無機化學(xué)實驗中自主設(shè)計實驗的教學(xué)研究

張志紅 魏 婷

(1,2.昌吉學(xué)院化學(xué)與應(yīng)用化學(xué)系 新疆 昌吉 831100)

無機化學(xué)實驗中自主設(shè)計實驗的教學(xué)研究

張志紅1魏 婷2

(1,2.昌吉學(xué)院化學(xué)與應(yīng)用化學(xué)系 新疆 昌吉 831100)

本文旨在探討在大一無機化學(xué)實驗課中開展自主設(shè)計實驗的教學(xué)方法。以基礎(chǔ)實驗為基石,根據(jù)學(xué)生實驗的內(nèi)容和時間作出合理的安排,分階段分層次開展學(xué)生自主設(shè)計實驗,讓學(xué)生可以自主決定實驗內(nèi)容或在教師指導(dǎo)下選擇實驗內(nèi)容進(jìn)行研究與探索,創(chuàng)設(shè)學(xué)生自己動腦、動嘴、動手的教學(xué)環(huán)境,激發(fā)學(xué)生探索的欲望和獨立思考的積極性。教學(xué)實踐表明在大學(xué)一年級的無機化學(xué)實驗教學(xué)中開展適量的學(xué)生自主設(shè)計實驗有利于學(xué)生的動手能力、獨立思考能力以及科學(xué)研究方法的培養(yǎng)。

無機化學(xué)實驗;自主設(shè)計實驗;教學(xué)方法

隨著新一輪高校課程改革的不斷深化,在實驗課教學(xué)中相對于注重基礎(chǔ)知識、基本技能培養(yǎng)的傳統(tǒng)教學(xué)理念,培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)與創(chuàng)新能力的現(xiàn)代理念已日益成為主流思想,越來越受到關(guān)注。近幾年出版的實驗教材中,無論是基礎(chǔ)實驗還是專業(yè)實驗教材,設(shè)計與綜合實驗的比例越來越大。在高校教學(xué)水平評估中,設(shè)計和綜合實驗的比例已成為實驗課教學(xué)質(zhì)量評價的一項重要指標(biāo)。怎樣認(rèn)識基礎(chǔ)實驗和設(shè)計綜合實驗的關(guān)系?怎樣組織好設(shè)計和綜合實驗的教學(xué)過程?如何使學(xué)生在設(shè)計實驗中切實得到能力和方法的訓(xùn)練?這更多地取決于教學(xué)的具體實施者—實驗教師對設(shè)計與綜合實驗作用的深刻認(rèn)識,對實驗教學(xué)方法的深入探索與總結(jié)。無機化學(xué)實驗是化學(xué)系學(xué)生學(xué)習(xí)的第一門專業(yè)基礎(chǔ)實驗課程。針對課程的基礎(chǔ)性和學(xué)生知識技能水平的初級性特點,就如何在無機化學(xué)實驗教學(xué)中將基礎(chǔ)實驗和設(shè)計綜合實驗有機結(jié)合起來,既保留基礎(chǔ)實驗教學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)、規(guī)范,又體現(xiàn)設(shè)計實驗的自主與創(chuàng)新這一主題,我們進(jìn)行了不斷的探索。

一、傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式存在的問題

長期以來傳統(tǒng)化學(xué)實驗教學(xué)都是理論課程的附屬,實驗內(nèi)容多是對理論知識的驗證和鞏固,缺乏與實際生活和生產(chǎn)的聯(lián)系。教材的編寫嚴(yán)謹(jǐn)、細(xì)致,實驗原理、實驗步驟具體入微。實驗教學(xué)強調(diào)基礎(chǔ)性,注重基本技能和操作規(guī)范。老師的講解注重把每一個細(xì)節(jié)都告訴學(xué)生,生怕他們在實驗中出現(xiàn)問題。實驗時學(xué)生基本是“照方抓藥”。這樣的教學(xué)刻板、枯燥,容易把學(xué)生帶入只動手、不動腦、機械操作的誤區(qū),難以激發(fā)學(xué)生對實驗課的興趣,也難以充分發(fā)揮其主動性和創(chuàng)造性。

二、正確理解基礎(chǔ)實驗和設(shè)計綜合實驗的關(guān)系

基于傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式的諸多弊端,現(xiàn)代實驗課程教學(xué)的改革多是以減少驗證型實驗,增加設(shè)計型、探究型、綜合型實驗為特征。作為激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和主動性的一條有效途徑,設(shè)計實驗只給出研究課題,由學(xué)生自己通過查閱文獻(xiàn),設(shè)計方案,實施方案,解決相對于自己的知識水平仍屬于“新”的問題,從而促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí),獨立思考的能力。

在強調(diào)自主能力培養(yǎng)的新理念下,傳統(tǒng)的實驗教學(xué)模式是否還有必要?怎樣把握傳統(tǒng)實驗與設(shè)計實驗的關(guān)系?我們認(rèn)為傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式和設(shè)計、綜合實驗?zāi)Ｊ降淖饔檬窍噍o相成、相互補充的,二者不可偏廢。對于低年級的專業(yè)實驗,既要重基礎(chǔ)、嚴(yán)規(guī)范,又要激興趣、促自主?；A(chǔ)實驗和傳統(tǒng)教學(xué)模式為學(xué)生打下堅實的實驗操作技能基礎(chǔ),養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶嶒炞黠L(fēng)。設(shè)計實驗為學(xué)生提供發(fā)揮個性,拓展能力的平臺,二者都具有不可替代的作用。一味強調(diào)自主設(shè)計,忽視教師的指導(dǎo)作用,輕視實驗操作規(guī)范,往往會導(dǎo)致學(xué)生興趣雖高,卻盲目自主,以至出現(xiàn)操作不當(dāng)、方法錯誤、對實驗內(nèi)容掌握不夠完整甚至得不出正確的結(jié)論的問題。每次實驗后,教師得用較長時間加以糾正和總結(jié),反而事倍功半。因此實驗內(nèi)容的選擇要能夠保證足夠數(shù)量的基本技能訓(xùn)練,這部分內(nèi)容的教學(xué)應(yīng)以傳統(tǒng)教學(xué)方式為主,明確實驗步驟細(xì)節(jié),強調(diào)規(guī)范準(zhǔn)確。在學(xué)生形成基本的實驗技能后,再逐步開展自主設(shè)計實驗和綜合實驗。否則,如果教學(xué)策略與方法運用不當(dāng),自主設(shè)計實驗也必然是流于形式,難以達(dá)到預(yù)期目的。

三、分層次、分階段進(jìn)行自主設(shè)計實驗

作為大學(xué)一年級的基礎(chǔ)實驗課程,無機化學(xué)實驗的首要目的是對學(xué)生進(jìn)行基本實驗技能和實驗方法的訓(xùn)練?；谶@個目的,在大一上學(xué)期《無機化學(xué)實驗I》的十四個實驗中沒有安排獨立的設(shè)計實驗。實驗內(nèi)容都以傳統(tǒng)方式編寫,教學(xué)主要以傳統(tǒng)教學(xué)模式展開。基本技能訓(xùn)練實驗重在實驗操作技能的規(guī)范與準(zhǔn)確,在教學(xué)中采取細(xì)節(jié)細(xì)講、演示模仿、個別糾正相結(jié)合的方法,突出細(xì)節(jié)、強調(diào)技能,強化學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)作風(fēng)。在原理和測定實驗中,則通過教師分析實驗設(shè)計思路、實驗操作思路、實驗關(guān)鍵步驟思路以及實驗思路的發(fā)散與應(yīng)用訓(xùn)練使學(xué)生從整體認(rèn)識和理解實驗,把握實驗設(shè)計的基本思路,學(xué)會實驗研究的一般方法,從而切實提高分析問題、解決問題的能力?；炯寄艿挠?xùn)練和思路教學(xué)為學(xué)生奠定了良好的操作技能和思維方法的基礎(chǔ)。

經(jīng)過一個學(xué)期的基本技能和實驗方法訓(xùn)練之后,下學(xué)期《無機化學(xué)實驗II》開始循序漸進(jìn)地加入設(shè)計實驗內(nèi)容。把握的原則是由少到多,有簡單到復(fù)雜,由局部到整體。學(xué)期初,在每次性質(zhì)實驗中除了要求學(xué)生按照教科書的步驟按部就班完成大部分實驗外,還留出少部分實驗內(nèi)容由學(xué)生進(jìn)行設(shè)計。如:用所給試劑設(shè)計實驗比較氯、溴、碘單質(zhì)的氧化性及離子的還原性強弱;設(shè)計實驗驗證H2O2的穩(wěn)定性和氧化還原性;設(shè)計實驗驗證Na2S2O3在不同介質(zhì)中的穩(wěn)定性、還原性和配位性。設(shè)計區(qū)別硝酸鈉和亞硝酸鈉的三種方法。在物質(zhì)鑒別與分離實驗中,除完成內(nèi)容中已經(jīng)明確操作步驟的離子分離外,再設(shè)計其它混合離子的分離與鑒定方案。因為每次設(shè)計實驗內(nèi)容不多,不會給學(xué)生造成負(fù)擔(dān),相反卻可以讓他們對傳統(tǒng)實驗和設(shè)計實驗的效果做比較,體會設(shè)計實驗帶來的挑戰(zhàn)和樂趣,并且逐步學(xué)習(xí)設(shè)計實驗的一般思路與步驟。在學(xué)生具備了一定的實驗設(shè)計能力后,在后期安排了四個獨立設(shè)計實驗和一個綜合實驗,其中包括物質(zhì)的制備、離子分離與未知物鑒別、物質(zhì)組成測定及水中溶解氧含量測定等實驗。這部分內(nèi)容交給學(xué)生自主設(shè)計研究,獨立完成實驗方案設(shè)計、藥品儀器選擇、實施實驗、得出結(jié)論。另外,在教學(xué)計劃規(guī)定教學(xué)時數(shù)之外,大一下學(xué)期我們嘗試了在每周開放一次實驗室,每次四小時,這個時間用于學(xué)生進(jìn)行教學(xué)計劃外的自主設(shè)計實驗。

四、在設(shè)計實驗中發(fā)揮學(xué)生的自主性

我們認(rèn)為充分發(fā)揮學(xué)生的自主性是實驗教學(xué)的最終目的,但并不能作為實驗教學(xué)的一般原則。在設(shè)計實驗中發(fā)揮學(xué)生的自主性并不意味著全盤放開,徹底自主,而應(yīng)該有一個由約束到放開直至完全自主的過程。在技能訓(xùn)練實驗中強調(diào)按部就班,嚴(yán)格按照實驗步驟操作,不能有自己的發(fā)揮。而在初期的設(shè)計實驗中由教師給出實驗題目和實驗試劑,由學(xué)生根據(jù)要求進(jìn)行設(shè)計。在后期綜合設(shè)計實驗中給出大的課題,由學(xué)生自己設(shè)計實驗計劃,自己提出藥品和儀器清單。而在開放實驗設(shè)計中學(xué)生則可以從選題到設(shè)計到實施完全自主進(jìn)行。循序漸進(jìn)的自主訓(xùn)練有助于學(xué)生盡快了解并掌握設(shè)計實驗的一般方法與思路,減少盲目性,增加實驗成功的概率。在初期的設(shè)計實驗中,學(xué)生的自主性主要體現(xiàn)在方案設(shè)計與優(yōu)化、實驗探索活動、結(jié)果討論與分析上。根據(jù)教材或教師提供的課題,學(xué)生可以從原理、途徑、條件控制、藥品儀器的使用、預(yù)期實驗結(jié)果等方面對方案進(jìn)行設(shè)計。在這個設(shè)計過程中,很可能出現(xiàn)方案與教師的預(yù)期差距較大,不是根本不知從何處下手去設(shè)計,就是考慮不周,漏洞百出。而此時教師的作用就是引導(dǎo)學(xué)生通過討論發(fā)現(xiàn)方案設(shè)計中的問題和不足,進(jìn)行修正與完善。相比于教師直接告訴學(xué)生正確的方案,這是一個繁瑣的過程。但這正是學(xué)生產(chǎn)生想法、修正思路、得出結(jié)論、自己動腦的過程,這個自主學(xué)習(xí)的過程是學(xué)生學(xué)習(xí)實驗設(shè)計整體思路的必由之路,其教育價值遠(yuǎn)勝于一個正確的結(jié)論。在傳統(tǒng)的教學(xué)中常常為了省時、方便而由教師包辦,這樣做其實就是剝奪了學(xué)生自主學(xué)習(xí)和自我發(fā)展的機會。

在學(xué)生了解了實驗設(shè)計的基本思路與方法后,由教師指定幾個綜合性稍強的實驗由學(xué)生分組設(shè)計完成。每組學(xué)生負(fù)責(zé)一節(jié)實驗內(nèi)容,從查找文獻(xiàn),擬定方案、講解方案全部負(fù)責(zé)。本班其他同學(xué)可以參與到方案的評價中,在討論中確定可行的方案。具體做法是設(shè)計方案的學(xué)生把自己的設(shè)計思想、實驗原理、實驗步驟給全班同學(xué)講解,教師和其他同學(xué)對他的方案提出意見和建議,使方案更加完善。這提供了一個相互交流、相互學(xué)習(xí)的空間,營造了研究性學(xué)習(xí)的氛圍,拓寬了學(xué)生們的思路和眼界。在這個過程中教師的作用進(jìn)一步淡化,經(jīng)過初期的訓(xùn)練后,在這個階段方案設(shè)計出現(xiàn)大的錯誤的概率明顯下降。只需要在一些個別的局部問題上加一點指導(dǎo)即可。這時教師會感覺自己已無需面面俱到,教學(xué)反而輕松了。

一部分對實驗非常感興趣的學(xué)生在自己成功設(shè)計實驗的基礎(chǔ)上已經(jīng)不再滿足于老師給出題目了。他們會要求將自己感興趣的實驗課題設(shè)計成方案,進(jìn)一步進(jìn)行研究。對于這部分同學(xué)只用教學(xué)計劃內(nèi)的時間已經(jīng)不夠,開放實驗室和開放實驗就成為必然。我們在一年級下學(xué)期實行無機實驗室開放,每周開放四小時。在開放實驗中學(xué)生可以根據(jù)實驗室的條件自己選擇一些感興趣的實驗課題或是老師提供的一些實驗題目展開研究。實驗內(nèi)容難度適中,主要涉及以下幾個方面:(1)采用與教科書不同方法制備化學(xué)物質(zhì)(如水熱法制備SnO2納米粉體、微波法制備硫代硫酸鈉的研究、無機化合物制備實驗微型化研究等)。(2)元素及其化合物性質(zhì)實驗的改進(jìn)及微型化研究。(3)一些測定實驗的改進(jìn)及微型化研究(如:化學(xué)反應(yīng)速率與活化能測定實驗改進(jìn)及微型化研究、簡易量熱計測定物質(zhì)反應(yīng)熱的研究等)。(4)對環(huán)境污染的化學(xué)方法治理研究(如:水中染料污染物的降解研究、改性活性硅酸的制備及水處理性能的研究、TiO2復(fù)合光催化劑的制備及性能研究)。(5)實用技術(shù)的探索性研究(鍍銅膜鋼板上花紋蝕刻方法研究、緩釋復(fù)合肥的研究等)。這些課題由學(xué)生根據(jù)興趣分組研究,實踐證明大部分學(xué)生對于自己負(fù)責(zé)的研究課題都能夠積極主動地去實施完成。他們用業(yè)余時間出去調(diào)查、查找文獻(xiàn)、設(shè)計方案,實施實驗,其主動性和熱情讓人驚嘆。如鍍銅膜鋼板上花紋蝕刻方法研究小組短時間內(nèi)就拿出了四套實驗方案,節(jié)假日小組成員四處尋找實驗用的鍍銅膜鋼板邊角材料。自來水凈化研究小組成員去各凈水機銷售處,了解凈水原理、設(shè)備和材料,很快設(shè)計了自己的研究方案。

五、設(shè)計實驗的教學(xué)組織

合理的組織形式是達(dá)到預(yù)期教學(xué)效果的必要保證。在實際教學(xué)過程中根據(jù)不同階段、不同的設(shè)計實驗內(nèi)容,我們采取了不同的組織形式。在一年級下學(xué)期首先將學(xué)生進(jìn)行分組,每組兩人,負(fù)責(zé)一個實驗。按照實驗教學(xué)計劃提前對實驗進(jìn)行預(yù)習(xí),結(jié)合看書、查閱資料、與老師討論等方式對實驗原理、步驟、現(xiàn)象、解釋及反應(yīng)方程式進(jìn)行較為深入的研究。在實驗前由他們負(fù)責(zé)給其他同學(xué)講解實驗,解答相關(guān)問題。這樣可以保證每位學(xué)生都必須要認(rèn)真研究一個實驗,要講好一個實驗,每個人都會有一次鍛煉的機會。由同學(xué)講解實驗,課堂氣氛比較活躍,聽的同學(xué)變得比較敏感,會不斷提出自己的看法和意見。這一點不同于老師講實驗,一般老師講解實驗時,學(xué)生多會相信老師的權(quán)威,認(rèn)為老師講的都是對的,自己只要記錄就好了,不必過多思考。學(xué)生講解實驗時,教師的作用是組織教學(xué),最后根據(jù)學(xué)生的講解情況進(jìn)行總結(jié)、查遺補漏,糾正偏差。開放實驗的組織以小組為單位,一般4-5人一組,由組長負(fù)責(zé)組員的組織、任務(wù)安排、與實驗老師的協(xié)調(diào)工作。專人負(fù)責(zé)可以保證工作有效地開展,也便于教師的管理與組織。以小組為單位進(jìn)行自主設(shè)計實驗有利于小組成員間的合作學(xué)習(xí)與探究。作為一個小的課題團(tuán)隊,成員之間要克服不良競爭的心理,彼此尊重、友好。與他人分享自己的經(jīng)驗與觀點,耐心傾聽同學(xué)的發(fā)言。通過組內(nèi)成員間的互動、交流、討論,從而加深對研究課題的理解。

開放實驗的組織程序為以下幾步:(1)方案設(shè)計:每組提前二周將設(shè)計實驗的題目、實驗設(shè)計方案和所需要的試劑、儀器交給指導(dǎo)教師,經(jīng)教師認(rèn)可后方可進(jìn)入實驗室研究。(2)實驗研究:每組同學(xué)按照設(shè)計方案進(jìn)行實驗,實驗教師負(fù)責(zé)提供必要的儀器、藥品并給予適當(dāng)指導(dǎo)。(3)合作討論與交流:針對設(shè)計實驗中出現(xiàn)的問題,以小組為單位組織討論交流,優(yōu)化方案。(4)撰寫研究報告或論文:實驗結(jié)束,每組交一份設(shè)計實驗研究報告。報告按科研論文的格式書寫。

六、自主設(shè)計實驗結(jié)果的評價

設(shè)計實驗結(jié)果的評價應(yīng)以質(zhì)性評價為主,考察學(xué)生在查閱資料、方案設(shè)計、實驗操作、實驗結(jié)果、協(xié)作精神、安全環(huán)保、研究報告等方面的表現(xiàn)。由教師評定、小組評定和自我評定三部分組成,綜合反映學(xué)生的學(xué)習(xí)狀況。設(shè)計實驗的評價結(jié)果在總評成績中占25%。

七、自主設(shè)計實驗教學(xué)的成效

在本科07、08、09級三屆七個班的無機化學(xué)實驗教學(xué)中,我們逐步嘗試了自主設(shè)計實驗教學(xué)的模式研究。教學(xué)實踐證明:在大一無機化學(xué)實驗課中開展基礎(chǔ)實驗、設(shè)計實驗、綜合研究實驗有機結(jié)合的實驗教學(xué)模式,根據(jù)學(xué)生實驗的內(nèi)容和時間做出合理的安排,分階段分層次的開展學(xué)生自主設(shè)計實驗是一種行之有效的教學(xué)策略。創(chuàng)設(shè)學(xué)生自己動腦、動嘴、動手的教學(xué)環(huán)境,讓學(xué)生可以自主決定實驗內(nèi)容或在教師指導(dǎo)下選擇實驗內(nèi)容進(jìn)行研究與探索,有利于激發(fā)學(xué)生探索的欲望和獨立思考的積極性,有利于對學(xué)生的動手能力、獨立思考能力以及科學(xué)研究方法的培養(yǎng)。同時以小組為單位的自主設(shè)計實驗也為學(xué)生進(jìn)行合作—探究學(xué)習(xí)創(chuàng)設(shè)了良好的學(xué)習(xí)背景,其價值不僅體現(xiàn)在專業(yè)課程的學(xué)習(xí),也有助于學(xué)生終身學(xué)習(xí)和發(fā)展。

(責(zé)任編輯:馬海燕)

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1671-6469(2010)05-0095-03

2010-09-06

昌吉學(xué)院2009年教研課題資助項目(2009Z004)

張志紅(1966-),女,新疆阜康市人,昌吉學(xué)院化學(xué)與應(yīng)用化學(xué)系,副教授,研究方向:無機化學(xué)及實驗教學(xué)。