以學(xué)生為中心的物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)探究*

李 鈞，張 波，楊 燕

(聊城大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，山東 聊城 252000)

物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)是一門(mén)獨(dú)立的、綜合性的基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程，其目標(biāo)是通過(guò)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)，讓學(xué)生可以掌握實(shí)驗(yàn)的基本方法和技能，培養(yǎng)思維能力、動(dòng)手能力、觀察能力和處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析和歸納的能力，同時(shí)加深學(xué)生對(duì)物理化學(xué)、結(jié)構(gòu)化學(xué)中基本原理、概念的理解。物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)普遍具有實(shí)驗(yàn)原理抽象、操作儀器復(fù)雜、數(shù)據(jù)處理繁瑣的特點(diǎn)。目前我國(guó)地方高校物化實(shí)驗(yàn)課程的講授大多仍采用以教師講授為主、學(xué)生機(jī)械模仿的灌輸式實(shí)驗(yàn)教學(xué)授課方式，這種教學(xué)方式不能很好地調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，也不利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和動(dòng)手能力，不能滿足新工科背景下對(duì)應(yīng)用型、創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的要求。

“以學(xué)生為中心”的教學(xué)理念來(lái)源于美國(guó)教育家John Dewey的Child-centred和瑞士教育家Jean Piaget提出的“student-centered”的教育思想，對(duì)培養(yǎng)敢于質(zhì)疑、勇于創(chuàng)新的人才有明顯的效果。以學(xué)生為中心的教學(xué)理念堅(jiān)持把學(xué)生放在教學(xué)過(guò)程的主體地位，讓學(xué)生獨(dú)立思考、探索知識(shí)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，注重培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和自主創(chuàng)新能力[1]。在許多新型的教育理念和教學(xué)方法，如OBE[2]、BOPPS[3]、PBL[4]中均強(qiáng)調(diào)學(xué)生在教學(xué)中的主體地位。在物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)中把以學(xué)生為中心的教育理念作為進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探索與實(shí)踐的主旨，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 傳統(tǒng)的物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式存在的問(wèn)題

物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)傳統(tǒng)教學(xué)模式大體分為三個(gè)階段：課前，授課教師準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)試劑及調(diào)試儀器設(shè)備，學(xué)生撰寫(xiě)預(yù)習(xí)報(bào)告；課上，授課教師對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行講解，對(duì)實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行示范演示，學(xué)生根據(jù)老師的講解和演示進(jìn)行操作，得到測(cè)量數(shù)據(jù)；課后，學(xué)生實(shí)驗(yàn)結(jié)束后完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告，教師根據(jù)實(shí)驗(yàn)報(bào)告進(jìn)行成績(jī)?cè)u(píng)定。按照以學(xué)生為中心的教學(xué)理念，本文擬從以下三個(gè)方面討論傳統(tǒng)的物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問(wèn)題。

1.1 內(nèi)容抽象，學(xué)習(xí)主動(dòng)性低

物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)是通過(guò)實(shí)踐對(duì)物理化學(xué)和結(jié)構(gòu)化學(xué)課程中理論知識(shí)進(jìn)行鞏固和強(qiáng)化，有時(shí)還涉及一些數(shù)理知識(shí)，因此原理部分理論性較強(qiáng)。在傳統(tǒng)教學(xué)中的實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)，學(xué)生只根據(jù)實(shí)驗(yàn)教材進(jìn)行預(yù)習(xí)，感覺(jué)到實(shí)驗(yàn)內(nèi)容抽象又枯燥，難以提起興趣。另外，物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)用到很多精密的電子儀器，學(xué)生在預(yù)習(xí)時(shí)無(wú)法實(shí)際接觸到的實(shí)驗(yàn)儀器，難以理解實(shí)驗(yàn)步驟中每一步的具體要求和意義。以上這兩方面使得學(xué)生在課程第一環(huán)節(jié)即缺乏參與度，從而形成挫敗感，因此學(xué)生在書(shū)寫(xiě)預(yù)習(xí)報(bào)告時(shí)成為實(shí)驗(yàn)教材或課件內(nèi)容的搬運(yùn)工，由于缺乏理解，難以進(jìn)行思考和探索。由于預(yù)習(xí)效果較差，學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室后既要理解實(shí)驗(yàn)原理，又要掌握儀器的操作，難免會(huì)感到顧此失彼，難以兼顧，只能糊涂地進(jìn)行操作。對(duì)于實(shí)驗(yàn)中遇到的問(wèn)題既不知道如何解決，也不知道如何向老師尋求幫助，只被動(dòng)等待老師來(lái)指導(dǎo)解決的尷尬狀態(tài)。由于對(duì)實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)步驟的“似懂非懂”，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后只能機(jī)械地進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，不知道如何進(jìn)行分析，草草地完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

1.2 模式單一，學(xué)生興趣度低

首先，課前預(yù)習(xí)階段，如上所述，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中只能依賴(lài)教材書(shū)寫(xiě)預(yù)習(xí)報(bào)告，預(yù)習(xí)形式單一。學(xué)習(xí)主動(dòng)性較強(qiáng)的同學(xué)可能會(huì)自己搜索一些網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)資源作為參考，但是可能存在實(shí)驗(yàn)儀器與實(shí)際課上使用儀器不一致的問(wèn)題。其次，課上授課方法單一。教師講解實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)操作步驟，學(xué)生被動(dòng)地接受教師講授的內(nèi)容，然后按部就班的重復(fù)老師講授的操作，這種灌輸式的學(xué)習(xí)無(wú)法激發(fā)學(xué)生主動(dòng)思考問(wèn)題的能力、缺乏對(duì)實(shí)驗(yàn)的思考與深入分析。

再者，課后考核方式單一。以本校學(xué)生為例，物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)最終成績(jī)由實(shí)驗(yàn)報(bào)告、期末實(shí)驗(yàn)操作和思考題三部分組成。學(xué)生的實(shí)驗(yàn)報(bào)告均按照實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)儀器與試劑、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、數(shù)據(jù)記錄與處理、實(shí)驗(yàn)總結(jié)、思考題等固定的模板來(lái)寫(xiě)，缺乏區(qū)分度，無(wú)法真正考核學(xué)生的知識(shí)掌握和運(yùn)用能力。期末考試的實(shí)驗(yàn)操作考核也是從學(xué)習(xí)過(guò)的實(shí)驗(yàn)中抽取某一個(gè)來(lái)進(jìn)行簡(jiǎn)單演示，而思考題往往是從教材或者題庫(kù)中的題目隨機(jī)抽選，學(xué)生通常在考試前已經(jīng)知曉答案，然后通過(guò)死記硬背通過(guò)考試，同樣不能真正的反映學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解和掌握情況。

1.3 缺乏互動(dòng)，學(xué)生參與度低

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式下的三個(gè)教學(xué)階段中學(xué)生只能在上課時(shí)間接觸到授課教師。課前預(yù)習(xí)階段，由于師生之間缺乏溝通，學(xué)生無(wú)法及時(shí)知曉所要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的教學(xué)目標(biāo)，教師精于備課程內(nèi)容，而忽視了學(xué)生的學(xué)習(xí)難點(diǎn)。授課過(guò)程中，教師只顧單方面的向?qū)W生灌輸知識(shí)，缺乏與學(xué)生之間的互動(dòng)、交流，不能及時(shí)了解學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解和掌握情況，導(dǎo)致“學(xué)生聽(tīng)不懂老師在講什么，老師不了解學(xué)生對(duì)知識(shí)的接受程度”這種尷尬現(xiàn)象的產(chǎn)生。因此，當(dāng)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中遇到問(wèn)題時(shí)，教師無(wú)法找到學(xué)生產(chǎn)生這些問(wèn)題的根源。課后學(xué)生處理分析數(shù)據(jù)時(shí)，遇到問(wèn)題無(wú)法及時(shí)向老師反饋，不能得到及時(shí)指導(dǎo)?！敖獭迸c“學(xué)”無(wú)法互通，師生無(wú)法共情導(dǎo)致整個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生的參與度比較低，教學(xué)效果差。

2 以學(xué)生為中心的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改進(jìn)措施

隨著學(xué)生和教育工作者對(duì)學(xué)習(xí)和教育認(rèn)知的提升，這種傳統(tǒng)的教師起主體作用的教育方式和教學(xué)方法越來(lái)越受到詬病。以學(xué)生為中心突出學(xué)生是每一堂課的主角，學(xué)生自己掌握學(xué)習(xí)的主動(dòng)權(quán)，教師積極引導(dǎo)和輔助學(xué)生自主學(xué)習(xí)，充分和學(xué)生互動(dòng)，調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性和參與度，注重采用啟發(fā)式、討論式等方法進(jìn)行講授和溝通，對(duì)于培養(yǎng)非標(biāo)準(zhǔn)化、有獨(dú)創(chuàng)能力的學(xué)生具有重要意義。

2.1 混合教學(xué)，豐富實(shí)驗(yàn)授課方式

在以學(xué)生為中心的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，采用線上線下、課堂內(nèi)外相結(jié)合的混合式教學(xué)方法。在課前實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)階段，教師借助雨課堂、釘釘平臺(tái)或微信、QQ群，發(fā)布實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)，明確實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)。并上傳錄制的實(shí)驗(yàn)操作步驟和儀器使用的微視頻，幫助學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)。針對(duì)學(xué)生在預(yù)習(xí)階段無(wú)法動(dòng)手操作的問(wèn)題，可借助虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)(如圖1所示)，加深學(xué)生對(duì)即將進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)的理解，提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，改善預(yù)習(xí)效果。通過(guò)借助虛擬實(shí)驗(yàn)提升教學(xué)效果已在很多高校中得以驗(yàn)證[5]。學(xué)生將自己預(yù)習(xí)和虛擬操作過(guò)程中遇到的問(wèn)題，在平臺(tái)或討論群中進(jìn)行反饋，作為線下授課時(shí)教師對(duì)重難點(diǎn)問(wèn)題進(jìn)行針對(duì)性講解的依據(jù)。通過(guò)借助虛擬仿真平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)，可以提高學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解和對(duì)實(shí)驗(yàn)的興趣，在線下實(shí)際操作時(shí)降低實(shí)驗(yàn)失敗率，增強(qiáng)學(xué)生做實(shí)驗(yàn)的自信心和成就感。線下課程結(jié)束后學(xué)生可再次回到平臺(tái)或者討論群中進(jìn)行問(wèn)題討論，同時(shí)也可在虛擬仿真操作平臺(tái)上進(jìn)行后續(xù)的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)與探索。例如，探究改變實(shí)驗(yàn)參數(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。此外，實(shí)驗(yàn)報(bào)告不拘泥于固定的模板，鼓勵(lì)學(xué)生把對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的討論和實(shí)驗(yàn)方案的改進(jìn)設(shè)想寫(xiě)入實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

圖1 物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)(蔗糖水解反應(yīng)速率常數(shù)測(cè)定) 虛擬仿真操作示例Fig.1 Example of virtual simulation operation of physical chemistry experiment (determination of sucrose conversion rate constant)

2.2 引導(dǎo)啟發(fā)，提高學(xué)生求知欲望

采用啟發(fā)式教學(xué)可以讓學(xué)生克服傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中對(duì)抽象的原理理解不深，對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程消極照搬的被動(dòng)學(xué)習(xí)現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)教學(xué)開(kāi)始前讓學(xué)生帶著問(wèn)題去學(xué)習(xí)，例如在純液體飽和蒸氣壓的測(cè)定實(shí)驗(yàn)中，讓同學(xué)們思考：海拔高的地區(qū)和海拔低的地區(qū)水燒開(kāi)時(shí)的沸點(diǎn)有什么不同？再讓學(xué)生聯(lián)系日常生活：用高壓鍋能夠縮短煮飯時(shí)間的原理是什么？通過(guò)對(duì)實(shí)際案例的分析，讓學(xué)生加深對(duì)克勞修斯-克拉伯龍方程的理解。通過(guò)問(wèn)題導(dǎo)入的形式促進(jìn)師生、生生間的互動(dòng)，活躍課堂氣氛，激發(fā)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的興趣。

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后在遇到共性問(wèn)題時(shí)，啟發(fā)學(xué)生進(jìn)行知識(shí)點(diǎn)的聯(lián)系，同類(lèi)實(shí)驗(yàn)的比較。例如在化學(xué)動(dòng)力學(xué)模塊，通常設(shè)計(jì)乙酸乙酯的皂化反應(yīng)、蔗糖的水解反應(yīng)和丙酮碘化三個(gè)不同的實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生思考：為什么都是求解反應(yīng)速率常數(shù)，卻分別采用了三種不同的方法測(cè)定反應(yīng)物或產(chǎn)物濃度隨時(shí)間的變化？通過(guò)分析整理共性問(wèn)題，啟發(fā)學(xué)生把知識(shí)融會(huì)貫通，在處理其他動(dòng)力學(xué)反應(yīng)時(shí)能夠舉一反三。通過(guò)引導(dǎo)啟發(fā)式教學(xué)實(shí)現(xiàn)教師是學(xué)生學(xué)習(xí)的促進(jìn)者，教學(xué)是師生交往、積極互動(dòng)、共同發(fā)展的過(guò)程。

2.3 因材施教，鼓勵(lì)學(xué)生探索創(chuàng)新

以學(xué)生為中心需要授課教師站在學(xué)生的角度看待教學(xué)問(wèn)題，加強(qiáng)師生之間的互動(dòng)交流，及時(shí)跟蹤掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)態(tài)，積極引導(dǎo)增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，激發(fā)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的興趣和熱情。在以學(xué)生為主體的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中還需要考慮學(xué)生的差異性，對(duì)學(xué)生因材施教，既要對(duì)基礎(chǔ)差的學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)信心培養(yǎng)，也要滿足求知欲較強(qiáng)的學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)技能的需求。對(duì)于后者可設(shè)置一定挑戰(zhàn)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，鼓勵(lì)其利用物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的儀器設(shè)備進(jìn)行開(kāi)放型實(shí)驗(yàn)，例如，利用旋光法測(cè)定日常生活中蜂蜜的有效成分，通過(guò)測(cè)定蜂蜜水分解前后的旋光度，結(jié)合總糖含量，計(jì)算蔗糖、葡萄糖和果糖的含量[6]。

圖2 以學(xué)生為中心的教學(xué)設(shè)計(jì)圖Fig.2 The diagram of student-centered instructional design

3 以學(xué)生為中心的教學(xué)面臨的挑戰(zhàn)

開(kāi)展以學(xué)生為中心的新型實(shí)驗(yàn)課堂同時(shí)也面臨著許多困難與挑戰(zhàn)。對(duì)授課教師而言，需要弱化教師在教學(xué)中的權(quán)威性，營(yíng)造讓學(xué)生感到放松，敢于表達(dá)的課堂氛圍；需要了解不同學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握程度，按照學(xué)生的差異因材施教，準(zhǔn)備出每個(gè)學(xué)生都能參與的教學(xué)設(shè)計(jì)；需要把學(xué)生的興趣點(diǎn)和教學(xué)的目標(biāo)連接起來(lái)，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情。此外，還需要具有能接受教學(xué)內(nèi)容有限，教學(xué)效果不會(huì)立竿見(jiàn)影，但相信會(huì)對(duì)學(xué)生有積極影響的良好心態(tài)。總之，以學(xué)生為中心的教學(xué)并沒(méi)有弱化教師的責(zé)任和教學(xué)能力，相反是對(duì)教師提出了更高的要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

在以學(xué)生為中心的物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，通過(guò)豐富授課方法、開(kāi)展引導(dǎo)啟發(fā)式教學(xué)、尊重學(xué)生的個(gè)性化學(xué)習(xí)等方面貫徹把學(xué)習(xí)者放在主體地位的教學(xué)理念。教師努力成為學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程中的引導(dǎo)者、輔助者、支持者，與學(xué)生形成互相合作、教學(xué)相長(zhǎng)的學(xué)習(xí)環(huán)境，對(duì)于調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性和參與度，改善教學(xué)效果，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量具有重要意義。就學(xué)生發(fā)展而言，主動(dòng)性學(xué)習(xí)有利于自我價(jià)值的實(shí)現(xiàn)；從教育意義方面，強(qiáng)調(diào)學(xué)生的主體地位有利于學(xué)生未來(lái)適應(yīng)社會(huì)對(duì)應(yīng)用型和創(chuàng)新型人才的需求。