“學(xué)習(xí)金字塔理論”在物理化學(xué)實驗教學(xué)中的應(yīng)用初探*

張保柱，陳勇強，白 官，張愛眾，呂秀清，溫廣明

(晉中學(xué)院化學(xué)化工系，山西 榆次 030619)

物理化學(xué)實驗是大學(xué)化學(xué)實驗和物理化學(xué)理論課的重要組成部分[1]。物理化學(xué)實驗綜合運用了物理學(xué)和化學(xué)領(lǐng)域一些重要的實驗技術(shù)和手段及數(shù)學(xué)運算方法來研究物質(zhì)的物理化學(xué)性質(zhì)，以及這些物理化學(xué)性質(zhì)與化學(xué)反應(yīng)之間的關(guān)系[1]。物理化學(xué)實驗是化學(xué)化工類及相關(guān)專業(yè)如材料化學(xué)、環(huán)境科學(xué)、生物科學(xué)、生物技術(shù)、食品科學(xué)、林產(chǎn)化工、輕工造紙等專業(yè)的一門獨立的基礎(chǔ)課實驗課[2]。物理化學(xué)實驗研究思路得到初步了解，基本實驗技術(shù)和技能得到掌握，一些物理化學(xué)性能測量方法得到學(xué)習(xí)，體驗包括觀察和記錄現(xiàn)象、判斷和選擇條件、測量和處理數(shù)據(jù)、分析和歸納結(jié)果等理化學(xué)實驗的全過程，加深對物理化學(xué)基本理論的理解，提高應(yīng)用物理化學(xué)實驗技能解決實際問題的能力[3]。通過學(xué)習(xí)物理化學(xué)實驗可以培養(yǎng)學(xué)生踏實求真的科學(xué)態(tài)度、嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致的實驗作風(fēng)、熟練正確的實驗技能、靈活創(chuàng)新的分析和解決問題的能力[3]。近十年來，許多本科院校從教學(xué)理念、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式和考核制度等方面進(jìn)行了教學(xué)改革，取得了可喜的成果[4]。但是如何通過這些實驗課的教學(xué)激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生的綜合素質(zhì)、創(chuàng)新和綜合能力得到提高？這就有必要構(gòu)建一種高效的實驗創(chuàng)新教學(xué)模式。本文針對原教學(xué)模式 ——“學(xué)生通過閱讀實驗教材預(yù)習(xí)+教師講解演示+學(xué)生操作+教師簽字”模式，進(jìn)行了一些有效的改革，利用“學(xué)習(xí)金字塔理論”，構(gòu)建了一種高效的“學(xué)生為主，教師為輔自主型”的實驗創(chuàng)新教學(xué)模式，經(jīng)過對五屆學(xué)生的實踐應(yīng)用，取得比較滿意的教學(xué)效果。

1 新教學(xué)模式的實施

1.1 學(xué)習(xí)金字塔理論

愛德加·戴爾(Edgar Dale)，是美國一位專門研究學(xué)習(xí)的專家，于1946年出版了一部《視聽教學(xué)法》的教材，在此教材中第一次提出“經(jīng)驗之塔”這一術(shù)語，后來其他學(xué)者和美國緬因州的國家訓(xùn)練實驗室先后做了類似的研究并且將“經(jīng)驗之塔”改稱為“學(xué)習(xí)金字塔”[5]?！皩W(xué)習(xí)金字塔”把不同的學(xué)習(xí)方式或教學(xué)方式用具體數(shù)字和金字塔模型直觀地展示出來，學(xué)習(xí)效果是通過兩周以后學(xué)習(xí)內(nèi)容平均保持率來評判的[5]。如圖1所示，從金字塔頂?shù)剿?，學(xué)習(xí)方式分別是聽講、閱讀、視聽、示范、學(xué)生獨立動手做、小組討論以及教給他人，學(xué)習(xí)內(nèi)容保持率由低到高逐漸增加。最頂端的教學(xué)方式——傳統(tǒng)講授法，效果最差，兩星期以后學(xué)習(xí)內(nèi)容僅僅保留4%～8%，最底端效果最佳，學(xué)生立即運用上課內(nèi)容，或是讓學(xué)生教給他人，可以保持80%～98%[5]。

圖1 學(xué)習(xí)金字塔理論示意圖(Edgar Dale數(shù)據(jù))Fig.1 Scheme of cone of learning (from Edgar Dale)

根據(jù)以上學(xué)習(xí)效果，愛德加·戴爾把閱讀、聽講、示范和視聽(保持率約在30%以下)歸類為被動學(xué)習(xí)或個體學(xué)習(xí)方式；把立即教給他人、小組討論和學(xué)生做(保持率約在50%以上)歸類為主動學(xué)習(xí)、參與式學(xué)習(xí)和團(tuán)隊學(xué)習(xí)方式[5]。由上述結(jié)論可知，被動的、個體的學(xué)習(xí)效果比主動的、團(tuán)隊的、參與式的保持率要差很多。因此該結(jié)論為教師設(shè)計課堂活動、改革教學(xué)方法指明了方向以及提供了理論依據(jù)。

我們利用“學(xué)習(xí)金字塔理論” ，引入團(tuán)隊、主動、參與的教學(xué)方式，對原物理化學(xué)實驗教學(xué)模式進(jìn)行大膽的改革，提出了一種高效的“學(xué)生為主，教師為輔自主型”的實驗教學(xué)模式。

1.2 原教學(xué)模式的弊端

由于大多數(shù)物理化學(xué)實驗儀器價格比較昂貴，配置受到一定限制，以及師資和課時等因素的制約，大多數(shù)學(xué)校不得不采取大循環(huán)的方式。這樣對教與學(xué)就提出嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。我校多年形成的教學(xué)模式是 “學(xué)生通過閱讀實驗教材預(yù)習(xí)+教師講解演示+學(xué)生操作+教師簽字”。具體辦法是把一個班平均分為2大組，每大組分5小組。第一次上課，教師先給第一大組講解和演示需要大循環(huán)的5個實驗，即“學(xué)生閱讀實驗教材預(yù)習(xí)+教師講解演示”模式。整個講解和演示需要3個小時。為了防止遺忘，需趁熱打鐵，緊接著這組就開始做實驗(注：這組占用的是另一組的時間)，在做實驗的過程中若學(xué)生遇到問題，教師隨時解答。另一大組在下一次上課仍然用這種模式。每大組在第二次實驗時就按規(guī)定的時間正常做，而且第二次做時，要求提前必須寫好預(yù)習(xí)實驗報告單，目的是熟悉操作步驟，有疑問經(jīng)過小組討論再開始做，在做的過程中若有疑問可以請教上一組同學(xué)，或者教師解答。因此第二次大循環(huán)的教學(xué)模式為“預(yù)習(xí)并寫出預(yù)習(xí)實驗報告單+熟悉操作步驟+小組討論+學(xué)生操作 (有疑問請教上一組或教師)+教師簽字”。采用該教學(xué)模式，一定程度上解決了大循環(huán)實驗教與學(xué)之間的矛盾，使大循環(huán)實驗?zāi)茼樌_展，實踐證明是行之有效的。但是，存在的問題還較多，第一，由于要專門用3課時的時間來講解和演示，客觀上增加了師生的負(fù)擔(dān)，而且這3課時自己必須想辦法解決；第二，一次講解并演示5個實驗，學(xué)生有時難于接受，可能會產(chǎn)生厭倦心理；第三，在整個教學(xué)過程中，學(xué)生雖然有“主動學(xué)習(xí)、團(tuán)隊學(xué)習(xí)、積極參與”的環(huán)節(jié)，但是力度還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，不足以調(diào)動每個學(xué)生的積極性、創(chuàng)造性。因此，迫切要求徹底改革以教師為主體的教學(xué)模式。

1.3 “學(xué)生為主，教師為輔自主型”教學(xué)模式的實施

綜上所述，原教學(xué)模式存在的最大弊端是學(xué)生被動學(xué)習(xí)多，主動學(xué)習(xí)較少，學(xué)習(xí)效果比較差。因此，我們提出基于“金字塔學(xué)習(xí)理論”，對原物理化學(xué)實驗教學(xué)模式從預(yù)習(xí)、講解等環(huán)節(jié)進(jìn)行改革，構(gòu)建一種高效的“學(xué)生為主，教師為輔自主型”的教學(xué)模式。

新教學(xué)模式根據(jù)實驗前、做第1個實驗和做第2～5個實驗分為三個階段：

第一階段：學(xué)生“通過網(wǎng)絡(luò)在線觀看物化實驗視頻預(yù)習(xí)+教師講解和演示實驗”(適用于做實驗前)。原教學(xué)模式學(xué)生是通過閱讀教材預(yù)習(xí)，此方法在短時間內(nèi)很難達(dá)到預(yù)期效果。由于物理化學(xué)實驗所用儀器的操作步驟多且比較復(fù)雜，僅僅通過閱讀教材和使用說明書難以掌握。因此，我們改革預(yù)習(xí)方式，讓學(xué)生通過觀看優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò)在線實驗視頻預(yù)習(xí)(教師提前選好)，如利用中國大學(xué)慕課等資源。預(yù)習(xí)之前給學(xué)生發(fā)布相關(guān)的思考題，學(xué)生完成后提出自己的見解和疑問并發(fā)給老師檢查，作為平時作業(yè)的依據(jù)。這種預(yù)習(xí)方式提高了學(xué)習(xí)效率，減輕了學(xué)生的負(fù)擔(dān)，學(xué)生們樂于接受。在此基礎(chǔ)上，教師針對性講解和演示第一次大循環(huán)的5個實驗，通過講解可以讓學(xué)生更全面地掌握實驗內(nèi)容。

第二階段：撰寫預(yù)習(xí)實驗報告+實驗前學(xué)生小組討論+學(xué)生操作+實驗后學(xué)生小組總結(jié)討論+教師簽字 (適用于做第1個實驗)。在做實驗之前，學(xué)生根據(jù)觀看網(wǎng)絡(luò)在線實驗視頻，結(jié)合教師的講解和演示來撰寫預(yù)習(xí)報告，預(yù)習(xí)報告中必須寫好實驗原理、步驟以及注意事項，讓學(xué)生在做實驗前做到心中有數(shù)。為了確保實驗順利進(jìn)行，小組實驗前必須組織討論，討論實驗?zāi)康摹⒃?、直接測量的物理量、經(jīng)過數(shù)據(jù)處理得到的物理量、直接測量的物理量與經(jīng)過數(shù)據(jù)處理得到的物理量的關(guān)系以及直接測量物理量時注意事項是什么？通過討論讓學(xué)生知道為什么做、做什么、怎么做、做的過程中需要注意的事項，最后得到什么樣的結(jié)果，這樣學(xué)生對整個實驗就可以做到了如指掌，心中有數(shù)。按照原教學(xué)模式，學(xué)生實驗完畢后，老師看過數(shù)據(jù)，學(xué)生整理儀器打掃完畢，即可離開。對于認(rèn)真做實驗的學(xué)生，這樣做可能比較放心，但是對于應(yīng)付的學(xué)生可能會隱藏很多問題。因此，我們結(jié)合“學(xué)習(xí)金字塔理論”增加了實驗后學(xué)生小組總結(jié)討論，主要討論實驗?zāi)康氖欠襁_(dá)到？測得的數(shù)據(jù)是否可靠？若有偏差，偏差程度能有多大？是儀器誤差還是測量誤差，或者是別的原因造成的？給下一組同學(xué)講解時能夠提出哪些合理的建議，特別需要注意的事項有哪些？通過討論學(xué)生們對實驗的內(nèi)容更加熟悉、系統(tǒng)和條理。增加了學(xué)生學(xué)習(xí)的自信心，形成良性循環(huán)。

第三階段：撰寫預(yù)習(xí)實驗報告+做過實驗的學(xué)生講解和演示實驗+實驗前學(xué)生小組討論+學(xué)生操作+實驗后學(xué)生小組總結(jié)討論+教師簽字 (適用于做第2～5個實驗)。當(dāng)學(xué)生第二次做實驗時，按照大循環(huán)每一小組應(yīng)該做下一個實驗，在做之前，做過實驗的小組負(fù)責(zé)給未做實驗的講解。通過講解復(fù)習(xí)、梳理、強化了所學(xué)知識，同時鍛煉了語言組織和表達(dá)能力。這樣客觀上也要求每一組同學(xué)必須認(rèn)真掌握所做實驗，否則不能給下一組順利講解。通過這種方式不僅鍛煉了學(xué)生，而且解放了教師。但是老師并不是袖手旁觀當(dāng)甩手掌柜，老師要留意和考察講解小組講解的是否正確、全面和到位，做出評判，適時糾錯。

以上三個階段既互相關(guān)聯(lián)，又層層遞進(jìn)，組成一個不可分割的有機整體。第一階段既注重了學(xué)生的主動學(xué)習(xí)又突出教師的主導(dǎo)地位；第二階段是在自主學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上進(jìn)行團(tuán)隊學(xué)習(xí)，團(tuán)隊學(xué)習(xí)所占比例較大；第三階段對學(xué)生提出更高的要求，每個小組成員既是學(xué)生，又是老師，客觀上要求學(xué)生在每次做實驗時必須認(rèn)真用心，否者他們在教別的組時難以勝任。

上述實驗教學(xué)模式經(jīng)過多年的實踐應(yīng)用，學(xué)生們的學(xué)習(xí)態(tài)度發(fā)生了根本的變化，學(xué)習(xí)的積極性、主動性增強，由原先的要我學(xué)變?yōu)楝F(xiàn)在的我要學(xué)。學(xué)習(xí)能力大大提高，學(xué)習(xí)效果也令人十分滿意。

2 新教學(xué)模式的評價和適用范圍

2.1 新教學(xué)模式的評價

這種“學(xué)生為主，教師為輔自主型”的實驗教學(xué)模式實施五年以來，受到廣大同學(xué)們的歡迎和好評，大部分同學(xué)認(rèn)為使用該模式使他們對所做實驗的目的和原理更加清晰和明確，實驗操作更加準(zhǔn)確到位，組織能力和表達(dá)能力得到提高，做實驗的信心得到加強；該模式節(jié)省了教師講解實驗的時間，節(jié)省的時間可以用來組織學(xué)生對實驗的各個環(huán)節(jié)進(jìn)行討論和總結(jié)，加深對實驗的理解；該實驗教學(xué)模式突出了學(xué)生為主體、教師為主導(dǎo)的作用，與“學(xué)習(xí)金字塔理論”主導(dǎo)思想是一致的。

2.2 新教學(xué)模式的適用范圍

本論文提出的“學(xué)生為主，教師為輔自主型”實驗教學(xué)模式對于采取大循環(huán)的實驗是適合的，但是對于某些實驗卻不適用。

(1)對于物理化學(xué)實驗、儀器分析實驗以及配套數(shù)不足的實驗，可以采取本文提出的實驗教學(xué)模式。但是對于無機化學(xué)實驗、有機化學(xué)實驗和分析化學(xué)實驗則不適用，因為這些實驗不采取大循環(huán)，所有小組在同一時間做同一實驗。另外，對于設(shè)計性實驗也不適用。

(2)該模式中運用到的學(xué)生利用網(wǎng)絡(luò)、多媒體等方式預(yù)習(xí)實驗，以及在做實驗前和做實驗后小組內(nèi)互相討論的學(xué)習(xí)方式，可以在其它所有實驗教學(xué)中做大膽的嘗試。

3 結(jié) 語

培養(yǎng)學(xué)生實踐創(chuàng)新能力和綜合能力是目前實驗教學(xué)發(fā)展提出的要求，而這些能力是建立在學(xué)生扎實熟練地掌握基礎(chǔ)實驗的基本原理和技能基礎(chǔ)上[6-7]。因此非常迫切和有必要建立高效實用的實驗教學(xué)模式。我校針對原教學(xué)模式存在的弊端，吸取了“學(xué)習(xí)金字塔理論”中的精華，構(gòu)建了“學(xué)生為主，教師為輔自主型”的實驗教學(xué)模式，經(jīng)過老師和同學(xué)們五年的辛苦實踐應(yīng)用，取得令人滿意的教學(xué)效果，得到廣大學(xué)生的肯定，深受師生好評。但是，該教學(xué)模式也存在一些不足。比如，實驗教師如何有效控制和高效率地組織課堂教學(xué)，每個教學(xué)環(huán)節(jié)如何合理的考核等等，這些都需要我們在今后的實驗教學(xué)中進(jìn)一步改進(jìn)和完善。