“對分課堂+設計性實驗”教學模式在無機化學實驗中的應用研究

黃春蘭

（南寧學院機電與質量技術工程學院 廣西南寧 530299）

無機化學實驗既是一門獨立開設的實驗課程，又與無機化學理論課程相輔相成。[1]它的知識點細碎且雜、教學方式對教師考驗較大且教學效果直接影響到學生對其他學科基礎課的學習。本次教學改革將“對分課堂”與“設計性實驗”相應的融合到“無機化學實驗”課程教學中，形成一種新的教學模式“對分+設計性”。該教學模式，意在激發學生主動學習，更能有分析問題的思路和解決問題的辦法，在培養學生創新能力和創新思維的同時提高其綜合素質，并使學習效果顯著。

一、“對分+設計性”融合進無機化學實驗教學

化學實驗課程考慮到時間安排、教師安排和實驗安全等，多以實驗教師準備實驗，課中實驗過程步驟邊演示學生邊驗證為主。 高效的實驗課堂應該讓學生真正參與到整個實驗教學中，學生積極主動探索實驗，認真創新設計方案，踴躍交流分析實驗，學有方法學有所得。 在教師“教”與學生“學”之間產生共鳴，通過改變學習模式來提高課堂教學效果勢在必行。

（一）“對分課堂”在無機化學實驗課堂的必要性

“對分課堂”是一種學生和教師在教學上主動學習熱情很高的新教學模式，在教師講授和學生討論之間引入一個心理學的內化環節，讓學生走進教師安排的知識環節中。對分課堂區別于過去的提問和討論教學法，它的創新之處在從教到學、課堂任務、管理和效果評價，與過去的教學方法相比有根本性變革。[2]在化學實驗課堂中引入“對分”教學，是很好改變實驗課堂機械驗證和沉悶完成任務的有效途徑，實驗課堂的變革使得學生參與度高，討論熱烈，主動求知欲望強烈。

（二）“對分+設計性”融合激活實驗教學

無機化學實驗內容多且雜，知識點間連續性不強，對于傳統實驗教學而言，設計性實驗對學生的綜合知識運用要求高，是一個全新的項目學習任務；而教師在其中的環節設計也面臨較大的挑戰。通過設計性和創新性的實驗改革研究實施，對整體實驗知識點進行實驗內容重構，完成設計實驗項目，引導學生積極主動設計實驗方案，此過程對互動學習和個性培養的教學效果甚佳，形成一個融洽、歡快、創新的教育局面。

“對分課堂”與“設計性實驗”的結合，使“無機化學實驗”課程教學形成一種新的教學模式“對分+設計性”，實驗課程的改革在學生思維方式多樣化、對實驗操作創新和實驗設計方案探討以及協作解決問題等方面有顯著效果。

“對分+設計性”無機化學實驗課程思維導圖如圖1所示。

圖1 “對分+設計性”無機化學實驗課程思維導圖

二、“對分+設計性”課堂教學實施

“對分+設計性”教學模式包括課堂教師給定實驗課題，講解實驗課題背景和基本原理，學生課程對課題內容涉及的知識背景查閱相關的資料，整個實驗涉及知識點整合設計實驗方案，由師生共同討論定案，經過研討、答疑、修改、完善方案到最終實施實驗過程，得出并分析實驗結果后展示及討論。[3]

(一)教師在“設計”實驗環節中的關鍵做法

教師必須熟練掌握無機化學所涉及的所有理論和實驗方法，并要經常大量閱讀相關資料，關注本領域新方法、新技術、新設備的發展，再者課堂教學的掌控能力也十分重要。 在組織“對分+設計性”教學模式中，有效地組織課堂和合理分配課堂時間以及營造良好的課堂氛圍并預測在實驗項目實施過程中可能遇到的問題，對教師的教學能力幫助很大。“對分+設計性”教學模式能促進無機化學實驗教學相長，學生在實驗項目中獲得成就感，教師在實驗課堂中不斷反思改進設計實驗項目，體現出教與學的雙贏。

教師在進行實驗課程設計時，應考慮到專業特點與實驗知識點相結合，激起學生探索的興趣。我校“無機化學”課程及其實驗面向食品質量與安全專業，食品營養與檢測專業學生開設，以知識點“緩沖溶液”為例，該實驗設計時應考慮到實驗過程會用到的知識點：緩沖溶液的配制及其性質驗證。該實驗過程涉及“量”液體或者固體的方法（根據選擇的試劑而定）、溶液的配制方法（固體配液體、液體配液體）、酸堿度的測定方法（各類試紙、指示劑、酸度計）等，教師在“實驗設計”環節中的作用十分關鍵。

該實驗知識點的設計可引入與“食品”和“生活”相近得的話題：“人體血液的pH值在7.35～7.45，pH值小于7.35或大于7.45均可能危害生命個體安全。但在實際生活中，人食入1L蘋果醋或1L蘇打水并未造成中毒現象。”實驗話題給出后，要求各實驗小組通過討論分析原因，將討論結果設計成實驗方案并提交給教師。

學生經過查閱資料和討論得知人體血液是大型緩沖溶劑，而緩沖溶劑在緩沖容量范圍內能抵抗少量外來酸和堿，使其pH值基本不變。

(二)學生實驗課前準備

學生對貼近生活及專業特點的案例興趣高，在討論過程中設計實驗方案，在遇到實驗難題（如： 不能用人體血液進行實驗）時積極查閱資料，學生走進教師“設計”的整個實驗項目，多方尋求解決問題的方案。查閱結果得出人體血液中含有大量緩沖對，實驗小組在討論中學習緩沖溶液知識； 但也難以選擇哪種緩沖對來設計實驗方案，更不確定除血液中的緩沖對外，選擇其他的緩沖對是否影響實驗結果。討論是很好的解決問題的方法，也是發現問題的關鍵所在，且此過程能讓不同層次學生在其中取長補短、相互啟發，以達到相互幫助共同解決問題的目的，最終順利完成實驗方案設計。在實驗課前準備階段學生要經歷“查閱資料和討論—知識點學習—實驗方案設計—實驗過程難題解決方案—實驗試劑確定—實驗儀器設備和實驗裝置研究—實驗操作步驟設計—小組成員分工”等步驟，才可順利進入實驗課前準備環節。

以往的實驗課前準備均由實驗課程教師和實驗員完成，學生進入實驗室即可進行實驗操作，對實驗的準備環節參與太少。本次教學改革中包含要求學生根據自己的設計方案參與到實驗準備中來，該過程可提高師生在“教”與“學”中的互動頻率，實驗的準備過程師生能在交流和探討中共同確定實驗的新設計思路和改進實驗操作的方法，學生主動參與實驗，實驗操作效果提高顯著。

(三)“對分+設計性”實驗課堂

實驗過程采用“對分課堂”進行，先由教師重點提出實驗注意事項和實驗安全要求，對實驗步驟的關鍵控制點作分析；再由學生進行小組自由討論和實驗操作、實驗過程要求認真規范、觀察和記錄實驗現象細致嚴謹、分析實驗結果實事求是等環節。

值得提出的是，實驗的嚴謹性和科學性是任何實驗成功的前提，也是今后理工科學生必須時刻警惕的底線，故實驗過程中必須注意培養其嚴謹的實驗作風。其中包括操作規范、正確使用儀器設備、細心觀察并記錄實驗、分析實驗現象、尊重實驗事實、 認真求實地完成實驗報告、遵守各項實驗室規則、節約實驗試劑和注意安全、保持環境清潔等。嚴謹的實驗作風有助于培養學生獨立完成實驗、科學分析問題和創新實驗的能力；實驗項目中的實驗操作的規范可確保實驗結果的可靠性和準確性。[4]

實驗過程不只是實驗的操作驗證，還是進一步理解和分析實驗試劑間的相互作用和變化的原因，是扎實掌握無機化學知識的重要環節。在整個實驗項目過程中進一步加深對理論知識的綜合理解，更能在實驗操作中驗證和分析理論的現實性，提高學生觀察現象和綜合運用化學知識分析問題和解決問題的能力。實驗過程中各實驗小組對實驗的理解和實驗現象的分析十分重要，不同學生對實驗的觀察和理解存在差異， 故而設計“實驗結果總結”的對分課堂環節。 在教師引導中，讓學生交流實驗中的理論知識和實驗現象是否一致，分析產生差異的原因；各小組在實驗交流環節中找出本次實驗項目的最佳方案，并對自己小組的實驗方案提出改進和完善的方向； 在對比中互相交流、提高、創新，從而真正學之懂之能用之。

優秀的無機化學實驗案例可對下一屆學生做設計性實驗項目時起到指導的作用，也可為同類基礎化學實驗的教學改革提供參考，還可以作為無機化學理論教學的知識點驗證。在本次課程改革中，對每個實驗項目下的優秀實驗案例做分享，部分案例錄制成微課在相近專業間和同年級及上下年級中分享，達到資源有效利用，成果相互分享、共同提高的目的。

(四)優化實驗考核方案，增強學生學習成就感

學生在教師給出議題后，全身心投入整個實驗中，從最初的“討論、查閱資料”到最后的“優秀實驗案例分享”—完成實驗報告提交， 每個環節的參與度高，過程學習效果明顯，本次實驗教學改革提出采用過程性考核方式占比70%。過程性評價考核對學生整體參與實驗項目起到激勵作用，學生不盲目追求實驗結果，而是認真對待每一個實驗環節，對學習無機化學實驗的學習效果具有更重要的意義， 本次改革對各個階段進行相應的評價和評分。

整個實驗項目期間教師進行過程性考核主要涉及學生設計方案、實驗準備程度、實驗操作正確、實驗結果分析、創新性實驗以及實驗報告進行評價。課程考核方式及各項分值比例按表1進行。

表1 無機化學實驗課程考核方式及分值比例

三、課程改革效果分析

經調查，食品質量與安全專業三個年級本科生共213人，其中文科生占13.41%；認為化學非常難學的學生占18.29%；喜歡化學實驗的學生占100%。“無機化學”“無機化學實驗”是食品類專業學生最先接觸的學科基礎課程，學生在入學后對學科基礎知識的期待和對實驗的興趣濃厚，學習熱情高，但也因無先導課程可以掌握一些基本化學實驗操作技能，對無機化學實驗課程又愛又怕。故在設計實驗中必須有掌握一定簡單基礎實驗的環節，對學生要求必需的基本操作技能熟練和設計知識點實驗正確，實驗關鍵控制點出色。“對分+設計性”實驗在有限的課堂上，對教師和學生要求都比較高，需要用力用情相互配合完成，在本次教學改革中2017級、2018級、2019級三個年級的改革效果對比明顯。

(一)課堂效率效果明顯

學生在“對分+設計性”化學實驗教學模式過程中，更會利用自己的時間進行學習，對實驗項目任務進行熟悉，在討論中綜合小組想法融入實驗方案中，在實驗設計和實驗操作中能論證實驗方案的可行性和科學性以及可創新之處，對實驗結果的分析和總結滿意，達到了真正掌握和運用知識的目的。[5]另外實驗的過程因工作量較大，學生單靠個人很難完成整個實驗，小組成員之間團結協作至關重要，實驗的過程也有可能因為小組中某一成員環節出現問題延緩整個小組的實驗進程，故各小組成員應重視責任意識和協作創新精神。整個過程的實施體現出“學”的多樣化，學生受益良多。

(二)課程成績提高明顯

經對我校食品類專業學生問卷摸底其對無機化學知識的掌握情況，在無機化學實驗課中逐步引入“對分+設計性”課堂教學改革。筆者于2017年5月著手準備“對分+設計性”實驗教學方案，并對無機化學細碎多雜的實驗教學內容進行重構，以“知識點模塊化”方式設計教學案例，并于2018年5月對食品質量與安全專業無機化學實驗課程嘗試部分項目使用“對分+設計性”教學模式，2019年5月對該專業的無機化學實驗課全部實施“對分+設計性”教學模式。 2018級、2019級食品質量與安全專業學生使用“對分+設計”實驗課堂模式，較未使用該教學模式的2017級， 前兩者對實驗知識點的掌握和實驗任務的完成較出色，且實驗課堂活躍度明顯提高。在無機化學期末考試中，三個年級閉卷筆試成績也隨著教學改革的深入呈現遞增趨勢，三個年級部分班級期末閉卷成績如圖2、圖3、圖4所示。

圖2 2017級期末閉卷筆試成績

圖3 2018級期末閉筆試成績

圖4 2019級期末閉卷筆試成績

四、課程改革的困難和改進的方向

我校食品質量與安全專業、食品營養與檢測專業學生均文理兼招，而無機化學相關知識對理科基礎的要求高，在“對分+設計性”無機化學實驗中，設計實驗環節必須考慮到不同層次的學生對實驗理解和進行實驗的順利程度，教師的設計環節需要不斷總結經驗和學習新方法；由于課時有限，知識點多又雜，在課堂有限時間內展示完眾多知識點，部分實驗內容可考慮用微課代替；再者，化學實驗過程會遇到農酸、弄堿、刺激性易揮發試劑等危化類藥品，對部分重復操作性高且涉及危化類藥品實驗，考慮到安全隱患問題，該部分步驟可用虛擬仿真教學方法供學生課前預習或課后復習以達到減少接觸危化藥品次數的目的。

我校著力培養應用型人才，對于理工科專業來說，除了掌握專業技術要求的基本技能之外，良好的實驗素養應包含對實驗知識面的廣泛了解、實驗方案的創新設計、實驗新的研究發現和個性化的設計流程，故筆者認為食品類專業化學實驗課程教學引入“對分+設計性”十分必要，這有利于學生在本科階段學得科學研究和與發明創造思維。