基于STEM教育理念的分析化學(xué)實驗教學(xué)改革

谷慧　張培盛　周秀林　陳述　向皞月

［摘 要］文章對分析化學(xué)實驗傳統(tǒng)單一線下教學(xué)面臨的主要問題進(jìn)行了分析，并提出了將STEM教育理念融入分析化學(xué)實驗教學(xué)的改革措施。課題組精選和創(chuàng)作了豐富且較為全面的分析化學(xué)實驗線上可視化教學(xué)資料，開展了線上線下混合式教學(xué)改革，建立了較為全面的過程性考核體系。該教學(xué)模式的實施結(jié)果表明，其大大提高了教師教、學(xué)生學(xué)的效率，增強了教學(xué)效果，可為其他高校開展分析化學(xué)實驗教學(xué)改革及其他實驗課程的教學(xué)改革提供借鑒。

［關(guān)鍵詞］分析化學(xué)實驗；STEM教育理念；教學(xué)改革；線上線下

［中圖分類號］ G642 ［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］ A ［文章編號］ 2095-3437（2023）20-0036-05

1986年，美國國家科學(xué)委員會于《尼爾報告》中提出STEM教育理念，旨在融合科學(xué) （Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）和數(shù)學(xué)（Math） 4門學(xué)科的知識與方法，幫助學(xué)生將多學(xué)科知識融會貫通，增強學(xué)生解決問題的能力，使其成長為創(chuàng)新應(yīng)用型人才[1]。經(jīng)過30余年的發(fā)展，STEM教育理念已逐漸成為一種影響全球工程教育的理念[2]。2018年，《中國STEM教育2029創(chuàng)新行動計劃》明確提出將STEM教育理念納入國家戰(zhàn)略發(fā)展政策，并在1000所學(xué)校中開展STEM教育實踐探索，以期為國家培養(yǎng)一批面向未來的創(chuàng)新型人才。目前，我國的哈爾濱工業(yè)大學(xué)在這方面走在了前列，其與美國密歇根州立大學(xué)簽署了戰(zhàn)略框架協(xié)議并組建了STEM聯(lián)合研究中心，以引進(jìn)與整合國際優(yōu)質(zhì)教育資源，探索創(chuàng)新型人才培養(yǎng)模式。分析化學(xué)實驗是化學(xué)相關(guān)專業(yè)必修的基礎(chǔ)實踐課程，以精準(zhǔn)定量為核心要素，是幫助學(xué)生從定性思維過渡到定量思維的橋梁課程。因此，將STEM教育理念融入分析化學(xué)實驗教學(xué)從而探索新的教學(xué)模式，對于人才培養(yǎng)從理論型向綜合創(chuàng)新型轉(zhuǎn)化具有重要意義。

一、問題的提出

分析化學(xué)實驗的授課對象一般是大一大二學(xué)生，先修課程有無機化學(xué)實驗、分析化學(xué)理論，后續(xù)課程有物理化學(xué)實驗、有機化學(xué)實驗等其他實驗課程。先修課程的無機化學(xué)實驗以定性實操為主，強調(diào)現(xiàn)象實驗，因此部分學(xué)生對“量”的概念還停留在高中階段。然而，我們生活在一個講究“量”的物質(zhì)世界中，生活中我們離不開“定量”，精準(zhǔn)定量思維對于生產(chǎn)與研發(fā)來說至關(guān)重要。所以，讓學(xué)生從原本的定性思維（或者說粗糙定量思維）轉(zhuǎn)化為精準(zhǔn)定量思維是分析化學(xué)實驗教學(xué)的基本宗旨。

分析化學(xué)實驗追求精準(zhǔn)定量，對實驗的細(xì)節(jié)要求非?？量?。經(jīng)過多年的教學(xué)實踐，分析化學(xué)實驗教學(xué)團(tuán)隊（以下簡稱本團(tuán)隊）發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)實驗教學(xué)[3]主要存在以下幾方面問題：一是學(xué)生在不了解分析化學(xué)實驗的器材和標(biāo)準(zhǔn)操作的前提下，僅通過單一的文字?jǐn)⑹鍪綄嶒炛v義進(jìn)行實驗預(yù)習(xí)，無法抓住實驗的重難點，預(yù)習(xí)效果較差；二是傳統(tǒng)單一的線下教學(xué)模式受時間、空間的限制，教師在一對多的實驗教學(xué)場地中難以向每個學(xué)生精準(zhǔn)展示實驗的操作細(xì)節(jié)，學(xué)生也無法精準(zhǔn)吸收，常常導(dǎo)致定量不準(zhǔn)確的問題；三是學(xué)生在實驗課堂上只是機械式地完成實驗操作，缺乏與相關(guān)理論知識的聯(lián)系，這容易導(dǎo)致學(xué)生只能粗糙地掌握實驗技能，僅僅實現(xiàn)了最低層次教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成；四是分析化學(xué)實驗課程教學(xué)評價形式單一，教師僅憑學(xué)生課堂實驗操作情況及課后報告進(jìn)行評價，學(xué)生與教師的反饋單邊化。如何能夠在有限的學(xué)時內(nèi)最大限度地提高學(xué)生內(nèi)化實驗教學(xué)內(nèi)容的效率，并迅速發(fā)生知識遷移上升為實驗技能的發(fā)展，是目前分析化學(xué)實驗課程要解決的最重要問題。

STEM教育理念具有跨學(xué)科性的特點[4]，分析化學(xué)實驗教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生將分析化學(xué)實驗與其他相關(guān)學(xué)科知識相融合的能力，有助于學(xué)生建構(gòu)關(guān)于“量”的知識體系；將STEM教育理念中情境性、體驗性的教學(xué)設(shè)計[5]引入分析化學(xué)實驗有助于學(xué)生形成“量”的科學(xué)思維，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)和實事求是的科學(xué)態(tài)度；STEM教育理念提倡設(shè)計性教學(xué)[6]，在分析化學(xué)實驗中引入設(shè)計性趣味實驗，可以使學(xué)生掌握的基本實驗技能向提升歸納、獨立分析和解決問題的高階性技能轉(zhuǎn)化，大大增強學(xué)生的探索和開拓意識，促進(jìn)他們創(chuàng)新能力的發(fā)展[7]。

二、基于STEM理念的分析化學(xué)實驗教學(xué)改革措施

（一）精選和創(chuàng)作教學(xué)內(nèi)容

1.拍攝教學(xué)視頻，提供線上學(xué)習(xí)資源

分析化學(xué)實驗內(nèi)容一般以定量滴定為主，傳統(tǒng)的教學(xué)模式中，學(xué)生只是機械地操作完成每個滴定實驗，很難將不同課程中所學(xué)的知識與實驗技能進(jìn)行交叉融合、形成知識網(wǎng)絡(luò)，這導(dǎo)致課程教學(xué)目標(biāo)難以達(dá)成，且與人才培養(yǎng)需求嚴(yán)重脫節(jié)。以STEM教育理念的學(xué)科知識融合為導(dǎo)向，本團(tuán)隊拍攝了比較全面的分析化學(xué)實驗線上課程教學(xué)視頻并上傳到智慧樹平臺（見圖1），將教學(xué)內(nèi)容可視化，使實驗內(nèi)容更生動、直觀、形象。這些教學(xué)資源可供學(xué)生反復(fù)學(xué)習(xí)，使教學(xué)突破了時間和空間的限制，讓學(xué)生在實驗前吃透實驗內(nèi)容，大大提高了課堂教學(xué)效率。

本團(tuán)隊拍攝的實驗內(nèi)容共分為三個模塊（見表1）。模塊一主要包括分析化學(xué)實驗的基本理論與技能，是學(xué)習(xí)該課程的基礎(chǔ)；模塊二主要為專題實驗操作，每一個專題實驗操作又包括理論講解和實驗操作解析，幫助學(xué)生實現(xiàn)從“以理論為主”到“理論實踐一體化”的轉(zhuǎn)變，并在此過程中形成嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ髯黠L(fēng)和實事求是的科學(xué)研究態(tài)度；模塊三是模塊一和模塊二的升華，貼近生活與生產(chǎn)，貫穿課堂教學(xué)與課余自主探究兩條主線，重在培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)學(xué)習(xí)積極性及創(chuàng)新實踐技能。經(jīng)過三個模塊的學(xué)習(xí)，學(xué)生將理論與實操融會貫通，形成“量”的知識體系與科學(xué)思維，具備應(yīng)用性和實用性較強的實驗技能。

2.結(jié)合專業(yè)背景，調(diào)整實驗教學(xué)內(nèi)容

STEM教育理念對于教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計以跨學(xué)科性為導(dǎo)向，根據(jù)學(xué)生的專業(yè)背景，從專業(yè)需求出發(fā)，精選教學(xué)內(nèi)容，緊扣其他專業(yè)課程，從而滿足多元化專業(yè)人才培養(yǎng)的目標(biāo)。如湖南科技大學(xué)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)以電化學(xué)為專業(yè)特色，因此本課程增設(shè)了醋酸電位滴定及酸常數(shù)測定的儀器分析方法實驗，該實驗不僅能幫助學(xué)生鞏固酸離解平衡的理論知識，還讓學(xué)生了解到除了指示劑，還可以用電位來進(jìn)行滴定分析。在該實驗教學(xué)過程中，要將其與本專業(yè)電化學(xué)原理與電化學(xué)設(shè)備等核心課程相聯(lián)系，使學(xué)生在實驗的過程中形成電化學(xué)、分析化學(xué)的知識網(wǎng)絡(luò)。基于該實驗，后續(xù)又進(jìn)一步增設(shè)了用電位滴定法測定食醋中醋酸的含量的創(chuàng)新應(yīng)用實驗，緊扣電化學(xué)專業(yè)特色；針對制藥工程專業(yè)的學(xué)生，增設(shè)了鋇鹽中鋇含量的測定實驗，學(xué)生可將該實驗的基本原理和技能運用到藥物硫酸鋇（Ⅱ）型混懸劑中鋇含量的測定中。這些實驗的開設(shè)既激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)本專業(yè)知識的熱情，又提高了學(xué)生的探索與開拓能力。

（二）改革教學(xué)方法

1.開展線上線下混合式教學(xué)

實驗教學(xué)采用傳統(tǒng)的單一線下教學(xué)模式時，存在部分教師教不好、學(xué)生學(xué)不會的弊端?；赟TEM教育理念，本團(tuán)隊多年來在分析化學(xué)實驗教學(xué)中堅持開展線上線下混合式教學(xué)。我們將分析化學(xué)實驗教學(xué)過程分為三個環(huán)節(jié)：課前、課中和課后（見圖2）。課前，教師根據(jù)教學(xué)目標(biāo)，發(fā)布線上教學(xué)資源（包括實驗理論講解、操作視頻、注意事項、數(shù)據(jù)處理、課前小測驗及知識拓展資料等）。通過開展線上線下混合式教學(xué)，教師可以靈活組織教學(xué)內(nèi)容，突破傳統(tǒng)課堂以教材定內(nèi)容的弊端。同時，教師可以充分利用互聯(lián)網(wǎng)資源輔助教學(xué)，教學(xué)資源更豐富，有利于學(xué)生多方面地理解教學(xué)內(nèi)容，啟發(fā)學(xué)生利用教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行應(yīng)用創(chuàng)新型實驗設(shè)計。課中，教師根據(jù)每一個實驗的特點，設(shè)計情境和問題并引入教學(xué)中，帶動學(xué)生思考問題，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情，解析實驗中的重難點，使學(xué)生快速掌握實驗技能、完成實驗操作并驗證實驗結(jié)果。開展線上線下混合式教學(xué)后，學(xué)生完成課堂實驗的效率大大提高了。經(jīng)過充分的預(yù)習(xí)，學(xué)生在分析化學(xué)實驗課程中具有極大的自信心去與教師探討應(yīng)用創(chuàng)新型實驗的相關(guān)問題。課堂上，教師與學(xué)生確定應(yīng)用創(chuàng)新型實驗的實施方案，評估實驗中可能遇到的問題并分析其解決方法。課后，學(xué)生在教師的指導(dǎo)（線上遠(yuǎn)程指導(dǎo)或線下見面指導(dǎo)）下完成應(yīng)用創(chuàng)新型實驗，并形成完整的綜合性實驗報告，提交給指導(dǎo)教師進(jìn)行評價。

2.完善評價機制，建立過程性考核體系

實驗考核是保障實驗教學(xué)效果的重要環(huán)節(jié)，具有引導(dǎo)作用。以往分析化學(xué)實驗課程的考核主要由預(yù)習(xí)報告、課堂實驗操作和課后實驗報告三部分組成（見圖3a），課程評價模式較為單一。而開展線上線下混合式教學(xué)后，線上平臺能夠為教師提供有效、雙向、多循環(huán)的反饋平臺，使過程性評價真正落地實行。在線上，教師重在考查學(xué)生對實驗理論的掌握情況，其可循式印跡有利于教師及時掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)與進(jìn)度，增強師生雙邊交流反饋。在線下，教師不僅要考查學(xué)生對實驗技能的掌握情況，還要著眼于對學(xué)生獨立分析解決問題的能力和創(chuàng)新思維的培養(yǎng)。線上成績占比60%，由課前簽到（5%）、章節(jié)視頻+課堂互動（20%）、作業(yè)及章節(jié)測試（20%）、線上期末考試（15%）組成；線下成績占比40%，由課堂實驗操作（15%）、應(yīng)用創(chuàng)新型實驗（20%）及實驗報告（5%）組成（見圖3b）。該考核方式注重多方面地進(jìn)行過程性考核，考查學(xué)生對分析化學(xué)實驗理論知識的內(nèi)化、拓展、遷移及應(yīng)用能力，側(cè)重考核學(xué)生的高階思維能力和綜合素養(yǎng)。

三、基于STEM理念的分析化學(xué)實驗教學(xué)效果

（一）以學(xué)生為中心，實現(xiàn)了課堂教學(xué)效果的顯著增強

基于STEM教育理論，教師在教學(xué)活動中進(jìn)行了詳細(xì)的課堂教學(xué)設(shè)計，將情境和問題引入教學(xué)，在使學(xué)生保持適度學(xué)習(xí)緊張感的同時，鍛煉學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力與實驗技能。同時，制作線上可視化教學(xué)視頻，利用互聯(lián)網(wǎng)為學(xué)生提供多方面的教學(xué)資源，能使實驗教學(xué)不再受空間和時間等客觀因素的限制。該教學(xué)改革實施后，課堂教學(xué)效果有了明顯增強，2019—2022年不同學(xué)期，化學(xué)、制藥工程和應(yīng)用化學(xué)專業(yè)參與線上線下混合式教學(xué)的學(xué)生的綜合成績相比于同時期同專業(yè)僅參與單一線下教學(xué)的學(xué)生的成績整體得到了明顯提升，低分階段人數(shù)大幅度減少（見圖4）。另外，在國家級及湖南省級競賽中，學(xué)生所創(chuàng)作的與分析化學(xué)相關(guān)的科技作品水平明顯提升，獲獎次數(shù)顯著增加，證實了學(xué)生綜合能力大幅度提高這一成果。

（二）以評價促教學(xué)，教學(xué)效果得到了督導(dǎo)專家和學(xué)生的高度認(rèn)可

督導(dǎo)專家認(rèn)為分析化學(xué)實驗課程采用線上線下混合式教學(xué)是針對單一式線下教學(xué)問題的重大改革，能大大提高學(xué)生的主動性、探索性和創(chuàng)新性，學(xué)校督導(dǎo)專家對其評價結(jié)果為優(yōu)秀。同時，學(xué)生對課程教學(xué)改革給予了高度評價。通過回訪學(xué)生我們發(fā)現(xiàn)，有的學(xué)生認(rèn)為，以往開展實驗課時，由于自己在聆聽理論講解時注意力不夠集中，時有實驗操作失敗的情況發(fā)生；而采用啟發(fā)式教學(xué)后，教師督促學(xué)生緊跟課堂節(jié)奏、讓學(xué)生100%參與互動，學(xué)生知識內(nèi)化的能力和效率明顯提升。有的學(xué)生表示：“我在預(yù)習(xí)觀看實驗視頻的時候，會針對自己感興趣的知識查閱一些資料，把不懂的知識記下來，再在課堂上與老師一起討論，這種教學(xué)模式給了我明確的學(xué)習(xí)方向?！边@說明學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性大大提高了。

四、結(jié)語與展望

結(jié)合STEM教育理念跨學(xué)科性、情境性和體驗性較強的特點，本團(tuán)隊在分析化學(xué)實驗教學(xué)中一改以往重知識教育輕科學(xué)思維養(yǎng)成、重灌輸式教育輕自主學(xué)習(xí)創(chuàng)新、重理論教學(xué)輕實踐培養(yǎng)的教學(xué)方式，開展線上線下混合式教學(xué)，并完善評價機制，建立過程性考核體系。經(jīng)過三年的教學(xué)實踐，本團(tuán)隊仔細(xì)對比分析了同時期同專業(yè)參與單一線下教學(xué)和線上線下混合式教學(xué)的學(xué)生的成績及競賽表現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)以STEM教育理念為引領(lǐng)的分析化學(xué)實驗課程教學(xué)使學(xué)生不僅能掌握分析化學(xué)實驗技能，還能將技能轉(zhuǎn)化為應(yīng)用創(chuàng)新能力。相關(guān)經(jīng)驗可為其他高等院校開展分析化學(xué)實驗課程教學(xué)改革及其他實驗教學(xué)改革提供有益的參考。

隨著國家科研成果的日新月異，分析化學(xué)實驗課程的教學(xué)亦須與時俱進(jìn)，課程改革也將常態(tài)化。本團(tuán)隊認(rèn)為未來分析化學(xué)實驗教學(xué)改革可從以下四個方面推進(jìn)：一是結(jié)合國際學(xué)科研究前沿內(nèi)容對分析化學(xué)線上線下教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行及時更新，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維；二是結(jié)合往屆學(xué)生的學(xué)情與反饋，改進(jìn)教學(xué)模式與教學(xué)過程，不斷優(yōu)化分析化學(xué)實驗教學(xué)模式；三是將有益的經(jīng)驗推廣到其他實驗課程教學(xué)中，使學(xué)生深入掌握實驗內(nèi)容，升華形成緊實、密集的知識網(wǎng)絡(luò)；四是實現(xiàn)“校校聯(lián)合、校地聯(lián)合、師師聯(lián)合、師生聯(lián)合”的資源共享。

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［責(zé)任編輯：劉鳳華］