貫穿論文式實驗報告的綜合能力培養教學實踐

田東亮，楊青林，劉克松，朱英

北京航空航天大學化學學院，北京 100191

新形勢下，具有創新、創業、創造能力的高素質人才是解決國家發展重大戰略需求的關鍵。建立和健全人才培養機制和創新教育課程體系是培養扎根中國大地的一流人才的重要保障。化學作為最重要的基礎科學之一，在人類生存和社會發展進步中具有重要意義。實驗是化學的基礎和生命，在揭示化學本質中起到了重要的作用。實驗教學是提高學生動手能力、培養學生科學素質和綜合創新能力的關鍵環節，對培養德智體美勞全面發展的人才具有重要意義[1–3]。物理化學實驗通常在化學類相關專業本科生高年級開設，是建立在“四大化學”中無機化學、分析化學、有機化學知識及其實驗基礎上理論聯系實際應用的高階課程[4–7]。實驗課程的開設中最重要的兩部分就是實驗操作和實驗報告撰寫。毋庸置疑，實驗操作是培養學生動手能力和科學素養的重要過程，而實驗報告的撰寫不僅是學生對實驗教學過程的觀察記錄、分析討論、歸納總結和整體把握，而且是強化實驗操作能力、加強學生自主分析并解決復雜問題的科學素質和綜合創新能力培養的重要環節[8–11]。同時，實驗報告的撰寫通常是教師了解學生實驗掌握情況并進行實驗成績評定的重要途徑。

但是，在教學過程中，發現學生對目前實驗教學中普遍采用的實驗報告敷衍了事、照搬照抄，甚至存在弄虛作假的現象，這種流于形式的實驗報告區分度低，難以實現學生科學素養和創新能力培養的課程目標[12–15]。針對這一實際問題，我校結合化學類專業學生特點，進行了科研論文式實驗報告撰寫的教學實踐，激發了學生的學習興趣，提高了學生的積極性和主動性，強化了貫穿整個實驗教學過程的學生科學素質和綜合創新能力培養，獲得了滿意的效果。

1 我校物理化學實驗報告改革情況

我校物理化學實驗課程是面向大二、大三年級化學、材料、環境三個學院四個專業開設，每年選課人數為240人左右。分為物理化學實驗A和物理化學B實驗2類。其中，物理化學實驗A是針對化學、應用化學專業獨立開設的一門課程，分春秋兩個學期開設，總學時為112。實驗教學中采取了研究型教學模式，得到了較好的效果。針對實驗報告撰寫中普遍存在的問題，結合我校具體情況，我們進行了科研論文式實驗報告撰寫的教學實踐。通過將科研論文式實驗報告與實驗教學的各個環節緊密結合與統一，加強了學生整體掌握實驗的知識原理、操作技能、應用方向及解決問題的一般方法。充分發揮了教師為主導和學生為主體的協同優勢，激發了學生的學習興趣，提高了學生參與的積極性和主動性，強化了實驗教學過程各環節對學生科學素質和綜合創新能力培養的作用和效果。

2 科研論文式實驗報告教學實踐

實驗報告的撰寫是實驗教學中最重要的環節之一。根據課前調查結果，學生已經普遍適應了其他課程所延續且習慣使用的常規實驗報告撰寫方式(見表1)，但是這種報告很多部分與實驗教材/講義內容基本一致，經過長期的學習與實踐，學生就習慣了把內容從教材/講義“搬運”到實驗報告上的撰寫方法，基本不用動腦，也談不上總結概括，實驗報告千篇一律，學生也不重視，存在嚴重的照抄現象，不利于學生科學素養的培養，失去了實驗報告撰寫的意義。針對這一情況，我校對物理化學實驗的實驗報告撰寫進行了改革，所有實驗都要采用科研論文式實驗報告。注重學生的價值塑造，理論實踐知識的融合，培養學生觀察、分析、概括總結及全局把握的能力。

表1 常規實驗報告格式及要求

2.1 轉變觀念，學以致用的科研論文式報告

在教學過程中，首先要轉變學生觀念，在首次上課時就和學生講解科研論文式實驗報告的重要性，強調與常規實驗報告的區別，并給出科研論文式實驗報告格式要求(見表2)。科研論文式實驗報告不僅僅是實驗的整體理解，更是普適性方法的學習。科研論文式實驗報告從概括總結，到提出問題、分析問題、解決問題的設想提出，到詳細方案的設計與實施，再到實驗數據的記錄、分析、總結與討論，最后給出切身體會和建設性意見及建議，是創造性思想的載體，各個過程無不滲透著能力的培養和綜合素質的提高。讓學生從思想上重視起來，激發學生的求知欲，努力提高自身能力的主動性。

表2 科研論文式實驗報告格式及要求

2.2 層層遞進式培養科研論文報告撰寫能力

鑒于大部分學生還未涉及科研工作，對科研論文的概念、格式和要求都不盡熟悉，在最初幾次撰寫時給學生提供科研論文模板，以及前面學生的優秀實驗報告作為參考，逐漸熟悉科研式實驗報告，最終達到實驗中科學素質和綜合創新能力的培養。目前，我們開設的實驗有經典優化實驗(4個)，經典+設計實驗(6個)，設計實驗(4個)和綜合實驗(2個)四部分。對于經典優化實驗部分，由于其步驟內容已經基本確定，設計成分較少，我們將其作為科研論文式實驗報告的起步階段，為學生提供標準的論文模板，比如往屆同學較好的科研論文式實驗報告作參考，要求學生熟悉科研式論文撰寫格式；在經典+設計實驗階段，有部分內容需要設計，學生可以在熟悉格式的基礎上進行部分發揮；設計實驗階段，實驗中步驟內容等設計程度繼續加大，學生可以加強發揮；在綜合實驗階段，綜合設計性強，可以實現學生自由發揮的科研式論文撰寫。通過層層遞進的實驗內容設計，實現層層遞進的科研式論文報告撰寫能力培養(如圖1)。

圖1 層層遞進式的科研論文撰寫能力培養

2.3 緊密聯系教學各環節，培養綜合創新能力

實驗報告是在實驗教學過程中，再次對實驗課程設計所有環節的回顧和總結。實驗報告的撰寫情況直接反映教學實施過程中教師的教學質量和學生的學習效果。因此，緊扣教學各環節提高教學質量，加強培養學生的操作能力和分析總結能力是實現教學培養目標的關鍵。在科研論文式實驗報告的撰寫中，每部分的能力培養目標都與不同教學環節相對應，環環相扣，緊密結合，可以實現貫穿教學各環節的能力培養。通過充分發揮教師教的主導和學生學的主體的協同優勢，將課程與科研論文式實驗報告訓練結合，實現認知→應用→拓展→創新能力的提升，培養解決問題的邏輯思維方法，總結表達和創新能力，突出課程的高階性、創新性和挑戰度，提升學生的綜合創新能力(如圖2)。

圖2 貫穿教學各環節提升學生科學素質和創新能力的科研論文式實驗報告設計

2.3.1 課前預習與前言介紹相統一

課前預習是物理化學實驗課非常重要的環節，學生通過閱讀教師提供的實驗講義及文獻資料，了解實驗的內容與目的、原理和方法等，其中最關鍵的部分是掌握實驗的研究背景，通過查閱相關文獻，便可以知道實驗研究所處的理論基礎和當時的實驗條件。通過這一過程的學習，學生不僅知道了實驗的重要性，當時所具有的知識背景，當時存在的問題，解決問題所用方法的先進性和對現在知識結構和化學的影響，更重要的是，從中學會了問題解決的一般方法和思路。這樣就為科研論文式實驗報告的前沿介紹內容提供了好的素材。一般情況下，學生調研充分，認識深刻的在前言介紹中都會有相應關鍵內容的體現。比如研究的重要性，當時存在的問題，當時解決問題的設計思路等等。以燃燒熱的測定實驗為例，在課前學生學習了燃燒熱的講義及相關資料后，會查閱新資料，了解燃燒熱的定義、測試方法和應用范圍，從而知道生活中食品熱量、生產中的燃料熱量和航空航天高能燃料的選擇和使用，從而將該部分內容總結反映到科研論文式實驗報告的前言部分，這樣教師很容易就判斷出學生的預習資料查閱和總結情況。加強分析、綜合和判斷的能力，體現課程的“高階性”。

2.3.2 課中實驗操作及實驗數據相統一

在課堂教學過程中，學生按照課前預習(給定步驟或設計步驟)進行實驗操作，并得到相應的實驗數據，數據要邊做邊記錄，原始數據不允許私自涂改，必須按照科學規范進行修改，最終得到的原始數據要放到實驗報告后面一起交，培養學生嚴謹求實的科學態度和科學素養。反映在科研論文式實驗報告中，實驗操作部分要簡明扼要，能概括出具體的思路即可，讓學生加深理清實驗思路和流程，謹防記住了每步的具體步驟而沒有建立邏輯框架。同時，實驗中的操作注意事項和改進創新內容也會反映到具體實驗報告中，實現理論實踐相結合，實踐有利于創新能力的培養。

2.3.3 課后分析討論與邏輯思維相統一

對學生來說，課后最主要的工作就是完成實驗報告。在科研論文式實驗報告的撰寫中，實際上是對實驗過程的再現、分析與討論，要求學生學會總結凝練內容。如，題目、摘要、結果與討論和結論等。下面就其中幾個主要部分簡要說明：

對于題目，要根據具體實驗內容、方法等進行總結，例如在燃燒熱的測定中，采用氧彈量熱計測定了棉花、面粉或航空燃料的燃燒熱，有的學生就將題目總結為“氧彈量熱法測定航空煤油的熱值”“氧彈量熱法測定棉花的熱值”，等等，鍛煉了準確、簡潔、清楚地概括總結、表達的能力。

摘要則反映的是對整個實驗的總結，需要概括實驗背景、方法、研究對象、重要結果和主要結論等，最能體現學生對整個實驗是否理清和掌握，同時培養學生提出問題、分析問題、解決問題，及概括總結表達能力。

前言介紹反映的是課前的文獻調研和總結描述。

實驗部分需要總結實驗涉及的主要儀器、藥品等，簡述實驗方法及步驟，也可以在結果與討論部分一并描述。這兩部分在課前預習中已經基本完成，稍加組織語言即可。

結果與討論是實驗報告中的重點，需要將原始數據直接作圖、校正、分析與討論，該內容注重圖文并茂講述，夾敘夾議，比較和討論結果，最終得出合理的結論。通過這一訓練過程，學會使用Origin、Excel、Matlab等專業軟件的使用方法，常規表達的一般方法和基本常識，鍛煉學生分析總結表達能力和科學素養。

結論中要給出直接結論、間接結論和推論，培養學生的理論聯系實際并進行擴展的能力，科學意識、總結表達能力及創新創業能力。

通過科研論文式實驗報告這部分的訓練，學生深層次明確這個實驗設立的原因。

2.3.4 課后設計實踐與科學創新相統一

在實驗講義的最后一部分，我們安排了設計實驗，這部分是基于學生對實驗內容的深層次理解和掌握，進行基于實驗內容的進一步拓展，即完成設計性實驗，要求學生給出設計方案，包括儀器、步驟和測試原理等主要設計依據，學生對這部分實驗普遍認可，認為“不僅加深了原理的理解，也提高了解決復雜實際問題的能力，創新思維和創新能力”。

2.3.5 課后總結反饋與教學相長相統一

體會和建議是我們要求科研論文式實驗報告的另一重點附加內容，這也是要求學生必須認真寫出的一部分，要求學生提出合理的建設性意見和建議。一方面可以提升學生的綜合創新創業能力，實現課程培養目標。另一方面，還可以進行教學實驗的優化與改進。同時，實驗報告通過電子郵件進行收發，采用電子化批改過程，極大地提高了收發及批改的交流效率。我們根據前期統計，一般情況下，學生在實驗課后2–3天內完成報告的比例達60%以上，5天提交達80%以上，而在截止日期附近的只有不到20%的比例，這樣大部分學生(80%以上)可以在實驗結束后一周內就得到批改后的報告，而且學生交報告早，就可以早得到反饋建議，可以在一定程度上減少學生由于長時間等待遺忘的問題。

2.4 科研式實驗報告成績評價

物理化學實驗考核注重過程考核，加強了學生靠自己努力獲得成績提高的成就感，激發和提高了學生的主動性。在物理化學實驗期末成績中，科研式實驗報告成績占40%，其余60%由平時成績20% +操作20% +期末設計20%構成，其評分標準如表3所示。以此為基礎，加強了學生的動手能力，強化了嚴謹意識和科學素養，提升了貫穿整個實驗教學過程的能力培養，提高了物理化學實驗課的教學質量和效果，發揮了教師“導”與學生“學”的協同優勢。

表3 科研論文式實驗報告培養目標及評分標準

2.5 同行及學生反饋

通過科研論文式實驗報告的實施，學生普遍認可我們采取的教學改革，所有學生都按照要求完成，其中85%的學生能認真對待完成，50%完成的較好，30%的學生完成的非常好。學生最初接觸這個報告是難以進入狀態的，特別是第一次，絕大多數學生是不知所措的，這時我們必須加強與學生的溝通，需要做學生工作，采取了鼓勵的措施：第一，通過微信群和課程中心(學校課程網站)提供了論文模板和上屆學生寫得比較好的作為示范，這樣學生的壓力能減輕不少；第二，學生提交報告后，教師對每位學生都進行針對性批改和討論交流，提出概念意見和建議；第三，每次實驗課前對前一次實驗存在的共性問題進行說明，個別同學寫得好的地方進行展示，讓大家互相學習優點。通過2–3次實驗后，學生對報告模式基本熟悉，后面的實驗就能順利完成。第一學期期末的問卷調查顯示，95%以上的學生都肯定了論文式報告對個人能力和科學思維培養方面的重要性，85%以上的學生愿意堅持完成。

從學生論文式報告的撰寫來看，每位學生的報告在語言表達、文字及符號(包括腳標)出錯率、圖文的美觀性等方面，逐漸加強，而且在設計及討論部分能多角度分析。學生每次的論文式報告體會建議及期末問卷調查顯示，學生普遍歡迎這一模式，表現在報告撰寫熟練，認為自己的分析解決問題能力得到了提升，而且在最近一學期的學生評教中獲得93分，遠高于學校平均分90.44分。

通過體會和建議及期末問卷調查，學生對課程給出了肯定評價，認為“雖然起步上手難，但是可以進一步發現實驗中存在的問題，真正實現總結、繪圖、分析和組織、邏輯思維分析和創新思維等綜合創新能力的培養，真正實現由‘知識’向‘方法’學習的轉變……”，“撰寫報告有進步，翻天覆地的變化……收獲大！……”，“值得在其他課程中推廣”，等等。進一步說明了我們采取科研論文式實驗報告撰寫有利于加強對學生綜合能力的提升。

論文式實驗報告的改革經驗也得到了院領導和校督導組老師的認可，并擬在大學化學實驗的教學中選取1–2個實驗進行推廣。

3 結語

針對實驗教學過程中實驗報告存在的問題，結合化學類專業學生特點，進行了科研論文式實驗報告撰寫的教學實踐。通過要求學生按照科研論文格式撰寫實驗報告，加強學生對實驗教學過程的整體把握，即再次從背景出發，明確實驗原理和方法設計實驗方案，根據操作獲得實驗數據分析、歸納、總結討論、得出結論，同時給出體會和改進建議，進一步深入理解實驗的設計原理和操作方法及注意事項，從中學習解決問題的一般方法。結果表明，極大提高了學生的積極性和主動性，形成了嚴謹求實的科學態度，強化了綜合創新能力培養，獲得了滿意的效果，為其他實驗課程教學提供了很好的范例。