驗方案設(shè)計。在實驗課前準(zhǔn)備階段學(xué)生要經(jīng)歷“查閱資料和討論—知識點學(xué)習(xí)—實驗方案設(shè)計—實驗過程難題解決方案—實驗試劑確定—實驗儀器設(shè)備和實驗裝置研究—實驗操作步驟設(shè)計—小組成員分工”等步驟，才可順利進(jìn)入實驗課前準(zhǔn)備環(huán)節(jié)。

以往的實驗課前準(zhǔn)備均由實驗課程教師和實驗員完成，學(xué)生進(jìn)入實驗室即可進(jìn)行實驗操作，對實驗的準(zhǔn)備環(huán)節(jié)參與太少。本次教學(xué)改革中包含要求學(xué)生根據(jù)自己的設(shè)計方案參與到實驗準(zhǔn)備中來，該過程可提高師生在“教”與“學(xué)”中的互動頻率，實驗的準(zhǔn)備過程師生能在交流和探討中共同確定實驗的新設(shè)計思路和改進(jìn)實驗操作的方法，學(xué)生主動參與實驗，實驗操作效果提高顯著。

(三)“對分+設(shè)計性”實驗課堂

實驗過程采用“對分課堂”進(jìn)行，先由教師重點提出實驗注意事項和實驗安全要求，對實驗步驟的關(guān)鍵控制點作分析；再由學(xué)生進(jìn)行小組自由討論和實驗操作、實驗過程要求認(rèn)真規(guī)范、觀察和記錄實驗現(xiàn)象細(xì)致嚴(yán)謹(jǐn)、分析實驗結(jié)果實事求是等環(huán)節(jié)。

值得提出的是，實驗的嚴(yán)謹(jǐn)性和科學(xué)性是任何實驗成功的前提，也是今后理工科學(xué)生必須時刻警惕的底線，故實驗過程中必須注意培養(yǎng)其嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶嶒炞黠L(fēng)。其中包括操作規(guī)范、正確使用儀器設(shè)備、細(xì)心觀察并記錄實驗、分析實驗現(xiàn)象、尊重實驗事實、 認(rèn)真求實地完成實驗報告、遵守各項實驗室規(guī)則、節(jié)約實驗試劑和注意安全、保持環(huán)境清潔等。嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶嶒炞黠L(fēng)有助于培養(yǎng)學(xué)生獨立完成實驗、科學(xué)分析問題和創(chuàng)新實驗的能力；實驗項目中的實驗操作的規(guī)范可確保實驗結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性。[4]

實驗過程不只是實驗的操作驗證，還是進(jìn)一步理解和分析實驗試劑間的相互作用和變化的原因，是扎實掌握無機化學(xué)知識的重要環(huán)節(jié)。在整個實驗項目過程中進(jìn)一步加深對理論知識的綜合理解，更能在實驗操作中驗證和分析理論的現(xiàn)實性，提高學(xué)生觀察現(xiàn)象和綜合運用化學(xué)知識分析問題和解決問題的能力。實驗過程中各實驗小組對實驗的理解和實驗現(xiàn)象的分析十分重要，不同學(xué)生對實驗的觀察和理解存在差異， 故而設(shè)計“實驗結(jié)果總結(jié)”的對分課堂環(huán)節(jié)。 在教師引導(dǎo)中，讓學(xué)生交流實驗中的理論知識和實驗現(xiàn)象是否一致，分析產(chǎn)生差異的原因；各小組在實驗交流環(huán)節(jié)中找出本次實驗項目的最佳方案，并對自己小組的實驗方案提出改進(jìn)和完善的方向； 在對比中互相交流、提高、創(chuàng)新，從而真正學(xué)之懂之能用之。

優(yōu)秀的無機化學(xué)實驗案例可對下一屆學(xué)生做設(shè)計性實驗項目時起到指導(dǎo)的作用，也可為同類基礎(chǔ)化學(xué)實驗的教學(xué)改革提供參考，還可以作為無機化學(xué)理論教學(xué)的知識點驗證。在本次課程改革中，對每個實驗項目下的優(yōu)秀實驗案例做分享，部分案例錄制成微課在相近專業(yè)間和同年級及上下年級中分享，達(dá)到資源有效利用，成果相互分享、共同提高的目的。

(四)優(yōu)化實驗考核方案，增強學(xué)生學(xué)習(xí)成就感

學(xué)生在教師給出議題后，全身心投入整個實驗中，從最初的“討論、查閱資料”到最后的“優(yōu)秀實驗案例分享”—完成實驗報告提交， 每個環(huán)節(jié)的參與度高，過程學(xué)習(xí)效果明顯，本次實驗教學(xué)改革提出采用過程性考核方式占比70%。過程性評價考核對學(xué)生整體參與實驗項目起到激勵作用，學(xué)生不盲目追求實驗結(jié)果，而是認(rèn)真對待每一個實驗環(huán)節(jié)，對學(xué)習(xí)無機化學(xué)實驗的學(xué)習(xí)效果具有更重要的意義， 本次改革對各個階段進(jìn)行相應(yīng)的評價和評分。

整個實驗項目期間教師進(jìn)行過程性考核主要涉及學(xué)生設(shè)計方案、實驗準(zhǔn)備程度、實驗操作正確、實驗結(jié)果分析、創(chuàng)新性實驗以及實驗報告進(jìn)行評價。課程考核方式及各項分值比例按表1進(jìn)行。

表1 無機化學(xué)實驗課程考核方式及分值比例

三、課程改革效果分析

經(jīng)調(diào)查，食品質(zhì)量與安全專業(yè)三個年級本科生共213人，其中文科生占13.41%；認(rèn)為化學(xué)非常難學(xué)的學(xué)生占18.29%；喜歡化學(xué)實驗的學(xué)生占100%。“無機化學(xué)”“無機化學(xué)實驗”是食品類專業(yè)學(xué)生最先接觸的學(xué)科基礎(chǔ)課程，學(xué)生在入學(xué)后對學(xué)科基礎(chǔ)知識的期待和對實驗的興趣濃厚，學(xué)習(xí)熱情高，但也因無先導(dǎo)課程可以掌握一些基本化學(xué)實驗操作技能，對無機化學(xué)實驗課程又愛又怕。故在設(shè)計實驗中必須有掌握一定簡單基礎(chǔ)實驗的環(huán)節(jié)，對學(xué)生要求必需的基本操作技能熟練和設(shè)計知識點實驗正確，實驗關(guān)鍵控制點出色?！皩Ψ?設(shè)計性”實驗在有限的課堂上，對教師和學(xué)生要求都比較高，需要用力用情相互配合完成，在本次教學(xué)改革中2017級、2018級、2019級三個年級的改革效果對比明顯。

(一)課堂效率效果明顯

學(xué)生在“對分+設(shè)計性”化學(xué)實驗教學(xué)模式過程中，更會利用自己的時間進(jìn)行學(xué)習(xí)，對實驗項目任務(wù)進(jìn)行熟悉，在討論中綜合小組想法融入實驗方案中，在實驗設(shè)計和實驗操作中能論證實驗方案的可行性和科學(xué)性以及可創(chuàng)新之處，對實驗結(jié)果的分析和總結(jié)滿意，達(dá)到了真正掌握和運用知識的目的。[5]另外實驗的過程因工作量較大，學(xué)生單靠個人很難完成整個實驗，小組成員之間團結(jié)協(xié)作至關(guān)重要，實驗的過程也有可能因為小組中某一成員環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題延緩整個小組的實驗進(jìn)程，故各小組成員應(yīng)重視責(zé)任意識和協(xié)作創(chuàng)新精神。整個過程的實施體現(xiàn)出“學(xué)”的多樣化，學(xué)生受益良多。

(二)課程成績提高明顯

經(jīng)對我校食品類專業(yè)學(xué)生問卷摸底其對無機化學(xué)知識的掌握情況，在無機化學(xué)實驗課中逐步引入“對分+設(shè)計性”課堂教學(xué)改革。筆者于2017年5月著手準(zhǔn)備“對分+設(shè)計性”實驗教學(xué)方案，并對無機化學(xué)細(xì)碎多雜的實驗教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行重構(gòu)，以“知識點模塊化”方式設(shè)計教學(xué)案例，并于2018年5月對食品質(zhì)量與安全專業(yè)無機化學(xué)實驗課程嘗試部分項目使用“對分+設(shè)計性”教學(xué)模式，2019年5月對該專業(yè)的無機化學(xué)實驗課全部實施“對分+設(shè)計性”教學(xué)模式。 2018級、2019級食品質(zhì)量與安全專業(yè)學(xué)生使用“對分+設(shè)計”實驗課堂模式，較未使用該教學(xué)模式的2017級， 前兩者對實驗知識點的掌握和實驗任務(wù)的完成較出色，且實驗課堂活躍度明顯提高。在無機化學(xué)期末考試中，三個年級閉卷筆試成績也隨著教學(xué)改革的深入呈現(xiàn)遞增趨勢，三個年級部分班級期末閉卷成績?nèi)鐖D2、圖3、圖4所示。

圖2 2017級期末閉卷筆試成績

圖3 2018級期末閉筆試成績

圖4 2019級期末閉卷筆試成績

四、課程改革的困難和改進(jìn)的方向

我校食品質(zhì)量與安全專業(yè)、食品營養(yǎng)與檢測專業(yè)學(xué)生均文理兼招，而無機化學(xué)相關(guān)知識對理科基礎(chǔ)的要求高，在“對分+設(shè)計性”無機化學(xué)實驗中，設(shè)計實驗環(huán)節(jié)必須考慮到不同層次的學(xué)生對實驗理解和進(jìn)行實驗的順利程度，教師的設(shè)計環(huán)節(jié)需要不斷總結(jié)經(jīng)驗和學(xué)習(xí)新方法；由于課時有限，知識點多又雜，在課堂有限時間內(nèi)展示完眾多知識點，部分實驗內(nèi)容可考慮用微課代替；再者，化學(xué)實驗過程會遇到農(nóng)酸、弄堿、刺激性易揮發(fā)試劑等危化類藥品，對部分重復(fù)操作性高且涉及危化類藥品實驗，考慮到安全隱患問題，該部分步驟可用虛擬仿真教學(xué)方法供學(xué)生課前預(yù)習(xí)或課后復(fù)習(xí)以達(dá)到減少接觸?；幤反螖?shù)的目的。

我校著力培養(yǎng)應(yīng)用型人才，對于理工科專業(yè)來說，除了掌握專業(yè)技術(shù)要求的基本技能之外，良好的實驗素養(yǎng)應(yīng)包含對實驗知識面的廣泛了解、實驗方案的創(chuàng)新設(shè)計、實驗新的研究發(fā)現(xiàn)和個性化的設(shè)計流程，故筆者認(rèn)為食品類專業(yè)化學(xué)實驗課程教學(xué)引入“對分+設(shè)計性”十分必要，這有利于學(xué)生在本科階段學(xué)得科學(xué)研究和與發(fā)明創(chuàng)造思維。