物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的留白策略

孫雪萍， 王 芳， 尹國(guó)杰， 趙麗虹， 程紹娟， 馬 逍

(洛陽(yáng)理工學(xué)院 環(huán)境工程與化學(xué)學(xué)院， 河南 洛陽(yáng) 471023)

化學(xué)是一門實(shí)驗(yàn)性學(xué)科,實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力、科學(xué)素養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)[1]。物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)除了鞏固理論知識(shí)外，著重培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維、數(shù)據(jù)處理、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力[2,3]。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中采用留白教學(xué)法，可以促使學(xué)生以探索的心對(duì)待實(shí)驗(yàn)，從實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)、分析、歸納和總結(jié)，實(shí)現(xiàn)在“做中學(xué)”。

1 物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)當(dāng)前遇到的問(wèn)題

1.1 照方抓藥

物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，常常存在理論和實(shí)驗(yàn)脫節(jié)的現(xiàn)象。或者是由于物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置臺(tái)套購(gòu)置原因，采用學(xué)生分組循環(huán)實(shí)驗(yàn)；或者是由于實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目在課程中分布不均衡，造成與理論教學(xué)不同步。學(xué)生對(duì)原理不了解，實(shí)驗(yàn)中就會(huì)按照講義照方抓藥，潦草完成。

1.2 猜測(cè)結(jié)果

當(dāng)前物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容多為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)有確定的結(jié)果。教學(xué)中學(xué)生按照操作流程完成，并采用各種方法猜測(cè)“正確”答案，使自己的測(cè)定數(shù)據(jù)“看起來(lái)正確”。這樣的實(shí)驗(yàn)教學(xué)僅僅訓(xùn)練了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作技能，背離了實(shí)驗(yàn)的初衷，學(xué)生的觀察能力和發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的能力都得不到訓(xùn)練。

1.3 工具落后

物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)中涉及數(shù)據(jù)的處理和數(shù)學(xué)模型的建立，傳統(tǒng)的計(jì)算器不能滿足現(xiàn)代數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和處理的需要，現(xiàn)代的計(jì)算機(jī)軟件豐富多樣，這些軟件在數(shù)據(jù)處理方面各有利弊。新編實(shí)驗(yàn)教材建議使用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，由于教材的更新速度落后于軟件的更新速度，計(jì)算工具落后的情況會(huì)持續(xù)存在。

2 物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的留白策略

2.1 實(shí)驗(yàn)原理留白

實(shí)驗(yàn)原理是實(shí)驗(yàn)要驗(yàn)證的基本規(guī)律，只有自己發(fā)現(xiàn)的，才會(huì)印象更深刻。在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)，結(jié)合學(xué)生特點(diǎn)，把學(xué)生能力所及的規(guī)律，借由實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)，讓學(xué)生自己去發(fā)現(xiàn)。

以雙液系氣液平衡相圖繪制的實(shí)驗(yàn)為例，其中用到沸點(diǎn)儀(如圖1所示)，實(shí)驗(yàn)中液相受熱蒸發(fā)，冷凝后匯聚在冷凝管下端，其組分為氣相組成。但實(shí)驗(yàn)中收集的氣相組分是開(kāi)始加熱到沸騰過(guò)程的氣相組分，不是沸點(diǎn)時(shí)的氣相組分，這樣就影響了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。為此，教師們采用各種方法來(lái)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，或者改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置，或者修改實(shí)驗(yàn)操作。本著讓學(xué)生自己發(fā)現(xiàn)的目的，微調(diào)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，讓學(xué)生收集兩次氣相和液相組成。學(xué)生發(fā)現(xiàn)兩次收集的氣相和液相組成不相同，進(jìn)而開(kāi)始思考為什么不相同？哪一次的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更貼近實(shí)際情況？如何改實(shí)驗(yàn)裝置可以使實(shí)驗(yàn)更便捷？雙液系沸騰過(guò)程特點(diǎn)就可以經(jīng)由學(xué)生實(shí)驗(yàn)自己發(fā)現(xiàn)。

2.2 實(shí)驗(yàn)操作留白

實(shí)驗(yàn)操作是實(shí)驗(yàn)成功的保證，選擇的試劑和取用的量都經(jīng)過(guò)反復(fù)優(yōu)化，這反而剝奪了學(xué)生思考的過(guò)程。因此，我們?cè)谝欢ǚ秶鷥?nèi)，鼓勵(lì)學(xué)生嘗試，允許學(xué)生試錯(cuò)。

以萘的環(huán)己烷溶液凝固點(diǎn)降低實(shí)驗(yàn)為例，萘的加入量有一個(gè)建議范圍，當(dāng)學(xué)生對(duì)超出加入量范圍感興趣時(shí)，鼓勵(lì)其嘗試，提醒注意觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，比對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。同一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，不同學(xué)生關(guān)注的焦點(diǎn)不同，試錯(cuò)的方法也不同，在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)討論課，每組將分享自己進(jìn)行的嘗試和發(fā)現(xiàn)的規(guī)律，全班在此基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)和總結(jié)。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果留白

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)多為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，通常在實(shí)驗(yàn)原理講解的過(guò)程中，學(xué)生就能猜到實(shí)驗(yàn)結(jié)果，學(xué)生會(huì)養(yǎng)成一種去印證而不是去發(fā)現(xiàn)的習(xí)慣。唯有不設(shè)答案才會(huì)有多種答案，不論教師知道實(shí)驗(yàn)的結(jié)果是什么，一定要把發(fā)現(xiàn)的權(quán)力留給學(xué)生。

以恒溫槽的使用實(shí)驗(yàn)為例，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖橇私夂銣夭酆拓惪寺鼫囟扔?jì)的使用方法，測(cè)定恒溫槽的靈敏度曲線。物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)有培養(yǎng)學(xué)生數(shù)據(jù)處理能力的任務(wù)，恒溫槽實(shí)驗(yàn)考驗(yàn)了學(xué)生對(duì)數(shù)據(jù)的敏感程度和忠實(shí)于原數(shù)據(jù)的科學(xué)精神。對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行如下處理：測(cè)定兩個(gè)溫度下恒溫槽的靈敏度，其中一個(gè)溫度略高于室溫，另一個(gè)在此基礎(chǔ)上高20 °C。學(xué)生需要對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)周期性，最大最小值進(jìn)行判斷，并對(duì)兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。低溫組的數(shù)據(jù)由于溫度變化較小，規(guī)律性的判斷會(huì)帶來(lái)很大干擾，這樣的情況在科學(xué)實(shí)驗(yàn)中經(jīng)常會(huì)遇到，如何面對(duì)困難并在困難中尋找方法，是對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)心理素養(yǎng)的培養(yǎng)，也是對(duì)學(xué)生忠實(shí)于原數(shù)據(jù)的科學(xué)精神訓(xùn)練。

2.4 實(shí)驗(yàn)課后討論留白

實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)達(dá)成，僅僅通過(guò)實(shí)驗(yàn)過(guò)程是不夠的，實(shí)驗(yàn)課后的討論可以把學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的理解深化，然后抽象為可供借鑒的方法。恒溫槽實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生體會(huì)數(shù)據(jù)收集、整理、分析、對(duì)比的方法，以及如何進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)的結(jié)合觀察；雙液系相圖實(shí)驗(yàn)，可以引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注實(shí)驗(yàn)中的現(xiàn)象觀察、正誤判斷、儀器改進(jìn)、方法修正；旋光法測(cè)定蔗糖轉(zhuǎn)化反應(yīng)速率常數(shù)實(shí)驗(yàn)，可以引導(dǎo)學(xué)生解構(gòu)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)方法和后續(xù)的數(shù)學(xué)處理方法。

討論課的順利開(kāi)展，離不開(kāi)上述過(guò)程留白策略產(chǎn)生的疑問(wèn)、思考、再實(shí)驗(yàn)和總結(jié)，由實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的疑問(wèn)開(kāi)始，進(jìn)行針對(duì)性的補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，最后總結(jié)討論。討論課的開(kāi)展也要留白，針對(duì)大家討論的方法，指出這只是解決這類問(wèn)題的其中一個(gè)方法，可以給學(xué)生課后思考留下空間，勾起學(xué)生課下拓展學(xué)習(xí)的興趣。

2.5 數(shù)據(jù)處理工具留白

物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)要培養(yǎng)學(xué)生數(shù)據(jù)處理的能力?，F(xiàn)在計(jì)算機(jī)普及，軟件豐富適用，軟件的更新速度之快，讓人應(yīng)接不暇。原則是傳授數(shù)據(jù)處理的方法，不統(tǒng)一數(shù)據(jù)處理的工具。

在教學(xué)要求上，明確可接受的作圖方法有：坐標(biāo)紙作圖、excel作圖、origin作圖；在教學(xué)方法上，以引導(dǎo)為主，在實(shí)驗(yàn)報(bào)告提交后，對(duì)每一種數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)行點(diǎn)評(píng)，使學(xué)生認(rèn)識(shí)到origin軟件的優(yōu)勢(shì)；在教學(xué)安排上，數(shù)據(jù)處理的難度先易后難，當(dāng)學(xué)生用傳統(tǒng)方法處理數(shù)據(jù)感到繁瑣時(shí)，就開(kāi)始根據(jù)網(wǎng)絡(luò)教程自主學(xué)習(xí)origin作圖方法。雖然每一個(gè)同學(xué)開(kāi)始使用origin軟件的時(shí)間點(diǎn)不同，期末大部分同學(xué)都能掌握origin作圖方法。這樣的留白設(shè)計(jì)，一方面尊重學(xué)生差異，遵循學(xué)生自身發(fā)展規(guī)律，符合啟發(fā)式教學(xué)的原則；另一方面培養(yǎng)了學(xué)生的自學(xué)能力和自學(xué)信心，實(shí)現(xiàn)“為不教而教”[4]的教學(xué)目的。

2.6 教師評(píng)價(jià)留白

教師評(píng)價(jià)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中有導(dǎo)向作用，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的評(píng)價(jià)多以實(shí)驗(yàn)認(rèn)真程度和實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論結(jié)果的吻合程度作為標(biāo)準(zhǔn)。我們則鼓勵(lì)學(xué)生自主的思考和創(chuàng)新的想法，在教學(xué)中對(duì)學(xué)生的活躍的思維進(jìn)行呼應(yīng)，共同分析討論其想法的可行性。在物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)調(diào)查問(wèn)卷中，多位學(xué)生表示，對(duì)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)的興趣始于教師對(duì)其突發(fā)想法的肯定和鼓勵(lì)。不以統(tǒng)一結(jié)果評(píng)價(jià)學(xué)生，因材施教是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的方向。

3 結(jié) 語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)中運(yùn)用留白策略，在教學(xué)目的實(shí)現(xiàn)上，更有利于學(xué)生發(fā)現(xiàn)規(guī)律而不是驗(yàn)證規(guī)律；在教學(xué)設(shè)計(jì)方面，更有利于呈現(xiàn)問(wèn)題而不是消弭問(wèn)題；在實(shí)驗(yàn)操作上，允許學(xué)生合理試錯(cuò)并從錯(cuò)誤中發(fā)現(xiàn)規(guī)律；在實(shí)驗(yàn)討論上，提倡分享發(fā)現(xiàn)而不是統(tǒng)一答案；在實(shí)驗(yàn)期望上，以解決問(wèn)題替代呈現(xiàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)的留白策略回歸實(shí)驗(yàn)的初衷，讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中體驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的樂(lè)趣和探索的喜悅，同時(shí)提高解決問(wèn)題的能力，形成嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)精神。

不是所有項(xiàng)目都留白，把任務(wù)交給學(xué)生自己完成，而是根據(jù)具體實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)，有選擇地，通過(guò)更高階的設(shè)計(jì)，把要傳遞的信息通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果呈現(xiàn)出來(lái)。通過(guò)留白促進(jìn)學(xué)生思考，再輔以教師有技巧的引導(dǎo)，讓學(xué)生對(duì)模糊的認(rèn)識(shí)明晰化。因此，實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)很關(guān)鍵，需要教師謹(jǐn)慎把握，教師需要了解各種情況的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，熟悉可以與實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)的理論信息點(diǎn)，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中才能心中有數(shù)，引導(dǎo)學(xué)生指向目標(biāo)而又不談結(jié)論。