设计性化学教育研究
分析化学实验课是大学化学、化工、应用化学及与化学相关各专业的一门基础课程,它在将一个普通的大学生培养成为化学工作者的过程中起到了承启起后的作用[1]。分析化学实验课应致力于在理论与实践、学与用、知识与能力之间为学生搭建一个桥梁,使之成为一个培养学生形成创造性科学思维和综合应用知识能力的载体。在分析化学实验中开设“设计性实验”,正是在这种共识的基础上所采取的重要措施[2]。国内多所高校在分析化学实验中都不同程度地引入了“设计性实验”,近年出版的分析化学实验教材中几乎都可以看到设计实验的内容。2000年始,我们分析化学教研组开始了“设计性实验”教学的探讨。2004年,我们将这一教学形式写进教学大纲,在全校所有开设分析化学实验课的专业推广,获得了良好的教学效果。十几年里,我们在教学实践中对“设计性实验”的教学进行了全方位的研究并使其逐步完善。现将我们的工作介绍给大家并愿意与同行们商榷。
1逐步完善“设计性实验”课程运行模式
按照最初的课程设计,学生在完成了分析化学实验基本技术训练和验证性实验的基础上,进入“设计性实验”阶段。我们精选了115个实验题目并按其难度分为三级,设计了循序渐进、由浅入深的“3步走”的实施模式。以化学专业为例:第1步,学生在一级实验题目(共10个)中选择一个实验,独立完成实验方案的设计,经指导教师批准后,提出所需试剂和备品,由实验室负责备齐,于规定时间内完成实验。一级实验题目难度不大,一般为单一组分的实际样品分析。目的是通过这一实验,使学生有机会对实际的分析工作有系统的了解。由于可能多人共题,大家可以相互讨论、互相借鉴,在讨论、模仿和借鉴之中,完成自己的实验任务。实验结束后,要求学生对自己的工作进行评价,讨论得失,总结经验。第2步:学生可在二级实验题目(共12个)中选择一个实验,限定每题不超过4人,要求同题者应使用不同的测定方法完成实验,但可以共同讨论解决实验中出现的问题。二级实验题目皆为混合物分析内容,学生需要从查阅资料入手,弄清实验理论和干扰情况后设计出实验方案。由于共题人数减少了,需要独立思考的内容多了,实验难度增加了。当学生全部完成实验后,教师会通告试样的相对真值,要求学生运用数理统计方法对实验结果作出客观评价,并分析产生误差的原因。此实验完成之后,学生对分析实验的认识有了提高,基本掌握了解决一般分析问题的思路和方法。第3步是独立设计实验,具有考核性质,要求学生独立完成。内容则以学生前期知识储备为基础,涉及定性分析、定量化学分析中的任何一种方法。三级题共93个,分为A、B、C、D4个档次,依A→D的顺序难度增加。其中A:20题、B:25题、C:36题、D:12题,学生可在三级实验题目中任选其一。选题后,学生通过2~3周准备时间,查阅资料、设计实验方案、与指导教师讨论实验方案的可行性,获得批准后进入实验室。此阶段实验室对学生全面开放,学生可根据自己的情况预约实验时间、可以申请使用实验室所有的设备与试剂,指导教师与实验教辅人员随时会给学生必要的帮助。为了让学生能有更大的收获,我们还建立了讨论制度,在每个工作日,都会利用1h左右的时间,教师带领全体同学对1天的工作进行总结。此时,学生可将自己在实验中遇到的问题、困难提出请求帮助,也可以将自己的经验和收获与同学们分享,同学和指导教师可提出自己的意见供参考。实验结束后1周内,学生应上交实验报告,由指导教师根据学生的综合表现评出其设计实验得分,并单独计入学生实验课总成绩。我们也鼓励学生对自己感兴趣的分析问题自命题,但要由教师考证难易程度后确定难度等级。设计实验有效激发了学生的学习兴趣和欲望,提高了学生运用知识和独立解决问题的能力,对提高教与学的质量都有很好的促进作用。我们的初步实践收到了良好的效果。同时,问题也突显出来了,主要为:①独立设计实验阶段,虽然我们考虑到学生的兴趣、知识基础、实验技术和能力等多方面的差异,设立了A、B、C、D4个档次的预选题目,但由于大二年级的学生正处于学习任务较繁重的阶段,学生时间投入有限,加之有的学生对成绩的期待值不符合自身能力(各档次题目得分不同),有部分同学需要超时完成,个别学生甚至不能完成实验任务或实验结果与相对真值差距较大。②指导教师在大约1个月的时间里每天要在实验室巡视和指导不同的实验,工作强度大。实验室与教辅人员要一直和学生同步运转,工作时间和强度都远超负荷。③1人1题的设计实验太过强调了学生完成实验的独立性,部分学生在这种“孤立无援”的境地里会过多的依靠教师,学生体会不到探索带来的乐趣,甚至盼望着快点完成实验胜利大逃亡。这在本质上并没有解决如何启迪学生科学思维和创新意识的问题,而“疲劳工作”甚至使个别学生“害怕”实验,与我们建立这一教学模式的初衷相距甚远。④由于教学计划的调整,各专业用于设计性实验仅有12~16学时,无法完成“3步走”的模式。这些问题不解决,教学模式再好,也只能是纸上的“研究成果”,无法推广应用。2008年,我们再次对学生设计实验题目进行了考察和精简。通过筛选,确定了51个以学生前期知识储备为基础、具有一定探索性的设计实验题目,同时,根据实际应用特点增加了对分析结果评价的要求。据其难度划分A、B、C3级,规定学生可2~3人同选一题。将原来的3步走变为一步到位,使学生完成实验的时间有了保证。为了弥补减少了前2步带来的缺陷,我们加强了经典实验教学中的讨论。为促使学生主动学习和教学中的师生互动,自编了讨论式分析实验教学的电子课件,有计划地将解决实际分析问题的方法、步骤等渗透到验证性实验的教学中,如查阅文献资料、实验方案的形成、试样的制备、前处理、分析结果的评价等。在开学初开设“设计实验知识讲座”,使学生明确设计性实验的性质、要求、选题须知等,并以教师的经验和具体分析案例启发学生进行实验方案的设计。由于给学生考量的时间较充裕,学生可以通过查找资料,阅读教材,参考实验讲义,根据自己的情况较合理地确定选题;还可在继续进行的验证性实验中积累经验、和同伴交流、与指导教师讨论,使得实验前的准备工作更充分。由于学生能够较准确的提出所需备品,实验室也有了足够的时间做准备,实验室人员也轻松了许多。学生进入实验室后,工作更有秩序,遇到问题相互交流意见,共同探讨解决途径,实验室内气氛紧张、严肃、和谐,秩序井然。由于增加了对分析结果考察的内容,使学生真正从传统的验证实验走进了实际分析工作。过去是做完实验的学生追着老师问自己的分析结果是否合理,现在是学生自信的向老师汇报自己的工作已圆满结束。学生对这样的实验课表现了高度的热情,只要是有空闲时间,就会主动到实验室来,实验室成了学生展示自己能力的舞台。特别是一些原来成绩不好甚至不太认真学习的同学,为了能在实验小组里起到一定的作用,会认真读书,积极参与解决问题,这也许是最让我们有成就感的结果。实验结束后,大多数学生表示希望后续课程也有这样做实验的机会,有的同学甚至对分析实验室恋恋不舍,认为这里是他“发现自己”的地方,我们开展设计性实验的目的初步实现了。2个教学年度的实践结果让我们充分认识到:大学课程在传授知识的同时更应注重培养学生的学习能力、解决问题的能力、交流能力、团队合作能力和创新能力[3]。这些能力不是逼出来的,是学生在具有相应氛围的文化环境中“悟”出来的。我们应该在实验教学中为学生营造一个有科学研究气氛的学习环境,为学生提供更多的创新机会,锻炼学生的创新行为,激发学生参与创新的意识和热情,培养他们的团队协作精神以及创新所需要的顽强的意志品质和持之以恒的'精神。实践让我们真正的认识到“教学内容和教学形式是实现教学目标的基础”,要使设计性实验教学的设想转变为学生能力的提高,首先要求教师对自己所坚持的教学理念要有足够的理解;其次是教学内容和形式要符合教学理念;最后还要有“以学生为本”的教学管理方式。现在,学院领导特别为我们增添了2台微机,除了处理实验数据外,学生在实验中遇到问题可以随时上网查询。这增强了实验室的研究性氛围,使得学生对设计性实验的参与热情更高了,实验的成功率大幅度提高。不仅如此,从学生实验过程中所表现出的主动学习、积极工作、团结合作、认真求实的精神,克服困难、坚持到底的良好品德、对新知识的追求和创造的热情中,我们感受到了改变传统的教学模式与方法的重要性和“设计性实验”的魅力。
2整理编撰“设计性实验”教师参考资料库
在实践中我们体会到,如何开展“设计性实验”的教学,怎样使得“设计性实验”在分析化学实验的教学中真正开展起来,并非仅仅在教学计划中添几个设计性实验题目那么简单。无须讳言,“设计性实验”教学的操作难度较大,是否开设“设计性实验”,与学校的教学硬件、有关教学管理部门重视程度有关,而能否开出“设计性实验”,取决于实验授课教师的个人能力、敬业精神和实验教辅人员的合作精神等多种因素。“设计性实验”题目随机多样,缺乏相应的教学指导性材料,学生提出的解决问题的方法可能超出教师的原有知识积累等因素,对教师个人能力的要求很高。即便是经验丰富的教师,也需要足够的精力投入才能及时发现学生实验中存在的问题并给予恰当的指导。一个对分析化学理论理解不够深入和缺乏教学投入及科学研究经验的教师是无法胜任这种教学形式的。为此,我们在完成本课题的过程中,及时总结,归纳整理了近几年来对实验题目的考察结果和学生的实验记录,整理编撰了教师用“设计性实验”教学参考资料库和“学生设计性实验”档案。任课教师可根据学生和教学条件等差异,在预选题库中选用适当的“设计性实验”题目,同时可以参考教师教学资料库提供的资料和建议指导学生。教辅人员也可以从资料库中了解所需备品的详细情况等等,为设计性实验课的顺利完成提供了很好的支持。
3建立学生成绩考评标准
在教学活动中,学生成绩的考评标准是不可或缺的。在我们的教学模式中,设计性实验成绩占25%。正确评估学生在设计性实验中的工作对教师的工作经验和工作能力都提出了比传统教学方法更高的要求。这是设计性实验题目的多样性、实验的多途径等特点决定的。因此,如何评价学生的工作是项艰难的任务。经过反复研究,我们确定衡量学生完成设计性实验的质量标准是:①设计方案的合理性。体现在学生设计方案中原理的正确性、知识的综合运用程度、实验方案的可行性。②个人在完成实验中的贡献。由于实验可以小组的形式进行,对每个组员的能力与贡献大小的评价是一个难题,这需要教师细致入微的观察和宏观把握,最重要的是解决实验问题的表现。③实验报告的写作和实验结果的准确性。在此项,同组同学的最大差异表现在对实验中探索性内容的讨论,这是个性化程度较高的部分,这也是衡量实验完成优劣的主要标准。评分标准大体化分如表1。教师在执行中应据“鼓励创新、激励创新”的原则具体把握。此外,我们将学生实验预习得分由原来的预习报告得分改为课前讨论发言得分,从而有力地保证了为设计实验积累经验的教学意图。由于能力有限,我们的做法存在诸多不足,仅希望我们的工作能为“设计性实验”的实施提供实践经验,为其在分析化学实验教学中充分发挥作用“抛砖引玉”。
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