以方法為中心的實(shí)驗(yàn)教學(xué)

李天安

(西南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 重慶400715)

戴安邦先生的名言“實(shí)驗(yàn)教學(xué)是實(shí)施全面化學(xué)教育的有效形式”［1］曾經(jīng)多次被人們引用來論證實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中的重要性。實(shí)際上，如何實(shí)現(xiàn)“全面”和“有效”這兩個(gè)關(guān)鍵詞的核心問題是實(shí)驗(yàn)教學(xué)究竟應(yīng)該教什么，學(xué)生應(yīng)該從中學(xué)什么。

1 實(shí)驗(yàn)的科學(xué)功能

所謂現(xiàn)代科學(xué)，不僅指科學(xué)知識(shí)本身，還包括認(rèn)識(shí)科學(xué)知識(shí)的過程和方法?；瘜W(xué)與任何學(xué)科一樣，也是由兩大體系構(gòu)成，一是用于闡明研究對(duì)象自然規(guī)律的理論體系，它反映了人類在本學(xué)科的知識(shí)積累;二是用于揭示自然規(guī)律的方法論體系，它推動(dòng)學(xué)科理論的發(fā)展，并利用這些規(guī)律造福人類。兩大體系缺一不可。

那么，實(shí)驗(yàn)在化學(xué)學(xué)科中究竟發(fā)揮著什么作用呢?簡略地說，至少應(yīng)當(dāng)具有以下4大功能［2-3］:

(1)發(fā)現(xiàn)功能:實(shí)驗(yàn)是獲得化學(xué)事實(shí)原始素材的基本途徑。可以說，書本知識(shí)是前人告之他們的發(fā)現(xiàn)，而實(shí)驗(yàn)就是我們自己去發(fā)現(xiàn)。

(2)舉證功能:無論是已有化學(xué)規(guī)律的重現(xiàn)，還是先于實(shí)驗(yàn)的理論假說，都必須由實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證。對(duì)學(xué)生而言，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和鞏固理論知識(shí)也是必需的。

(3)創(chuàng)新功能:通過實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)和合成新物質(zhì)，揭示物質(zhì)世界的規(guī)律，豐富和推動(dòng)化學(xué)理論和分支學(xué)科的建立和發(fā)展;探索物質(zhì)世界奧秘的實(shí)驗(yàn)需求，不斷推進(jìn)儀器、裝置等實(shí)驗(yàn)手段的進(jìn)步。

(4)創(chuàng)造功能:實(shí)驗(yàn)具有規(guī)模小、周期短、花錢少等優(yōu)點(diǎn)，有利于模擬工業(yè)生產(chǎn)過程，為生產(chǎn)提供流程設(shè)計(jì)、工藝優(yōu)化的基本原理和技術(shù)參數(shù)。

所以，實(shí)驗(yàn)作為化學(xué)研究方法論的核心，在學(xué)科發(fā)展和解決實(shí)際問題中起著舉足輕重的作用。因此，實(shí)驗(yàn)室不能簡單地等同于教室，實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容也并非就是知識(shí)。

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的方法

人們解決實(shí)際問題的過程可以概括為“三步法”，即確定命題→設(shè)計(jì)方案→組織實(shí)施。命題的確定需要?jiǎng)佑靡磺锌赡艿闹R(shí)儲(chǔ)備來分析問題，強(qiáng)烈地體現(xiàn)了決策者的學(xué)科背景，如決定物理改性還是化學(xué)改性。而且，不是所有具有同一學(xué)科背景和知識(shí)儲(chǔ)備的人都可以科學(xué)地發(fā)現(xiàn)命題。

解決命題的方案可以有多種，如共聚和單體修飾都屬于化學(xué)改性。因此，決策者需要在不同方案間權(quán)衡，選擇最恰當(dāng)?shù)姆桨浮男睦砘顒?dòng)規(guī)律而言，只有對(duì)反應(yīng)原理的深刻理解、對(duì)材料性能的充分把握和對(duì)現(xiàn)有條件的全面分析才能比較出各種方案的適宜度，做出科學(xué)的決策。

同一個(gè)反應(yīng)可以用不同的手段來推動(dòng)，不同的技術(shù)可能會(huì)得到不同的反應(yīng)速率、副產(chǎn)物，也會(huì)有不同的條件需求和成本。因此，組織實(shí)施的執(zhí)行力反映了決策者技術(shù)方法的水平，同樣也是對(duì)決策者腦力的檢驗(yàn)。

知識(shí)是前人解決昨天問題的產(chǎn)物，在信息源極大豐富的當(dāng)今時(shí)代要獲取知識(shí)并不難，但它并不能提供今天問題的解決方案。原創(chuàng)永遠(yuǎn)“學(xué)”不來。動(dòng)手能力在解決問題的過程中僅占有極小的份額，況且大學(xué)生既不可能也無必要在校受訓(xùn)以達(dá)到與生產(chǎn)一線員工同樣的操作熟練程度。所以，實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容絕不僅僅限于知識(shí)和動(dòng)手能力，要“教”要“學(xué)”的是分析問題、解決問題的能力，也就是上述的“方法”。這就是以“方法”為中心的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。從這個(gè)意義來講，實(shí)驗(yàn)室更是思維訓(xùn)練的場(chǎng)所。

從心理活動(dòng)的性質(zhì)來看，方法有不同層面。思想方法是人心理中最高級(jí)、最抽象的活動(dòng);是發(fā)現(xiàn)命題、論證命題，解決之后再發(fā)現(xiàn)新命題的邏輯能力，即所謂專業(yè)“眼光”。

思維方法體現(xiàn)的是人心理中形象思維和抽象思維的協(xié)調(diào)活動(dòng)。命題求解需要方案和路線圖。即使在科技高度發(fā)達(dá)的今天，自然事物命題的“解”也極少是顯現(xiàn)的、唯一的。因而針對(duì)具體命題去尋求、評(píng)價(jià)和選擇解決方案不僅需要有學(xué)科知識(shí)支撐，更要有綜合和交叉運(yùn)用的能力。

技術(shù)方法屬于人心理活動(dòng)的形象思維范疇。根據(jù)實(shí)際情況和條件，評(píng)價(jià)和選擇現(xiàn)有技術(shù)手段來“求”自然事物命題的解需要有信息收集和綜合分析的能力。當(dāng)今科技的發(fā)展大大地豐富了工具和技術(shù)，甚至其構(gòu)建的科學(xué)原理也可能不同，從而使得選擇更需要能力、水平或素質(zhì)。有時(shí)，成敗不在方案，而在手段。

所以，不論從哪個(gè)層面來看，“方法”就是評(píng)判的思路、選擇的思路、執(zhí)行的思路，它具有鮮明的學(xué)科性，受認(rèn)知范圍的強(qiáng)烈局限;同時(shí)又具有寬泛的普適性，貫穿了超越本學(xué)科的學(xué)識(shí)水平，是跨文理的科學(xué)素養(yǎng)、解決實(shí)際問題的潛能。

3 教學(xué)中的方法實(shí)施

實(shí)驗(yàn)課程是由若干項(xiàng)目構(gòu)成的。習(xí)慣上把實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目劃分成基礎(chǔ)、提高(綜合、設(shè)計(jì)、應(yīng)用)和研究創(chuàng)新3種類型。一般而言，研究型和提高型實(shí)驗(yàn)至少可以完成前述解決實(shí)際問題“三步法”中的兩步，對(duì)學(xué)生思維能力的訓(xùn)練作用是不言而喻的。困難的是基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)。通常，基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)多為經(jīng)典項(xiàng)目，條件要求相對(duì)較低，操作容易，也更多地被選用來驗(yàn)證知識(shí)。因此，改造基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)為思維訓(xùn)練更加迫切。

仔細(xì)分析一些經(jīng)典實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目可以發(fā)現(xiàn)，它們實(shí)際上是“三步法”的最后一步，是前人分析和解決問題時(shí)整個(gè)思維過程的最后環(huán)節(jié)。因此，只需重現(xiàn)當(dāng)年的解決過程即可打開學(xué)生視野，盡顯思維魅力。圖1就是一個(gè)實(shí)例。

相對(duì)分子(原子)質(zhì)量的常規(guī)測(cè)定通常被安排在物理化學(xué)或無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)之中，可供選擇的項(xiàng)目很多，然而都是“驗(yàn)證”性的。這些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中的任何一個(gè)都包含了針對(duì)特定的物質(zhì)類型選擇不同的檢測(cè)技術(shù)和設(shè)計(jì)獨(dú)特實(shí)驗(yàn)裝置的科學(xué)思維，所有項(xiàng)目的共性都是通過測(cè)算被測(cè)物質(zhì)的物質(zhì)單元“個(gè)體”數(shù)來求得物質(zhì)的量，再與質(zhì)量一起計(jì)算出相對(duì)質(zhì)量，完全遵循相對(duì)分子(原子)質(zhì)量的基本定義。所以，實(shí)驗(yàn)中需要“教”的顯然不能局限在某個(gè)項(xiàng)目本身的原理、操作要領(lǐng)、儀器使用技術(shù)和結(jié)果上，重要的是要使學(xué)生體會(huì)到在確定一種基本方法去解決實(shí)際命題之后，如何選擇技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的思維過程。

圖1 相對(duì)分子(原子)質(zhì)量測(cè)定實(shí)驗(yàn)的教學(xué)設(shè)計(jì)

教師課前的教學(xué)設(shè)計(jì)是通過教學(xué)研究，由“項(xiàng)目”總結(jié)出“技術(shù)”，再歸納到“方法”的過程。其中“技術(shù)”層面的“應(yīng)用”和“原理”兩個(gè)子層面的歸納是重要的，在此過程中，抽象掉了具體實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的內(nèi)容，使之上升到了理性的高度。

圖2是另一個(gè)教學(xué)設(shè)計(jì)思路?？梢詮那叭艘呀?jīng)歸納出的技術(shù)入手，由“技術(shù)”匯聚到“方法”，再推衍到應(yīng)用。

圖2 黏度測(cè)定實(shí)驗(yàn)的教學(xué)設(shè)計(jì)

本院從2006級(jí)開始探索在化學(xué)專業(yè)本科低年級(jí)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程中嘗試這種教學(xué)方法，學(xué)生能夠適應(yīng)，反響積極［4］。教師沿“教學(xué)研究”箭頭所指方向備課，并把這個(gè)過程和結(jié)論的線索寫入實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書。教學(xué)按“教學(xué)實(shí)施”箭頭所指自左向右進(jìn)行。學(xué)生課前被要求對(duì)照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書中的線索查閱資料，發(fā)現(xiàn)和理解整體技術(shù)狀況、方法和核心原理;根據(jù)所給物質(zhì)的性質(zhì)等條件由方法選擇出技術(shù)，再從操作角度分析實(shí)現(xiàn)該技術(shù)的實(shí)驗(yàn)條件和操作要領(lǐng)。學(xué)生的預(yù)習(xí)報(bào)告需要寫出具體的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，且必須說明選擇該技術(shù)的理由。只要實(shí)驗(yàn)室條件許可，就可把實(shí)驗(yàn)室按技術(shù)類別劃分為一些區(qū)域，學(xué)生按所選技術(shù)對(duì)號(hào)入座完成實(shí)驗(yàn)。課后各技術(shù)組之間交流心得并撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

這種教學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)質(zhì)上擯棄了傳統(tǒng)的以“項(xiàng)目”為中心的模式，而改用“方法”來統(tǒng)領(lǐng)“項(xiàng)目”，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目僅僅是體驗(yàn)“方法”的手段。選擇什么項(xiàng)目并不重要，即使是經(jīng)典實(shí)驗(yàn);關(guān)鍵是讓學(xué)生經(jīng)歷“過程”而不是“結(jié)果”，重在訓(xùn)練思維而不局限在個(gè)別操作上。

這種教學(xué)模式強(qiáng)化了對(duì)知識(shí)的掌握。學(xué)生經(jīng)歷了對(duì)前人創(chuàng)造知識(shí)和技術(shù)過程的重現(xiàn)、針對(duì)具體事物的獨(dú)立思考和自己動(dòng)手實(shí)踐驗(yàn)證，獲得了除理論知識(shí)之外更豐富的認(rèn)知訓(xùn)練，對(duì)方法的內(nèi)涵和外延有了更深刻的理性認(rèn)識(shí)，是一個(gè)“魚”、“漁”兼授的過程。

這種思路下的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目很容易實(shí)現(xiàn)綜合化，而且是高于項(xiàng)目水平的一種“綜合”。事實(shí)上，生產(chǎn)生活中的化學(xué)問題都不一定非用一個(gè)唯一的技術(shù)來解決，但解決問題的關(guān)鍵總是存在的。而要做到這一點(diǎn)，對(duì)各種可用的備選方法的深刻了解和融會(huì)貫通是必須的。因此，如何剖析問題、找出主要矛盾，并用一系列輔助措施(技術(shù))來保證整體的成功是學(xué)生今后最基本的工作素質(zhì)。

教學(xué)不再是孤立的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，而是解決一類問題的思路，即對(duì)解決一個(gè)問題的思維過程的把握。教學(xué)展現(xiàn)在學(xué)生面前的不再是一個(gè)“死”的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和預(yù)先暗示的實(shí)驗(yàn)結(jié)論，而是對(duì)該方法所運(yùn)用的化學(xué)知識(shí)的全面了解和該方法對(duì)生產(chǎn)生活實(shí)際的“活”的價(jià)值。只有解決問題的思路才是學(xué)生今后工作的看家本領(lǐng)。盡管學(xué)生在理解該方法的內(nèi)涵、化學(xué)知識(shí)的掌握和訪問的信息源之間有深淺，從實(shí)驗(yàn)中得到的感悟和體會(huì)有不同，但這并不妨礙對(duì)“方法”的理解，其差異主要表現(xiàn)在方法的外延。教學(xué)中是允許存在這種差異的。

在實(shí)際實(shí)施中，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目數(shù)可能減少，但由于把教學(xué)各方面的教育功能有機(jī)地結(jié)合了起來，通過強(qiáng)化過程控制，把教學(xué)目標(biāo)貫穿在整個(gè)過程中，更有利于教學(xué)目標(biāo)的內(nèi)化。

4 結(jié)語

綜上所述，實(shí)驗(yàn)在化學(xué)學(xué)科發(fā)展和解決實(shí)際問題中具有不可替代的作用，因而成為學(xué)科教育教學(xué)中的重要形式。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)進(jìn)程中貫穿的思想思維方法反映了人的認(rèn)知規(guī)律，是實(shí)驗(yàn)課程中最重要、最核心的教學(xué)內(nèi)容。正因?yàn)槿绱耍瑢?shí)驗(yàn)教學(xué)可以超越學(xué)科研究技術(shù)教育的范疇，成為學(xué)校教育中集科學(xué)素質(zhì)和人文素養(yǎng)培養(yǎng)為一體的教學(xué)形式。

［1］戴安邦.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，1994(3):1

［2］本書編委會(huì).化學(xué)方法論.杭州:浙江教育出版社，1989

［3］劉知新.化學(xué)實(shí)驗(yàn)論.南寧:廣西教育出版社，1996

［4］彭秧，李天安，蔣曉慧，等.化學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)Ⅱ.重慶:西南師范大學(xué)出版社，2007