以基本科學素養為核心的無機及分析化學實驗混合式教學實踐

單麗偉，余瑞金，蒲亮，王文己，郁堯，龔寧

西北農林科技大學化學與藥學院，陜西 楊凌 712100

什么是科學素養？科學素養是個體或群體在學習和應用科學知識過程中養成的內在品質，是自覺運用科學知識、科學方法認識、解釋和解決實際問題的內在驅動力。美國學者米勒將科學素養的內涵歸結為三個方面[1,2]：(1) 對以科學概念和科學術語為核心的科學知識的了解與理解。(2) 對科學研究過程和科學方法的理解和掌握。(3) 認識并了解科學技術對個人和社會生活的影響?？萍紕撔率球寗尤祟惿鐣M步的核心動力，提升全民科學素養是創新型社會發展的必然要求。作為未來社會的主人公和建設者，提升大學生科學素養已成為當代大學生教育的核心目標。

無機及分析化學實驗是農林類高校多數專業開設的必修基礎課，也是大學生接觸的第一門化學類實驗課。該課程不僅承擔著加深理論知識理解、增強專業實驗理論和基本實驗技能學習的職責，同時也肩負著培養大學生基本科學素養的職責。因而，以基本科學素質養成為核心目標，改革無機及分析化學實驗課程教學內容和教學模式、提高課程教學質量，對農林類高校大學生培養質量的提升具有重要意義。

1 無機及分析化學實驗教學中存在的問題及對策

教學過程未能突出“以學生為中心，提升基本科學素養”的教學理念。在傳統實驗教學過程中，學生經常處于被動角色，按部就班、甚至應付式完成實驗課。古希臘哲學家蘇格拉底說“教育不是灌輸知識，而是點燃火焰”，因而以“學生為中心”激發學生的學習興趣，提高學生的自主學習能力已成為當前教育模式改革的重中之重[3]。如前所述，提升科學素養已成為當代大學生教育的核心目標。事實上，實驗課堂是培養學生基本科學素養的理想場所，特別是對科學研究過程和科學方法的理解和掌握。如何觀察記錄實驗現象、分析數據、推導歸納結論、撰寫實驗報告、開展團隊協作等均是科學素養提升的重要環節。在以往的實驗教學中我們也強調實驗技能的培養，但實驗技能只是科學素養的一部分。要解決上述問題，需要對課程內容進行重新審視和規劃、通過教學資源的精心制作、教學模式的合理運用、教學流程和課程評價的嚴格執行，才能最終培養出具備基本科學素養的專業人才。

學生學習基礎和教師授課能力參差不齊。西北農林科技大學每年參加該課程學習的學生約3000人，他們來自12個學院的24個專業，具有不同學習背景，對實驗課的接觸和了解程度有很大差異，因而學習和掌握實驗原理和實驗技能的快慢有很大落差。同時，該課程專職教師人數相對不足，需要聘請相關專業教師及研究生參與教學，部分代課教師對教學內容理解不到位，教學要求和成績評定標準不統一，造成教學效果參差不齊。對于前者需要建設并充分利用網絡教學資源，以便學生根據自己的能力和節奏進行學習。對于后者則迫切需要建立一套標準化的實驗教學體系，實現教學內容、教學模式和課程評價體系的統一。

2 課程內容的改革與設計

為了融匯“以學生為中心，提升基本科學素養”的教學理念，適應線上線下混合式教學的特點[4,5]，我們對無機及分析化學實驗教學內容進行了重新設計。本實驗課程計劃48學時，其中線上教學內容8學時，包括實驗安全教育、實驗數據處理、原子分子結構虛擬仿真三部分。線上線下混合教學內容40學時，包括物質性質、滴定分析、儀器分析、分離純化等實驗，具體安排見表1。通過上述實驗，不僅培養學生基本實驗操作技能和實驗數據處理與報告撰寫能力，同時潛移默化地提高學生的科學素養。不同類型的實驗對科學素養的養成具有一定的針對性，如物質性質實驗注重培養學生觀察記錄實驗的能力；定量分析實驗注重培養嚴謹求實、精益求精的實驗作風；實事求是、團隊合作、安全意識和環保意識的培養則貫穿在實驗教學的各個環節。

表1 無機及分析化學實驗課程內容設計

3 課程資源建設

以重新規劃后的課程內容為基礎進行網絡教學資源建設。制作無機及分析化學實驗教學課件16個(圖1)；并錄制對應的授課視頻，視頻時長為5-20 min，便于學生課前自主在線學習。錄制實驗基本操作和常規實驗儀器使用視頻25個，包括常規儀器(滴定管、移液管、容量瓶、分析天平、分光光度計、酸度計等)使用及基本實驗操作(溶液配制、離心操作、滴定操作、稱量操作、半滴?？?、常壓過濾、減壓過濾等)；構建了以選擇題、判斷題、簡答題為主要題型的試題庫(圖1)，一共包括1072道測試題，覆蓋了實驗室安全知識、實驗數據處理、儀器使用、基本操作及每個實驗的具體內容。根據以往的教學經驗，針對每一個實驗設計討論題、思考題及實驗案例，利用討論題目開展課堂小組討論，撰寫報告時完成思考題和實驗案例，對實驗進行總結和反思。將上述各種素材整合放入超星學習通教學平臺[6,7]，以便教師展開線上線下混合教學。

圖1 超星學習通網絡教學平臺建設

4 線上線下混合教學實踐

理論課可采用線上教學(如中國大學慕課)、線上線下混合教學或線下教學，實驗課則更適合線上線下混合式教學或線下教學[8-10]。2018-2019年，我們在部分班級中開展無機及分析化學實驗課程的線上線下混合式教學，2020年則利用超星學習通平臺將該教學模式推廣到全校92個教學班。授課前首先建立班級QQ群，以便教師和學生溝通，發布課程公告，開展課程直播；學生利用學習通進行在線學習、觀看操作視頻、開展線上討論、完成在線練習和測試、提交實驗報告等。本實驗課程共安排了11次課，其中課程介紹及安全知識教育、數據處理、虛擬仿真三次課通過線上教學完成，采用學生自主學習或網絡直播方式開展；其他8次實驗課均采用線上線下混合式教學。

線上線下混合式教學的實施包括三個環節：課前預習、課堂學習和課后提升。課前預習環節中，需要學生自主閱讀實驗指導書、觀看相關實驗講授視頻和操作視頻、完成在線預習測試并撰寫預習報告。課堂學習環節中，教師首先檢查學生的預習效果，然后講解實驗重點難點及實驗操作注意事項，演示關鍵的操作流程和儀器使用方法；如若對實驗原理或操作細節存在疑問，學生可通過學習通平臺或掃描教材上的二維碼觀看相關視頻；然后學生進行自主實驗，認真觀察實驗現象并如實記錄實驗數據，完成規定實驗內容；教師則及時糾正學生的錯誤操作，同時協助學生找出錯誤原因并記錄學生的實驗表現；實驗完成后，學生須經教師檢查后將實驗原始數據、圖片及視頻資料上傳網絡教學平臺；師生共同討論實驗中出現的問題，并總結經驗教訓。實驗課后，學生須及時分析處理數據，得出實驗結果及結論，總結實驗心得和收獲，按時完成并在線提交實驗報告，完成學習效果評價在線測試；教師則須完成實驗報告評價，及時反饋督促學生糾錯。課程內容的改革和線上線下混合式教學模式的運用極大地激發了學生的自主學習熱情，在線視頻和在線測試的參與度達到了92%以上(圖2)。由于課前的充分預習及實驗操作與儀器使用視頻觀看的便捷性，學生對實驗原理理解的透徹性和實驗操作技能的規范性均優于以往。

圖2 不同實驗班在線學習參與度比較

建立統一的實驗課程考核標準是實現教學目標的重要一環。實驗課程成績的評價不同于理論教學，無法僅通過考試完成，更應該注重過程性評價。如何實現過程性評價一直是個難題，線上線下混合式教學和各種新興教育技術的應用使過程性評價的量化成為可能。我們初步建立了該實驗課成績考核標準，該標準包括在線學習(15%)、在線測試(15%)、實驗操作(40%)和實驗報告(30%)四部分內容(圖3)。前兩部分可通過網絡教學資源的使用度和在線測試成績綜合給出。實驗操作水平和實驗報告評價則以相應的評分細則由任課教師給出，實現課程評價體系的標準化和客觀性。

圖3 實驗成績考核標準

5 科學素養在實驗課程中的融會貫通

在課程改革實踐中，我們將“提升科學素養”這一核心目標融匯在實驗課程內容規劃、新形態教材建設[11]、課程資源建設、線上線下混合教學的各個環節。如前所述，科學素養的內涵包括三個方面，其中以科學概念和科學術語為核心的科學知識的掌握主要通過理論教學完成；科學研究過程和科學方法的理解和掌握則主要通過實驗課和實踐來實現；科技對個人和社會的影響則需要在理論課、實驗課和實踐中不斷強化。也有學者根據上述內涵，將科學素養的組成歸結為三個同心圓[12]，其中最核心的是科學精神、態度和科學觀，中間部分是科學知識、技能、方法和能力，最外圍是科學行為和習慣。

數據的采集與處理是科學素養培養的重要環節。下面以定量分析實驗中有效數字及數據處理為例，說明如何引導學生具備“量”的意識，將有效數字取舍及數據處理訓練貫穿定量分析實驗始終。實驗課前要求學生在線學習有效數字及數據處理相關內容，完成相關知識測試，初步掌握有效數字的定義、取舍原則及運算規則，以及數據的正確讀取、記錄及分析處理方法。在實驗課堂教學中，任課教師通過自己或學生示范，強調數據采集及記錄方法，如樣品稱量過程中的數據記錄、滴定分析中滴定管的讀法、分光光度計和pH計的數值讀取等；同時學生也可通過掃描實驗教材上的二維碼反復查看儀器使用方法和數據采集技巧。實驗操作過程中，教師會隨時糾錯并對學生的各種疑問進行解答。實驗結束，學生須將自己的實驗數據記錄本交給教師進行檢查，教師檢查后在線提交數據；如果實驗數據不可用，則要求學生重新補做實驗。課后學生將實驗報告提交至學習通平臺，教師將數據記錄處理結果作為實驗報告考核的主要指標，并及時將問題反饋給學生并要求學生進行修改補充。通過反復的練習和強化，使學生的“量化”意識和技能成為一種自覺習慣。

在實驗教學環節中，我們首先要求學生以事實為依據，不斷強化實事求是、勇于創新、精益求精的科學精神。其次，通過實驗課教學過程使學生了解科學研究的基本過程，培養科學的行為方式和思維模式，掌握科學研究的基本方法和技能。同時，科學技術是把雙刃劍，不合理、不恰當和惡意的使用會給人類帶來災難。作為科學素養的一部分，我們在實驗課程中不斷強化學生的安全意識和環保意識。要求學生實驗后對產生廢液的組分進行分析，并對實驗廢水進行初步處理和處置，讓安全和環保意識滲透到教學的各個環節，不斷增強學生的社會責任感。

6 結語

大學教育的目標不僅是知識和技能的傳授，更重要的是良好專業和科學素養的塑造。無機及分析化學實驗課是高等院校理工農醫類專業開設的必修基礎課，也是大學生接觸的第一門化學類實驗課，是從頭培養學生基本專業和科學素養的重要課堂。我們通過數年的探索實踐，將線上線下混合式教學應用于無機及分析化學實驗課，將科學素養的提升貫穿在實驗課教學的各個環節，實現了教材、教學資源的疊加式改進，激發了學生學習的主動性和熱情，顯著提升了學生科學素養和實驗教學效果。