無機及分析化學實驗“三維”教學模式的設計與實踐

周雅情，梅蕊，吳文海

漢江師范學院化學與環境工程學院，湖北 十堰 442000

實驗教學在人才培養中發揮著不可替代的基礎作用，是培養學生動手能力、科研素養、創新創業能力和可持續發展能力的重要依托[1]。在過去近25年中，我國的化學實驗教學改革取得了巨大的進步，但地方高校化學實驗教學現狀仍然不太樂觀，尤其是新進專升本的高校，存在著教學方法傳統、教學管理落后和考核方式單一等問題。這一類高校亟需進行教學改革，以適應本科教學和發展的需要。本文以2016年專升本的地方高校漢江師范學院為研究對象，對無機及分析化學實驗課程進行教學改革，旨在與同行交流，以便不斷地提高教學質量，為同類高校提供借鑒。

無機及分析化學實驗是漢江師范學院非化學專業生物科學的學科基礎課，旨在使學生掌握基本的操作技能和實驗技術，培養學生觀察問題、分析問題、思考解決問題和獨立操作實驗的能力，養成嚴謹的學術研究素養，樹立開拓的創新意識，為后續生物科學專業的各類專業課程學習和實驗技術奠定堅實的基礎。然而，漢江師范學院無機及分析化學實驗教學過程中存在諸多問題，如：理論課程與實驗課程的教學進度不匹配、學生課前預習不充分、課程期末考核方式單一、學習積極性差、創新性不足等問題，不能滿足新時代對創新性人才培養的要求。因此，筆者針對以上問題，設計了“三維”教學模式，即“課件推送→問題收集→能力提升”。“課件推送”從學生角度出發，課前線上推送課件，要求學生提前預習實驗內容，完成思考題的解答；“問題收集”從教師角度出發，收集學生預習過程中提出的問題，針對問題著重講解，對癥下藥，提高課堂效率；“能力提升”則是綜合課前預習、課中講解，從而總結反省，找出不足，針對學生與教師的不足之處進行改進，完成量變到質變的轉換。教學過程中以學生為主體，將實驗教學的考核機制落實到課程學習的各個環節，旨在提高學生的學習動力，提高漢江師范學院無機及分析化學實驗課程的教學質量。這種多層次、多對象的“三維”教學模式的實施，不僅能夠加深學生對理論知識的理解，培養學生獨立思考、操作、正確歸納和綜合處理數據的能力，還能幫助學生形成良好的科學思維習慣，從而逐步掌握科學研究的方法[2]，為后續專業課和實驗課的學習夯實基礎。同時，還能幫助教師革新教學方法，提高教學水平，以學促教，教學相長。本篇文章著重介紹了漢江師范學院無機與分析化學實驗課程的教學現狀、存在問題及“三維”教學模式的設計與實施。

1 無機及分析化學實驗課程的教學現狀

1.1 理論課程與實驗課程教學進度的匹配性

目前，漢江師范學院生物科學專業無機及分析化學實驗課程一學期開設16個實驗，45個學時，其中無機實驗5個，包括：1個準備實驗，2個基礎實驗，2個制備實驗；分析實驗11個，包括：5個標定實驗，6個測定實驗。無機及分析化學理論課程是先學習無機化學知識，再學習分析化學知識，因此，5個無機化學實驗能夠與理論課講授的進度一致，大一新生可以在學習理論知識后，通過實驗的操作進一步加深對理論知識的理解[3]。分析部分的實驗主要以驗證性實驗為主，涉及滴定原理、正確判斷終點、滴定操作和指示劑選擇等知識點，但實驗課超前于理論課，沒有理論知識支撐，使得學生在實驗操作中出現“照方抓藥”的現象，同時大一新生在實驗過程中不能完全理解實驗的過程和現象，更不知道如何解決實驗過程中出現的問題[4]。而學習到理論知識時，對應的實驗早已完成，做實驗時未能理解透徹理論知識點，使得學生未能將實驗與理論知識有效結合，導致沒有達到有效的教學，不利于學生綜合素質的培養和創新能力的提高[5]。

1.2 傳統的教學方法

目前，漢江師范學院的實驗教學方法是“課前預習(課前檢查預習報告)→教師為中心的講授→學生完成實驗操作→學生完成實驗報告→根據實驗報告評定平時成績→期末理論知識考查”。主要反映出以下幾個問題：(1)實驗課前，學生預習是實驗課的關鍵，但學生課前實驗預習僅停留在文字層面，未能直觀地感知實驗過程和儀器的使用，課堂上僅依賴教師的課堂演示，機械地完成實驗，一段時間已忘記，不利于培養學生的創新性思維和科學探究態度；(2)實驗課中，教師講解和演示的時間過長，占用了學生實驗操作的時間，由于實驗課學時和實驗條件的限制，學生在短時間內機械與盲目地完成實驗，在實驗中存在的疑惑和問題缺乏有效的與教師和同學討論的渠道，一旦實驗失敗，學生沒有過多的時間再次進行探究，不利于培養學生觀察問題、分析問題、思考解決問題和獨立實驗操作的能力，這樣的教學方式容易使學生失去學習興趣，且極大地限制了學生的思維發展[6,7]，同時不利于學生對基本儀器操作的掌握及加強對學生進行實驗規范操作能力的培養；(3)實驗課后，教師很難根據學生上交的實驗報告正確評價學生的實驗操作能力，使得教師不能有效指導學生基本操作和實驗技術；(4)課程考核，根據實驗報告的書寫評定學生的平時成績，但實驗報告僅反映了學生對實驗的理解和書寫的認真，不能反映出學生操作實驗的真實情況，不乏有學生為了高分的成績篡改數據、抄襲等。期末理論知識考查僅測試了學生的理論知識，未能考查學生獨立思考、準備和實踐操作的能力，導致實驗教師不能全面評估學生的實驗能力。

1.3 學生實驗基礎知識薄弱

在當前高等教育進入普及化的新階段，以漢江師范學院首屆2020級生物科學專業51名本科生為研究對象，在進校學習兩周后，采用問卷網匿名方式對“大學生實驗學習情況”進行調查，回收問卷51份，問卷回收率為100%，除去重復提交的問卷2份，有效問卷回收率為96.1%，結果如圖1所示。從問卷調查結果顯示：(1)28.6%的學生從未做過實驗，71.4%的學生偶爾做實驗，更有8.2%的學生從未接觸過實驗儀器，可以得出學生的實驗基礎知識和實驗基本操作能力薄弱；(2)課前預習，僅有28.6%的學生經過預習可以完成實驗，由此可以得出學生課前預習僅是形式化，學生的真實情況未能及時反饋給任課教師，致使有些知識學生未能掌握，任課教師只能花費大量時間講解理論知識，使得學生在有限的實驗課上只能按部就班地完成實驗，不利于大學生學術研究和創新意識的培養；(3)從4、5、6三個問題的調查結果顯示：學生思考問題能力、學習能力和解決問題的能力等存在不一致性，在課堂有限時間內無法滿足不同水平學生學習的需要。

圖1 大學生實驗學習情況結果——問卷網調查

2 無機及分析化學實驗“三維”教學模式的設計

2.1 “三維”教學模式的設計理念

漢江師范學院大一新生均是00后，傳統的教學方法適用于80年代和90年代的學習者，但很難調動00后學生的學習動力和積極性。相比于80年代和90年代的學生，00后更早接觸了信息技術，他們的思維更加活躍、有思想、有目標、有激情，但以自我為中心，具有自律意識、自主意識、合作意識薄弱等問題。問卷網調查結果顯示了以下問題：學生實驗基礎知識薄弱、基本操作能力薄弱、課前預習形式化、學生實驗能力參差不齊。在漢江師范學院00后學生中，缺乏自主意識和學習動力弱者占大部分，而學習能力強、充滿求知欲和好奇心者僅占小部分。因此，如何將學習動力弱的學生培養成學習動力強的學生，是提高實驗課程教學質量的根本，但也存在著挑戰，主要是學生缺乏“直接需求”的學習動力，本課程的教學設計只能針對他們的“間接需求”，即增加課程的考核強度和水平[8]。結合漢江師范學院的實際，借鑒國內高校基礎實驗課程先進的教學設計理念[9-12]，在教學過程中運用互聯網技術——問卷網、雨課堂等現代教學手段，設計了“三維”教學模式，即“課件推送→問題收集→能力提升”。第一個維度“課件推送”，從學生角度出發，旨在尋找問題根源；第二個維度“問題收集”，從教師角度出發，旨在尋找問題解決方法，更進一層，以點擴面；第三個維度“能力提升”，綜合學生與教師的兩個角度，面面俱到，層層遞進，形成更高的維度。轉變傳統的教師講學生聽的教學模式，讓學生成為課堂的主體，積極主動研究課程內容，提出自己的想法，激發學生的興趣，將課程考核機制落實到課程學習的各個環節，旨在提高學生主動學習的動力，以及提高無機及分析化學實驗課程的教學質量。

2.2 “三維”教學模式的實施和課程考核機制

教學設計和課程考核計分如圖2所示。具體實施過程分析如下：

圖2 無機及分析化學實驗“三維”教學模式的設計流程圖

(1)課前學生自主預習實驗。課前1周，教師明確課程預習任務：① 雨課堂推送教學課件，包括：實驗詳解(實驗目的、原理、內容)及注意事項、操作視頻及其他資料，以及設置的思考題；② 問卷網推送給每位學生，調查包括：不懂的實驗理論知識點、需要著重講解的實驗理論知識點及需要演示的實驗操作。學生在課前完成預習任務，課堂隨時提問考核。

其中，課前學生通過雨課堂推送的教學課件，明確了課堂教學內容，有針對性地預習。雨課堂設置思考題并設置分數，學生須課前完成答題(學生可以文字描述，也可以在雨課堂用語音回答問題)，教師及時批改并記錄分數。有效防止了部分學生的實驗預習僅停留在文字層面，懶于查找資料和獨立思考，課堂上不能很好地接受教學內容，導致實驗操作出現較多的問題和機械式的參照實驗步驟做實驗；有效檢驗了學生的實驗預習情況，同時設置語音回答思考題，提高了學生的學習興趣。課堂上針對性的反饋分數，不僅促進了學生預習實驗的能動性，還培養了學生的學習習慣(善于思考、自主學習、獨立解決問題等)，同時教師可以在雨課堂上直觀了解學生實際的預習情況，將預習情況和答題情況納入平時成績考核中。操作視頻主要針對實驗的基本操作演示，例如“分析天平的使用、酸式滴定管的使用”，可以讓學生更直觀地了解實驗的操作，并且可以在任何時間反復觀看，同時彌補了在傳統實驗課堂教學中學生操作能力參差不齊的不足，尤其是操作的細節，有效避免了在課堂上有限的時間內演示、實驗操作細節錯誤、實驗失敗情況。問卷網提前推送給每位學生，做到對癥下藥、有的放矢，80%學生都懂的知識點簡單提一下，50%-80%學生懂的知識點簡單講解，50%以下學生提出的實驗課程知識與實驗操作問題，在課堂上著重講解和演示，避免了在有限的課堂上大篇幅講解學生已經知曉的知識，同時滿足了不同水平學生學習的需要。

(2)課堂講解提問。

課前反饋雨課堂設置思考題的分數，分數高的學生受到教師的表揚和給予肯定，同時獲得同學們的掌聲，讓學生感受到情感體驗——自豪感、成就感和榮譽感，調動學生的積極性，激發學生的學習動力。課堂講授環節主要突出了學生的主體地位，在講授過程中提出問題，由學生自主回答，同時引導學生之間相互交流、分享自己的想法，旨在鍛煉學生回答問題的邏輯性、語言表達能力和互相合作的能力，努力培養學生成為課堂中的主體認知，同時，未準備充分的學生將受到減分的懲罰。設置問題環節中會設置實驗拓展難題，增設附加分值，當場加分獎勵，提高學生的積極性和激發學生的求知欲。問卷網推送收集實驗課理論知識和實驗操作存在的問題，如實驗“食醋中總酸度的測定”，筆者設置的實驗材料是市場上售賣的食醋，雨課堂設置思考題“滴定反應式是什么？”。有學生在問卷網上提出問題，“食醋中的主要成分是醋酸，此外還含有少量的其他弱酸如：乳酸、檸檬酸、葡萄酸、蘋果酸等，雖然食品中含有多種有機酸，總酸度測定結果常以樣品中含量最多的那種酸表示，滴定反應式應是：CH3COOH+NaOH=CH3COONa+H2O，那市售的檸檬是否可以用同樣的方法測出酸度？”還有學生提出“橘子可以用此方法測出酸度嗎？”等等。問卷網平臺反饋的信息顯示學生對此實驗比較感興趣，在課堂上針對此問題展開了討論，引導學生提出實驗方法的應用，并準備了少量的檸檬和橘子，在實驗課程完成后，有興趣的做了檸檬和橘子中酸度的測定，整個教學過程中學生的學習興趣高漲，提高了課堂的教學質量，同時納入平時成績考核中。

(3)實驗操作階段。

學生獨立準備和操作實驗，細致觀察和記錄實驗現象，正確處理實驗數據和正確分析實驗結果，實驗結束后，教師檢查預習報告(實驗的記錄和數據的處理)，并根據學生在實驗過程中的操作，當場考核打分，記錄平時成績。

(4)實驗報告處理。

學生完成實驗課程的常規內容：數據處理分析、總結、討論。要求每位學生完成實驗后，針對在實驗中出現的問題及成功完成實驗的關鍵操作給予反思，并寫在實驗報告本上，旨在讓學生加深對本實驗的學習，學會分析實驗誤差的原因，考核計分如圖3所示。

圖3 無機及分析化學實驗課程考核標準

(5)課程期末考核。

無機及分析化學實驗課程考核標準包括平時成績和期末考查成績兩部分。整個課程考核均制定了詳細的計分標準(如圖3)。期末考查：① 期末筆試成績——理論知識考查：主要考查無機及分析化學實驗課程的一般知識、基本概念、實驗原理、實驗數據處理以及思考題；② 期末操作成績——實驗操作考查：8個實驗隨機抽取其中4個實驗進行考查，涉及儀器識別、實驗的操作、數據處理、操作注意事項等。所有學生分成若干組，每組學生進場考試時間不同，提前30分鐘候考，每組學生隨機抽取編號，編號對應不同的理論知識和實驗操作，避免了互相抄襲的行為，考試時間30分鐘，在規定的時間內完成理論和操作考試，時間到停止考試，結束后學生離場，并不能與候考的學生交流，所有的考核環節均設置計分標準，避免了考核片面和不公平計分的弊端。課程考核不是目的，將課程考核落實到課程學習的各個環節，意在提高學生主動學習的動力和培養學生學術研究的能力。

3 無機及分析化學實驗“三維”教學模式的教學效果

“三維”教學模式取得的教學成效：(1)經過2次課程的開展，生物科學專業的全體學生已養成了課前預習的習慣，課前能充分地預習雨課堂推送的課件，同時雨課堂設置的思考題，部分學生從第1次得0分的成績到后來基本上可以得滿分的成績。雨課堂設置思考題的成績也在不斷地提高。通過課前推送的教學視頻，學生在課堂上能夠很好地接受教學內容，從課堂上零回答到搶著舉手回答問題，并且還提出問題反問教師，整個課堂師生互動感強、課堂氛圍融洽；(2)問卷網提前推送給每位學生，大部分學生從開始的敷衍到后來能夠提出對于實驗的關鍵問題；(3)生物科學專業全體學生的學習積極性和動力不斷增強，學生的平時成績提高，同時學生的實驗操作能力也在不斷地提升，實驗的成功率幾乎100%，學生對實驗學習的興趣更加濃厚；(4)期末課程成績：100-90分占60.8%，89-80分占35.3%，79-70分占3.9%；(5)課程結束后，為了解“三維”教學模式的教學效果，對51名生物科學專業2020級本科生進行匿名方式調查，回收問卷50份，問卷回收率98.0%，結果如圖4所示。從問卷調查結果顯示：① 雨課堂課前推送課件，96.0%的學生認為可以有效地幫助學生獨自完成實驗，更有2.0%的學生認為非常有效地幫助獨自完成實驗；② 雨課堂設置思考題并答題，教師批改并考核計分，92.0%的學生認為有效地幫助學生對實驗的理解，更有2.0%的學生認為非常有效；③ 課前采用問卷網收集問題，課堂上教師針對問題及操作重點講解，94.0%的學生認為可以有效地幫助學生對實驗的理解，更有2.0%的學生認為非常有效；④ 將課程考核(如：平時加減分)覆蓋到整個實驗課程中，94.0%的學生認為可以起到督促并認真完成實驗課程的作用，更有2.0%的學生認為非常有效；⑤ 經問卷網調查顯示，98.0%的學生滿意無機及分析化學實驗課程的“三維”教學模式。

圖4 無機及分析化學實驗課程滿意度結果–問卷網調查

4 結語

無機及分析化學實驗“三維”教學模式的設計以學生為主體，將課程考核落實到課程學習的各個環節，極大地提高了學生主動學習的動力和積極性，采用加減分的方式，提高了學生的學習動力并激發了學生的求知欲，同時利用雨課堂和問卷網等現代教學手段，提高了無機及分析化學實驗課程的教學質量，期末既考查了學生實驗課程的理論知識，又考查了學生的實際操作能力，培養了學生獨立思考的能力、準備和實踐的能力、分析和解決問題的能力，培養了學生語言表達的能力以及實驗規范操作的能力，使學生形成了良好的科學思維。“三維”教學模式全面提高了課程的教學質量，不僅培養了學生的科研素養，同時培養了學生團結協作意識、責任意識和開拓創新意識，適合在地方高校實驗教學中推廣。