分析化學實驗課是大學化學、化工、應用化學及與化學相關各專業的一門基礎課程,它在將一個普通的大學生培養成爲化學工作者的過程中起到了承啓起後的作用[1]。分析化學實驗課應致力於在理論與實踐、學與用、知識與能力之間爲學生搭建一個橋樑,使之成爲一個培養學生形成創造性科學思維和綜合應用知識能力的載體。在分析化學實驗中開設“設計性實驗”,正是在這種共識的基礎上所採取的重要措施[2]。國內多所高校在分析化學實驗中都不同程度地引入了“設計性實驗”,近年出版的分析化學實驗教材中幾乎都可以看到設計實驗的內容。2000年始,我們分析化學教研組開始了“設計性實驗”教學的探討。2004年,我們將這一教學形式寫進教學大綱,在全校所有開設分析化學實驗課的專業推廣,獲得了良好的教學效果。十幾年裏,我們在教學實踐中對“設計性實驗”的教學進行了全方位的研究並使其逐步完善。現將我們的工作介紹給大家並願意與同行們商榷。
1逐步完善“設計性實驗”課程執行模式
按照最初的課程設計,學生在完成了分析化學實驗基本技術訓練和驗證性實驗的基礎上,進入“設計性實驗”階段。我們精選了115個實驗題目並按其難度分爲三級,設計了循序漸進、由淺入深的“3步走”的實施模式。以化學專業爲例:第1步,學生在一級實驗題目(共10個)中選擇一個實驗,獨立完成實驗方案的設計,經指導教師批准後,提出所需試劑和備品,由實驗室負責備齊,於規定時間內完成實驗。一級實驗題目難度不大,一般爲單一組分的實際樣品分析。目的是透過這一實驗,使學生有機會對實際的分析工作有系統的瞭解。由於可能多人共題,大家可以相互討論、互相借鑑,在討論、模仿和借鑑之中,完成自己的實驗任務。實驗結束後,要求學生對自己的工作進行評價,討論得失,總結經驗。第2步:學生可在二級實驗題目(共12個)中選擇一個實驗,限定每題不超過4人,要求同題者應使用不同的測定方法完成實驗,但可以共同討論解決實驗中出現的問題。二級實驗題目皆爲混合物分析內容,學生需要從查閱資料入手,弄清實驗理論和干擾情況後設計出實驗方案。由於共題人數減少了,需要獨立思考的內容多了,實驗難度增加了。當學生全部完成實驗後,教師會通告試樣的相對真值,要求學生運用數理統計方法對實驗結果作出客觀評價,並分析產生誤差的原因。此實驗完成之後,學生對分析實驗的認識有了提高,基本掌握瞭解決一般分析問題的思路和方法。第3步是獨立設計實驗,具有考覈性質,要求學生獨立完成。內容則以學生前期知識儲備爲基礎,涉及定性分析、定量化學分析中的任何一種方法。三級題共93個,分爲A、B、C、D4個檔次,依A→D的順序難度增加。其中A:20題、B:25題、C:36題、D:12題,學生可在三級實驗題目中任選其一。選題後,學生透過2~3周準備時間,查閱資料、設計實驗方案、與指導教師討論實驗方案的可行性,獲得批准後進入實驗室。此階段實驗室對學生全面開放,學生可根據自己的情況預約實驗時間、可以申請使用實驗室所有的設備與試劑,指導教師與實驗教輔人員隨時會給學生必要的幫助。爲了讓學生能有更大的收穫,我們還建立了討論制度,在每個工作日,都會利用1h左右的時間,教師帶領全體同學對1天的工作進行總結。此時,學生可將自己在實驗中遇到的問題、困難提出請求幫助,也可以將自己的經驗和收穫與同學們分享,同學和指導教師可提出自己的意見供參考。實驗結束後1周內,學生應上交實驗報告,由指導教師根據學生的綜合表現評出其設計實驗得分,並單獨計入學生實驗課總成績。我們也鼓勵學生對自己感興趣的分析問題自命題,但要由教師考證難易程度後確定難度等級。設計實驗有效激發了學生的學習興趣和慾望,提高了學生運用知識和獨立解決問題的能力,對提高教與學的質量都有很好的促進作用。我們的初步實踐收到了良好的效果。同時,問題也突顯出來了,主要爲:①獨立設計實驗階段,雖然我們考慮到學生的興趣、知識基礎、實驗技術和能力等多方面的差異,設立了A、B、C、D4個檔次的預選題目,但由於大二年級的學生正處於學習任務較繁重的階段,學生時間投入有限,加之有的學生對成績的期待值不符合自身能力(各檔次題目得分不同),有部分同學需要超時完成,個別學生甚至不能完成實驗任務或實驗結果與相對真值差距較大。②指導教師在大約1個月的時間裏每天要在實驗室巡視和指導不同的實驗,工作強度大。實驗室與教輔人員要一直和學生同步運轉,工作時間和強度都遠超負荷。③1人1題的設計實驗太過強調了學生完成實驗的獨立性,部分學生在這種“孤立無援”的境地裏會過多的依靠教師,學生體會不到探索帶來的樂趣,甚至盼望着快點完成實驗勝利大逃亡。這在本質上並沒有解決如何啓迪學生科學思維和創新意識的問題,而“疲勞工作”甚至使個別學生“害怕”實驗,與我們建立這一教學模式的初衷相距甚遠。④由於教學計劃的調整,各專業用於設計性實驗僅有12~16學時,無法完成“3步走”的模式。這些問題不解決,教學模式再好,也只能是紙上的“研究成果”,無法推廣應用。2008年,我們再次對學生設計實驗題目進行了考察和精簡。透過篩選,確定了51個以學生前期知識儲備爲基礎、具有一定探索性的設計實驗題目,同時,根據實際應用特點增加了對分析結果評價的要求。據其難度劃分A、B、C3級,規定學生可2~3人同選一題。將原來的3步走變爲一步到位,使學生完成實驗的時間有了保證。爲了彌補減少了前2步帶來的缺陷,我們加強了經典實驗教學中的討論。爲促使學生主動學習和教學中的師生互動,自編了討論式分析實驗教學的電子課件,有計劃地將解決實際分析問題的方法、步驟等滲透到驗證性實驗的教學中,如查閱文獻資料、實驗方案的形成、試樣的製備、前處理、分析結果的評價等。在開學初開設“設計實驗知識講座”,使學生明確設計性實驗的性質、要求、選題須知等,並以教師的經驗和具體分析案例啓發學生進行實驗方案的設計。由於給學生考量的時間較充裕,學生可以透過查找資料,閱讀教材,參考實驗講義,根據自己的情況較合理地確定選題;還可在繼續進行的驗證性實驗中積累經驗、和同伴交流、與指導教師討論,使得實驗前的準備工作更充分。由於學生能夠較準確的提出所需備品,實驗室也有了足夠的時間做準備,實驗室人員也輕鬆了許多。學生進入實驗室後,工作更有秩序,遇到問題相互交流意見,共同探討解決途徑,實驗室內氣氛緊張、嚴肅、和諧,秩序井然。由於增加了對分析結果考察的內容,使學生真正從傳統的驗證實驗走進了實際分析工作。過去是做完實驗的學生追着老師問自己的分析結果是否合理,現在是學生自信的向老師彙報自己的工作已圓滿結束。學生對這樣的實驗課表現了高度的熱情,只要是有空閒時間,就會主動到實驗室來,實驗室成了學生展示自己能力的舞臺。特別是一些原來成績不好甚至不太認真學習的同學,爲了能在實驗小組裏起到一定的作用,會認真讀書,積極參與解決問題,這也許是最讓我們有成就感的結果。實驗結束後,大多數學生表示希望後續課程也有這樣做實驗的機會,有的同學甚至對分析實驗室戀戀不捨,認爲這裏是他“發現自己”的地方,我們開展設計性實驗的目的初步實現了。2個教學年度的實踐結果讓我們充分認識到:大學課程在傳授知識的同時更應注重培養學生的學習能力、解決問題的能力、交流能力、團隊合作能力和創新能力[3]。這些能力不是逼出來的,是學生在具有相應氛圍的文化環境中“悟”出來的。我們應該在實驗教學中爲學生營造一個有科學研究氣氛的學習環境,爲學生提供更多的創新機會,鍛鍊學生的創新行爲,激發學生參與創新的意識和熱情,培養他們的團隊協作精神以及創新所需要的頑強的意志品質和持之以恆的'精神。實踐讓我們真正的認識到“教學內容和教學形式是實現教學目標的基礎”,要使設計性實驗教學的設想轉變爲學生能力的提高,首先要求教師對自己所堅持的教學理念要有足夠的理解;其次是教學內容和形式要符合教學理念;最後還要有“以學生爲本”的教學管理方式。現在,學院領導特別爲我們增添了2臺微機,除了處理實驗數據外,學生在實驗中遇到問題可以隨時上網查詢。這增強了實驗室的研究性氛圍,使得學生對設計性實驗的參與熱情更高了,實驗的成功率大幅度提高。不僅如此,從學生實驗過程中所表現出的主動學習、積極工作、團結合作、認真求實的精神,克服困難、堅持到底的良好品德、對新知識的追求和創造的熱情中,我們感受到了改變傳統的教學模式與方法的重要性和“設計性實驗”的魅力。
2整理編撰“設計性實驗”教師參考資料庫
在實踐中我們體會到,如何開展“設計性實驗”的教學,怎樣使得“設計性實驗”在分析化學實驗的教學中真正開展起來,並非僅僅在教學計劃中添幾個設計性實驗題目那麼簡單。無須諱言,“設計性實驗”教學的操作難度較大,是否開設“設計性實驗”,與學校的教學硬件、有關教學管理部門重視程度有關,而能否開出“設計性實驗”,取決於實驗授課教師的個人能力、敬業精神和實驗教輔人員的合作精神等多種因素。“設計性實驗”題目隨機多樣,缺乏相應的教學指導性材料,學生提出的解決問題的方法可能超出教師的原有知識積累等因素,對教師個人能力的要求很高。即便是經驗豐富的教師,也需要足夠的精力投入才能及時發現學生實驗中存在的問題並給予恰當的指導。一個對分析化學理論理解不夠深入和缺乏教學投入及科學研究經驗的教師是無法勝任這種教學形式的。爲此,我們在完成本課題的過程中,及時總結,歸納整理了近幾年來對實驗題目的考察結果和學生的實驗記錄,整理編撰了教師用“設計性實驗”教學參考資料庫和“學生設計性實驗”檔案。任課教師可根據學生和教學條件等差異,在預選題庫中選用適當的“設計性實驗”題目,同時可以參考教師教學資料庫提供的資料和建議指導學生。教輔人員也可以從資料庫中瞭解所需備品的詳細情況等等,爲設計性實驗課的順利完成提供了很好的支援。
3建立學生成績考評標準
在教學活動中,學生成績的考評標準是不可或缺的。在我們的教學模式中,設計性實驗成績佔25%。正確評估學生在設計性實驗中的工作對教師的工作經驗和工作能力都提出了比傳統教學方法更高的要求。這是設計性實驗題目的多樣性、實驗的多途徑等特點決定的。因此,如何評價學生的工作是項艱難的任務。經過反覆研究,我們確定衡量學生完成設計性實驗的質量標準是:①設計方案的合理性。體現在學生設計方案中原理的正確性、知識的綜合運用程度、實驗方案的可行性。②個人在完成實驗中的貢獻。由於實驗可以小組的形式進行,對每個組員的能力與貢獻大小的評價是一個難題,這需要教師細緻入微的觀察和宏觀把握,最重要的是解決實驗問題的表現。③實驗報告的寫作和實驗結果的準確性。在此項,同組同學的最大差異表現在對實驗中探索性內容的討論,這是個性化程度較高的部分,這也是衡量實驗完成優劣的主要標準。評分標準大體化分如表1。教師在執行中應據“鼓勵創新、激勵創新”的原則具體把握。此外,我們將學生實驗預習得分由原來的預習報告得分改爲課前討論發言得分,從而有力地保證了爲設計實驗積累經驗的教學意圖。由於能力有限,我們的做法存在諸多不足,僅希望我們的工作能爲“設計性實驗”的實施提供實踐經驗,爲其在分析化學實驗教學中充分發揮作用“拋磚引玉”。