以學生為中心的物理化學實驗教學探究*

李 鈞，張 波，楊 燕

(聊城大學化學化工學院，山東 聊城 252000)

物理化學實驗是一門獨立的、綜合性的基礎化學實驗課程，其目標是通過物理化學實驗的學習，讓學生可以掌握實驗的基本方法和技能，培養(yǎng)思維能力、動手能力、觀察能力和處理實驗數據、對實驗結果進行分析和歸納的能力，同時加深學生對物理化學、結構化學中基本原理、概念的理解。物理化學實驗普遍具有實驗原理抽象、操作儀器復雜、數據處理繁瑣的特點。目前我國地方高校物化實驗課程的講授大多仍采用以教師講授為主、學生機械模仿的灌輸式實驗教學授課方式，這種教學方式不能很好地調動學生學習的積極性，也不利于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識和動手能力，不能滿足新工科背景下對應用型、創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的要求。

“以學生為中心”的教學理念來源于美國教育家John Dewey的Child-centred和瑞士教育家Jean Piaget提出的“student-centered”的教育思想，對培養(yǎng)敢于質疑、勇于創(chuàng)新的人才有明顯的效果。以學生為中心的教學理念堅持把學生放在教學過程的主體地位，讓學生獨立思考、探索知識，激發(fā)學生學習的積極性，注重培養(yǎng)學生的自主學習和自主創(chuàng)新能力[1]。在許多新型的教育理念和教學方法，如OBE[2]、BOPPS[3]、PBL[4]中均強調學生在教學中的主體地位。在物理化學實驗教學設計中把以學生為中心的教育理念作為進行實驗教學改革探索與實踐的主旨，對培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神和實踐能力具有重要的現實意義。

1 傳統(tǒng)的物理化學實驗教學模式存在的問題

物理化學實驗傳統(tǒng)教學模式大體分為三個階段：課前，授課教師準備實驗試劑及調試儀器設備，學生撰寫預習報告；課上，授課教師對實驗內容進行講解，對實驗步驟進行示范演示，學生根據老師的講解和演示進行操作，得到測量數據；課后，學生實驗結束后完成實驗報告，教師根據實驗報告進行成績評定。按照以學生為中心的教學理念，本文擬從以下三個方面討論傳統(tǒng)的物理化學實驗教學中存在的問題。

1.1 內容抽象，學習主動性低

物理化學實驗是通過實踐對物理化學和結構化學課程中理論知識進行鞏固和強化，有時還涉及一些數理知識，因此原理部分理論性較強。在傳統(tǒng)教學中的實驗預習環(huán)節(jié)，學生只根據實驗教材進行預習，感覺到實驗內容抽象又枯燥，難以提起興趣。另外，物理化學實驗用到很多精密的電子儀器，學生在預習時無法實際接觸到的實驗儀器，難以理解實驗步驟中每一步的具體要求和意義。以上這兩方面使得學生在課程第一環(huán)節(jié)即缺乏參與度，從而形成挫敗感，因此學生在書寫預習報告時成為實驗教材或課件內容的搬運工，由于缺乏理解，難以進行思考和探索。由于預習效果較差，學生進入實驗室后既要理解實驗原理，又要掌握儀器的操作，難免會感到顧此失彼，難以兼顧，只能糊涂地進行操作。對于實驗中遇到的問題既不知道如何解決，也不知道如何向老師尋求幫助，只被動等待老師來指導解決的尷尬狀態(tài)。由于對實驗原理和實驗步驟的“似懂非懂”，實驗結束后只能機械地進行數據處理，不知道如何進行分析，草草地完成實驗報告。

1.2 模式單一，學生興趣度低

首先，課前預習階段，如上所述，傳統(tǒng)實驗教學中只能依賴教材書寫預習報告，預習形式單一。學習主動性較強的同學可能會自己搜索一些網絡學習資源作為參考，但是可能存在實驗儀器與實際課上使用儀器不一致的問題。其次，課上授課方法單一。教師講解實驗原理和實驗操作步驟，學生被動地接受教師講授的內容，然后按部就班的重復老師講授的操作，這種灌輸式的學習無法激發(fā)學生主動思考問題的能力、缺乏對實驗的思考與深入分析。

再者，課后考核方式單一。以本校學生為例，物理化學實驗最終成績由實驗報告、期末實驗操作和思考題三部分組成。學生的實驗報告均按照實驗目的、實驗原理、實驗儀器與試劑、實驗內容、數據記錄與處理、實驗總結、思考題等固定的模板來寫，缺乏區(qū)分度，無法真正考核學生的知識掌握和運用能力。期末考試的實驗操作考核也是從學習過的實驗中抽取某一個來進行簡單演示，而思考題往往是從教材或者題庫中的題目隨機抽選，學生通常在考試前已經知曉答案，然后通過死記硬背通過考試，同樣不能真正的反映學生對知識的理解和掌握情況。

1.3 缺乏互動，學生參與度低

傳統(tǒng)的實驗教學模式下的三個教學階段中學生只能在上課時間接觸到授課教師。課前預習階段，由于師生之間缺乏溝通，學生無法及時知曉所要進行實驗的教學目標，教師精于備課程內容，而忽視了學生的學習難點。授課過程中，教師只顧單方面的向學生灌輸知識，缺乏與學生之間的互動、交流，不能及時了解學生對知識的理解和掌握情況，導致“學生聽不懂老師在講什么，老師不了解學生對知識的接受程度”這種尷尬現象的產生。因此，當學生在實驗中遇到問題時，教師無法找到學生產生這些問題的根源。課后學生處理分析數據時，遇到問題無法及時向老師反饋，不能得到及時指導。“教”與“學”無法互通，師生無法共情導致整個實驗教學過程中，學生的參與度比較低，教學效果差。

2 以學生為中心的實驗教學改進措施

隨著學生和教育工作者對學習和教育認知的提升，這種傳統(tǒng)的教師起主體作用的教育方式和教學方法越來越受到詬病。以學生為中心突出學生是每一堂課的主角，學生自己掌握學習的主動權，教師積極引導和輔助學生自主學習，充分和學生互動，調動學生的積極性和參與度，注重采用啟發(fā)式、討論式等方法進行講授和溝通，對于培養(yǎng)非標準化、有獨創(chuàng)能力的學生具有重要意義。

2.1 混合教學，豐富實驗授課方式

在以學生為中心的實驗教學中，采用線上線下、課堂內外相結合的混合式教學方法。在課前實驗預習階段，教師借助雨課堂、釘釘平臺或微信、QQ群，發(fā)布實驗教學任務，明確實驗目標。并上傳錄制的實驗操作步驟和儀器使用的微視頻，幫助學生理解實驗。針對學生在預習階段無法動手操作的問題，可借助虛擬仿真實驗平臺進行虛擬實驗(如圖1所示)，加深學生對即將進行的實驗的理解，提高學生的自主學習能力，改善預習效果。通過借助虛擬實驗提升教學效果已在很多高校中得以驗證[5]。學生將自己預習和虛擬操作過程中遇到的問題，在平臺或討論群中進行反饋，作為線下授課時教師對重難點問題進行針對性講解的依據。通過借助虛擬仿真平臺進行實驗預習，可以提高學生對理論知識的理解和對實驗的興趣，在線下實際操作時降低實驗失敗率，增強學生做實驗的自信心和成就感。線下課程結束后學生可再次回到平臺或者討論群中進行問題討論，同時也可在虛擬仿真操作平臺上進行后續(xù)的實驗改進與探索。例如，探究改變實驗參數對實驗結果的影響。此外，實驗報告不拘泥于固定的模板，鼓勵學生把對實驗結果的討論和實驗方案的改進設想寫入實驗報告。

圖1 物理化學實驗(蔗糖水解反應速率常數測定) 虛擬仿真操作示例Fig.1 Example of virtual simulation operation of physical chemistry experiment (determination of sucrose conversion rate constant)

2.2 引導啟發(fā)，提高學生求知欲望

采用啟發(fā)式教學可以讓學生克服傳統(tǒng)實驗教學中對抽象的原理理解不深，對實驗過程消極照搬的被動學習現象。實驗教學開始前讓學生帶著問題去學習，例如在純液體飽和蒸氣壓的測定實驗中，讓同學們思考：海拔高的地區(qū)和海拔低的地區(qū)水燒開時的沸點有什么不同？再讓學生聯(lián)系日常生活：用高壓鍋能夠縮短煮飯時間的原理是什么？通過對實際案例的分析，讓學生加深對克勞修斯-克拉伯龍方程的理解。通過問題導入的形式促進師生、生生間的互動，活躍課堂氣氛，激發(fā)學生進行實驗的興趣。

實驗結束后在遇到共性問題時，啟發(fā)學生進行知識點的聯(lián)系，同類實驗的比較。例如在化學動力學模塊，通常設計乙酸乙酯的皂化反應、蔗糖的水解反應和丙酮碘化三個不同的實驗，引導學生思考：為什么都是求解反應速率常數，卻分別采用了三種不同的方法測定反應物或產物濃度隨時間的變化？通過分析整理共性問題，啟發(fā)學生把知識融會貫通，在處理其他動力學反應時能夠舉一反三。通過引導啟發(fā)式教學實現教師是學生學習的促進者，教學是師生交往、積極互動、共同發(fā)展的過程。

2.3 因材施教，鼓勵學生探索創(chuàng)新

以學生為中心需要授課教師站在學生的角度看待教學問題，加強師生之間的互動交流，及時跟蹤掌握學生的學習動態(tài)，積極引導增強學生學習的主動性，激發(fā)學生進行實驗的興趣和熱情。在以學生為主體的實驗教學中還需要考慮學生的差異性，對學生因材施教，既要對基礎差的學生進行學習信心培養(yǎng)，也要滿足求知欲較強的學生對實驗技能的需求。對于后者可設置一定挑戰(zhàn)性實驗項目，鼓勵其利用物理化學實驗中的儀器設備進行開放型實驗，例如，利用旋光法測定日常生活中蜂蜜的有效成分，通過測定蜂蜜水分解前后的旋光度，結合總糖含量，計算蔗糖、葡萄糖和果糖的含量[6]。

圖2 以學生為中心的教學設計圖Fig.2 The diagram of student-centered instructional design

3 以學生為中心的教學面臨的挑戰(zhàn)

開展以學生為中心的新型實驗課堂同時也面臨著許多困難與挑戰(zhàn)。對授課教師而言，需要弱化教師在教學中的權威性，營造讓學生感到放松，敢于表達的課堂氛圍；需要了解不同學生對知識的掌握程度，按照學生的差異因材施教，準備出每個學生都能參與的教學設計；需要把學生的興趣點和教學的目標連接起來，調動學生學習的熱情。此外，還需要具有能接受教學內容有限，教學效果不會立竿見影，但相信會對學生有積極影響的良好心態(tài)。總之，以學生為中心的教學并沒有弱化教師的責任和教學能力，相反是對教師提出了更高的要求。

4 結 語

在以學生為中心的物理化學實驗教學過程中，通過豐富授課方法、開展引導啟發(fā)式教學、尊重學生的個性化學習等方面貫徹把學習者放在主體地位的教學理念。教師努力成為學生學習過程中的引導者、輔助者、支持者，與學生形成互相合作、教學相長的學習環(huán)境，對于調動學生學習主動性和參與度，改善教學效果，提高人才培養(yǎng)質量具有重要意義。就學生發(fā)展而言，主動性學習有利于自我價值的實現；從教育意義方面，強調學生的主體地位有利于學生未來適應社會對應用型和創(chuàng)新型人才的需求。