物理化學(xué)融合實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與教學(xué)
——以電動(dòng)勢(shì)測(cè)定實(shí)驗(yàn)為例

宋潔，周守勇，徐繼明，趙樸素，皮武

淮陰師范學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，江蘇 淮安 223300

世界范圍內(nèi)的國(guó)力競(jìng)爭(zhēng)說(shuō)到底是人才的競(jìng)爭(zhēng)，當(dāng)前，實(shí)現(xiàn)中華民族的永續(xù)發(fā)展尤其需要“提高高等教育質(zhì)量，要加強(qiáng)創(chuàng)新型、應(yīng)用型、技能型人才的培養(yǎng)”[1]。“創(chuàng)新”是重要的科學(xué)精神之一，對(duì)于化學(xué)學(xué)科而言，實(shí)驗(yàn)課又是實(shí)施全面化學(xué)教育的一種最有效的教學(xué)形式[2]，科學(xué)的精神、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的應(yīng)用能力需要通過(guò)高效的實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練才能達(dá)成。既要傳授化學(xué)知識(shí)和技術(shù)，更要訓(xùn)練科學(xué)方法和思維，還要培養(yǎng)科學(xué)精神和品德，是“全面的化學(xué)教育”觀對(duì)化學(xué)教學(xué)的要求[3]，同樣是創(chuàng)新型、應(yīng)用型、技能型人才培養(yǎng)的指導(dǎo)思想。

物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)屬于基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，主要是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)[4]，一般流程為：學(xué)生課前完成預(yù)習(xí)，教師課上講解并指導(dǎo)學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)，學(xué)生課后處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告，最后教師批改實(shí)驗(yàn)報(bào)告評(píng)定成績(jī)。這種“照方抓藥”的傳統(tǒng)教學(xué)模式很難滿足高質(zhì)量人才培養(yǎng)的需求[5]。其弊端主要有：1)課程結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，與能力訓(xùn)練要求不匹配；2)教學(xué)內(nèi)容滯后，與科技發(fā)展脫節(jié)；3)教學(xué)方法陳舊，訓(xùn)練成效難以提高；4)評(píng)價(jià)方法單一，難以量化和反饋等。因此，有必要重構(gòu)傳統(tǒng)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)模式。通過(guò)調(diào)整課程結(jié)構(gòu)[6,7]、整合優(yōu)質(zhì)資源[8,9]、優(yōu)化教學(xué)方法[10,11]等途徑，在有限的課時(shí)內(nèi)提升實(shí)驗(yàn)課堂訓(xùn)練的成效，促進(jìn)“知識(shí)容器型人才”向“創(chuàng)新應(yīng)用型人才”的轉(zhuǎn)變，是化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革研究的方向。

1 融合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案構(gòu)建

從認(rèn)知心理學(xué)角度分析，物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)知識(shí)包含陳述性知識(shí)、程序性知識(shí)和策略性知識(shí)三大類[12]，前兩者分別指實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)技能，策略性知識(shí)是將感性認(rèn)識(shí)上升為抽象知識(shí)的“思維訣竅”[13]，即“學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)”的本領(lǐng)，它是創(chuàng)新應(yīng)用能力的核心，需要在嘗試、應(yīng)用、鞏固等場(chǎng)景中反復(fù)訓(xùn)練而習(xí)得，單一的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)難以達(dá)成，這也是造成傳統(tǒng)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練不深入、效果不理想的關(guān)鍵因素之一。

如圖1所示，以電動(dòng)勢(shì)測(cè)定實(shí)驗(yàn)為例，通過(guò)資源整合和內(nèi)容調(diào)整后，將傳統(tǒng)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)分解并拓展為仿真實(shí)驗(yàn)、基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、探究實(shí)驗(yàn)、綜合實(shí)驗(yàn)一體化的融合實(shí)驗(yàn)，再根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的特點(diǎn)，對(duì)應(yīng)地將策略性知識(shí)分解為感悟嘗試策略、反思應(yīng)用策略、遷移鞏固策略、課后拓展策略。在實(shí)驗(yàn)各環(huán)節(jié)，顯化的策略性知識(shí)更容易被評(píng)價(jià)和反饋，從而有效落實(shí)創(chuàng)新能力的訓(xùn)練。

圖1 仿真嵌入式物理化學(xué)融合實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ绞疽鈭D

與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相比，融合實(shí)驗(yàn)采用結(jié)構(gòu)化的模塊，提高了訓(xùn)練的總體要求；前端嵌入仿真實(shí)驗(yàn)，對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行補(bǔ)充和更新；在實(shí)際教學(xué)中，教師退位讓權(quán)，保持啟發(fā)式教學(xué)法的覺(jué)察；通過(guò)評(píng)價(jià)指標(biāo)的建立，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)出評(píng)價(jià)的當(dāng)堂反饋；此外，將自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的自制儀器及科研成果應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)中，融思政教育于實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，按照全面的化學(xué)教育觀的要求實(shí)施改革并實(shí)踐。

1.1 仿真實(shí)驗(yàn)——感悟、嘗試策略

通常講解實(shí)驗(yàn)原理時(shí)，一般采用電路圖加文字表述的方法。學(xué)生比較難理解對(duì)消法測(cè)定可逆電池電動(dòng)勢(shì)時(shí)“既要保持電路暢通，又要保持電流為零”。為此，利用NOBOOK虛擬仿真平臺(tái)搭建了對(duì)消法測(cè)量可逆電池電動(dòng)勢(shì)原理的虛擬實(shí)驗(yàn)。除了教師課堂演示外，學(xué)生也可以從選元件、連接電路到測(cè)定過(guò)程全程模擬實(shí)操，直觀感受測(cè)定過(guò)程中如何通過(guò)滑線變阻器的調(diào)控電流為零，直至徹底弄通電動(dòng)勢(shì)測(cè)定的原理，感悟嘗試電動(dòng)勢(shì)測(cè)定認(rèn)知策略，為后續(xù)實(shí)驗(yàn)奠定基礎(chǔ)。游戲化的仿真操作體驗(yàn)有助于降低認(rèn)知難度，從而有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

1.2 基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)——反思、應(yīng)用策略

融合實(shí)驗(yàn)中的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)仍然是“電動(dòng)勢(shì)測(cè)定”教學(xué)的核心內(nèi)容，需要依次完成以下任務(wù)：理解實(shí)驗(yàn)原理、制備電極、組裝電池并學(xué)會(huì)測(cè)定可逆電池的電動(dòng)勢(shì)。采用教師自制測(cè)定裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)(ZL201510030349.4；ZL201010149763.4)，學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的反思和總結(jié)認(rèn)為：前面仿真實(shí)操的加入，對(duì)原理的理解更加深入，應(yīng)用操作的策略更加得心應(yīng)手；自制儀器的組裝更便捷，使得測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確，同時(shí)節(jié)約了不少時(shí)間。

1.3 探究實(shí)驗(yàn)——遷移、鞏固策略

探究實(shí)驗(yàn)有2個(gè)，分別是：1)比較兩套自制儀器組裝電池的電動(dòng)勢(shì)并討論；2)比較兩組電池作電源的工作情況并討論。如表1所示，探究實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)不僅能夠考查前面實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的產(chǎn)出目標(biāo)(1-5項(xiàng))(表1)，同時(shí)還涉及科學(xué)研究態(tài)度、辯證思維、團(tuán)隊(duì)協(xié)作等重要的科學(xué)思維和品德(6-8項(xiàng)) (表1)。后續(xù)綜合實(shí)驗(yàn)拓展中還包含可持續(xù)發(fā)展理念，材料應(yīng)用簡(jiǎn)介。鼓勵(lì)有興趣的同學(xué)繼續(xù)參加相關(guān)研究。探究實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚝芎玫赜?xùn)練和考查知識(shí)的遷移和鞏固策略，鍛煉學(xué)生分析解決實(shí)際問(wèn)題的知識(shí)應(yīng)用能力。

表1 融合實(shí)驗(yàn)產(chǎn)出評(píng)價(jià)目標(biāo)及認(rèn)知策略分解表

1.4 綜合實(shí)驗(yàn)——課后拓展策略

綜合實(shí)驗(yàn)來(lái)源于師生共同研究的“創(chuàng)新”和“應(yīng)用”成果。1)教師自制儀器中的隔膜材料來(lái)源于農(nóng)業(yè)廢棄物秸稈，將其應(yīng)用于教學(xué)中，有效激發(fā)了學(xué)生自主創(chuàng)新的意識(shí)和信心。2)學(xué)生利用秸稈降解廢液組裝成電池，降解廢液的同時(shí)，產(chǎn)生電能，樹(shù)立了低碳環(huán)保的理念，在第11屆全國(guó)大學(xué)生節(jié)能減排社會(huì)實(shí)踐與科技競(jìng)賽中獲得二等獎(jiǎng)。3)師生的科研及獲獎(jiǎng)成果編制成綜合實(shí)驗(yàn)，用于知識(shí)拓展和科普宣傳，為感興趣的同學(xué)提供延伸探索的課題。

2 融合實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法改革

全面的化學(xué)教育中提出實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法要用啟發(fā)式，不要用注入式[3]。新時(shí)代大學(xué)生除了需要掌握專業(yè)課的基本知識(shí)和技能外，還需鍛煉溝通、合作、管理等關(guān)系的協(xié)調(diào)能力。物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)課的開(kāi)設(shè)在大三階段，學(xué)生已修完專業(yè)基礎(chǔ)課程及實(shí)驗(yàn)，已具備基本的專業(yè)知識(shí)和實(shí)驗(yàn)技能，具有與教師討論、探究實(shí)驗(yàn)的愿望與能力。從教學(xué)內(nèi)容來(lái)看，電動(dòng)勢(shì)測(cè)定實(shí)驗(yàn)的技術(shù)難度和風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)都不算高，具備教學(xué)方法改革的良好條件。在社會(huì)有需求、學(xué)生有能力、改革有條件的前提下，如何充分激發(fā)學(xué)生的自驅(qū)力，真正實(shí)現(xiàn)“學(xué)生在課堂的中心位置”，是值得探討的重要議題。

2.1 課堂角色關(guān)系重構(gòu)——“教師讓位、學(xué)生中心”

如圖2所示，傳統(tǒng)課堂上，教師需要負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備、實(shí)驗(yàn)示范和講授以及安全督察等工作，學(xué)生的主要任務(wù)是完成規(guī)定的實(shí)驗(yàn)即可。在融合實(shí)驗(yàn)中，從12名參加實(shí)驗(yàn)的學(xué)生中選出材料員(1-2名)、學(xué)生小助教(2-3名)、學(xué)生安全員(1-2名)，他們需要完成自己的實(shí)驗(yàn)任務(wù)外，還要在教師的協(xié)助下，分別負(fù)責(zé)課前實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備、課中組織總結(jié)討論，以及全程安全督察等原先全部由教師來(lái)完成的工作任務(wù)。教師實(shí)質(zhì)性的讓位、讓權(quán)充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生的主觀能動(dòng)性。

圖2 課堂教學(xué)形式轉(zhuǎn)變示意圖

2.2 師生關(guān)系重構(gòu)——“多重角色、競(jìng)爭(zhēng)合作”

在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中，教師是施者，學(xué)生是受者，師生、生生之間的關(guān)系單一，關(guān)系重構(gòu)后，教師“讓教”、學(xué)生“自教互教”，教師與學(xué)生、學(xué)生與學(xué)生之間形成了多重關(guān)系。

從學(xué)生的角度來(lái)看，根據(jù)埃里克森人格發(fā)展理論[14]，大學(xué)生所處的年齡階段特別注重自己在別人眼中的形象，以及他在社會(huì)集體中所占的情感位置，大學(xué)生在各自崗位上的課堂表現(xiàn)更加積極，尤其是獲得教師和同伴的需要和認(rèn)同后，自信心不斷增強(qiáng)。有研究表明，志愿服務(wù)和社會(huì)實(shí)踐對(duì)大學(xué)生角色的社會(huì)化作用明顯[15]，課堂多重關(guān)系增加了溝通機(jī)會(huì)，有助于學(xué)生未來(lái)的社會(huì)適應(yīng)。

從教師的角度來(lái)看，關(guān)系重構(gòu)后，教師需要改變觀念、態(tài)度和交流方式。首先從權(quán)威立場(chǎng)中撤出，和學(xué)生一起討論，而不是立刻給出答案，促進(jìn)學(xué)生更多地思考和探索。當(dāng)實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)失敗和錯(cuò)誤時(shí)，教師的態(tài)度要包容，引導(dǎo)鼓勵(lì)學(xué)生自己找出答案。以溫和且堅(jiān)定的方式與學(xué)生平等交流，從能說(shuō)會(huì)道轉(zhuǎn)變?yōu)槟苋虝?huì)讓，并時(shí)刻覺(jué)察和協(xié)調(diào)多角色間的關(guān)系。課外，教師要花更多的時(shí)間投入研究和改革，同時(shí)需要進(jìn)行更多的學(xué)習(xí)、實(shí)踐和反思。

3 融合實(shí)驗(yàn)實(shí)施方案及成效

3.1 融合實(shí)驗(yàn)課時(shí)安排

大綱規(guī)定的教學(xué)時(shí)數(shù)是5課時(shí)，每節(jié)課45分鐘。在實(shí)驗(yàn)任務(wù)要求及總課時(shí)不變的基礎(chǔ)上，融合實(shí)驗(yàn)各環(huán)節(jié)的安排如圖3所示。實(shí)驗(yàn)講解課時(shí)不變，用仿真實(shí)操代替原理講解。新的電動(dòng)勢(shì)測(cè)定儀器及自制電動(dòng)勢(shì)測(cè)定裝置替換老的儀器和裝置，共計(jì)節(jié)約40分鐘，用于后續(xù)探究實(shí)驗(yàn)及產(chǎn)出評(píng)價(jià)，總結(jié)討論部分拓展了綜合實(shí)驗(yàn)的簡(jiǎn)介，總結(jié)部分由小助教、安全員和教師共同完成。多層次的總結(jié)能夠更加全面有效地鍛煉學(xué)生的溝通表達(dá)能力。實(shí)踐證明，該方案時(shí)間和任務(wù)安排合理，教學(xué)效果良好。

3.2 融合實(shí)驗(yàn)課堂思政

電動(dòng)勢(shì)測(cè)定實(shí)驗(yàn)中豐富的思政元素為課堂思政的實(shí)施提供良好的條件。表2列舉了電動(dòng)勢(shì)測(cè)定實(shí)驗(yàn)的部分思政素材。選材貼切的主題、過(guò)渡自然的表述有助于產(chǎn)生師生共鳴，在實(shí)際教學(xué)中取得了良好的效果。

圖3 電動(dòng)勢(shì)測(cè)定實(shí)驗(yàn)的課時(shí)分配及任務(wù)安排對(duì)照?qǐng)D

表2 課堂思政元素實(shí)施情況

3.3 融合實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革成效

1)融合實(shí)驗(yàn)——構(gòu)建高效課堂。

傳統(tǒng)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的訓(xùn)練內(nèi)容及方法單一。融合實(shí)驗(yàn)的前端嵌入仿真實(shí)驗(yàn)，能夠幫助學(xué)生更好地理解抽象概念和原理等陳述性知識(shí)，基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)完成之后增加了探究性實(shí)驗(yàn)，能夠強(qiáng)化并反饋程序性知識(shí)的掌握情況，課后的綜合拓展實(shí)驗(yàn)，能夠?yàn)閷W(xué)有余力的學(xué)生提供深入探索的機(jī)會(huì)。在融合實(shí)驗(yàn)的教學(xué)情境中，學(xué)生參與度和積極性明顯提高，達(dá)成度指標(biāo)的完成情況更好。

2)自制教具——探索教改之路。

近二十年來(lái)，教師以科研項(xiàng)目為依托，開(kāi)展以“實(shí)驗(yàn)裝置改進(jìn)”為目標(biāo)的實(shí)驗(yàn)改革，獲得了多項(xiàng)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的自制教具，并在實(shí)驗(yàn)教學(xué)的過(guò)程中不斷改進(jìn)。以電動(dòng)勢(shì)測(cè)定裝置為例，如圖4所示，自編實(shí)驗(yàn)教材中使用了改進(jìn)的第二代裝置，之后繼續(xù)研制了第三代、第四代裝置，均獲得國(guó)家發(fā)明專利授權(quán)，在教學(xué)中應(yīng)用得到良好反饋。

圖4 電動(dòng)勢(shì)測(cè)定裝置改進(jìn)過(guò)程示意圖

3)教學(xué)相長(zhǎng)——促進(jìn)人才培養(yǎng)。

教師通過(guò)教改課題、大創(chuàng)項(xiàng)目等形式組織學(xué)生共同研究，將成果申報(bào)學(xué)生自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、撰寫(xiě)論文，在教學(xué)應(yīng)用中持續(xù)改進(jìn)，師生共同努力，取得了系列創(chuàng)新成果(表3)。2021年，根據(jù)創(chuàng)新成果整合設(shè)計(jì)而成的電動(dòng)勢(shì)測(cè)定融合實(shí)驗(yàn)獲得了專家和同行的認(rèn)可，榮獲“全國(guó)高校教師教學(xué)創(chuàng)新大賽”三等獎(jiǎng)。

表3 電動(dòng)勢(shì)測(cè)定融合實(shí)驗(yàn)研究中師生產(chǎn)出創(chuàng)新成果一覽表

4 結(jié)語(yǔ)

融合實(shí)驗(yàn)始終以全面地化學(xué)教育觀為指導(dǎo)，以“學(xué)生為中心，教研相結(jié)合”為理念，對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的課程結(jié)構(gòu)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和評(píng)價(jià)手段進(jìn)行了改革，強(qiáng)化知識(shí)的理解和技能的應(yīng)用，更加注重知識(shí)的遷移和創(chuàng)新能力的訓(xùn)練，把策略性知識(shí)習(xí)得的過(guò)程分化于實(shí)驗(yàn)的不同階段，通過(guò)明確的評(píng)價(jià)指標(biāo)當(dāng)堂考查產(chǎn)出目標(biāo)及策略性知識(shí)的完成情況，在實(shí)踐中邊教邊改，取得了良好的教學(xué)效果，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)了新的問(wèn)題：1)仿真實(shí)驗(yàn)自主研發(fā)技術(shù)的局限，部分實(shí)驗(yàn)暫時(shí)無(wú)法實(shí)現(xiàn)仿真化，應(yīng)加大開(kāi)發(fā)投入和力度；2)探究性、綜合性實(shí)驗(yàn)的推廣受到實(shí)驗(yàn)設(shè)備條件及學(xué)時(shí)的限制，應(yīng)申請(qǐng)協(xié)調(diào)和保障；3)教師投入的教學(xué)精力有限，設(shè)法調(diào)動(dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的積極性。

參照上述融合實(shí)驗(yàn)的理念與模式，以教師自制教具和探究實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)為核心，根據(jù)不同實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)，對(duì)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)的大部分項(xiàng)目都進(jìn)行了改革，已經(jīng)取得顯著效果。如：溶液表面張力的測(cè)定、燃燒熱的測(cè)定、乙酸乙酯的皂化反應(yīng)等實(shí)驗(yàn)。從已有改革實(shí)踐來(lái)看，該實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的創(chuàng)新模式通過(guò)在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和實(shí)施環(huán)節(jié)上的多元賦值與高效釋放，同時(shí)注重實(shí)驗(yàn)效果的及時(shí)評(píng)價(jià)，對(duì)于化學(xué)實(shí)驗(yàn)改革具有較大參考價(jià)值，經(jīng)過(guò)不斷發(fā)展和完善，一定能在更大程度上促進(jìn)創(chuàng)新型、應(yīng)用型、技能型人才的培養(yǎng)。