基于STEM教學理念的分析化學實驗教學新模式探索
——以“自來水硬度測定”為例

湯宏勝，馮婷，張天龍,＊，李延，李華,2

1西北大學化學與材料科學學院，西安 710127

2西安石油大學化學與化工學院，西安 710065

1 分析化學實驗教學的現狀分析

分析化學實驗是高等學校化學、化工等相關學科的一門重要基礎實驗課程，要求學生建立“量”“誤差”“均值”“相對誤差”和“有效數字”等的基本概念，學習領悟分析化學實驗的原理和方法，學會正確規范使用實驗儀器，合理安排實驗步驟，掌握基本操作技能，正確記錄、處理實驗數據，正確分析實驗結果。重點培養學生的實際動手操作能力和實驗現象的觀察能力，實現基本理論和實踐的結合和融會貫通，激發學生的科學探索精神和創新思維能力。

經過多年的分析化學實驗教學實踐發現，傳統的實驗教學模式[1]存在以下弊端：(1) 學生自主發揮的空間較少，缺乏主動思考，機械式完成實驗，無暇思考與探究，不利于學生創新思維的培養；(2) 教師專注于知識傳播教育，強調學生必須掌握分析方法、實驗原理及實驗技能等，而忽視了學生解決問題能力和科學探索精神的培養；(3) 在實驗過程中，學生只是根據實驗講義和教師的講解完成實驗，缺乏主動性，難以實現理論與實踐的結合，難以達到教學目標；(4) 考核方式過于簡單，實驗成績評定的主要依據是實驗報告，而實驗報告只能體現學生的書寫、實驗數據的記錄和分析等，無法對實驗過程、科學思維等方面進行全面評價，不利于全面考查學生的綜合實驗素質。這些問題導致傳統的分析化學實驗課程不能很好地培養學生分析問題和解決問題的能力，也實現不了創新思維能力的培養，不利于創新型人才培養。

近年來，隨著現代信息技術的飛速發展和應用，新型教學模式不斷涌現，以微課為基礎的翻轉課堂教學模式[2,3]，以及網絡在線課堂、大學MOOC、線上視頻教學、虛擬實驗平臺等新型工具的應用，一定程度上提升了學生的學習主動性和學習興趣，能夠改善傳統教學模式無法滿足學生個性化學習需求的現狀，并且收到了較好的教學效果。然而，這些新型教學模式對學生的創新意識和科學探索精神的培養是有限的，也不利于學生自主學習探索能力的培養。

2 分析化學實驗教學新模式——STEM理念

STEM教育理念[4]是由美國國家科學委員會于1986年提出的，它綜合了科學(Science)、技術(Technology)、工程(Engineer)、數學(Math)四個方面，旨在解決創新人才不足的困境。目前，該教育理念已經被歐美等發達國家廣泛采用，我國各大高校也開始探索并實踐STEM教育理念在教學中的應用。為了提高學生的創新思維能力、分析問題和解決問題能力，實現創新型人才的培養。我們將STEM理念用于分析化學實驗教學新模式探索，通過對課程教學流程再造，對原有的教學內容設計、課堂教學過程、學生成績評價等各個方面進行優化與調整。以全面提高學生對理論知識的綜合應用能力、分析和解決問題的能力，引導學生積極思考、主動學習，提高學習的學習興趣，激發學生的科學探索精神和創新思維能力，從而實現創新型人才的培養。

基于STEM理念的分析化學實驗教學過程如圖1所示，主要包括情境引入、問題探索、科學實踐、知識擴展和成績評價等五個教學環節。(1) 情景引入：教師引入實際問題，明確任務目標，學生回顧相關理論知識，查閱相關資料，并分組討論，形成問題初步解決方案；(2) 問題探索：各小組自主完成實驗方案設計，包括實驗原理、實驗內容、相關儀器、實驗步驟等內容，授課教師參與實驗方案討論，并形成方案修改完善意見，學生進一步優化并確定實驗方案；(3) 科學實踐：學生進入課堂進行實際實驗，規范執行實驗操作，仔細觀察實驗現象，準確記錄實驗數據，教師檢查學生操作正確性和規范性，解答學生實驗過程中的各種疑難問題；(4) 知識擴展：教師指導學生進行數據處理和實驗總結，學生處理實驗數據，完成實驗報告，總結實驗得失，解答思考題；(5) 成績評價：通過學生自主設計的實驗方案、完成實驗的基本情況、實驗數據處理、實驗報告的完成情況、課程目標的達成情況等綜合評判實驗成績，學生可以根據實驗報告評價結果，總結實驗得失，鞏固相關知識。將STEM教學理念引入分析化學實驗課程教學過程中，需要從課前、課堂和課后三個方面對分析化學實驗教學內容進行優化與調整，以實現分析化學實驗教學培養目標。

圖1 基于STEM理念的分析化學實驗教學過程

2.1 課前準備

課前準備包含情景引入和問題探索兩個環節。由原來的學生按照教材進行預習，熟悉現成的實驗方案，轉變為引入實際問題，確定任務目標，由學生根據相關理論知識和相關資料，進行實驗設計，完成實驗方案。進一步和教師進行實驗方案的充分討論，確定最終實驗方案。整個過程由學生主導，自主完成，根據實驗任務，可以對學生進行分組，組內學生分工探索，共同完成實驗方案。實際操作過程為教師提前2周布置待解決的問題，要求學生分小組在課外自主討論并形成實驗方案，約定提前一周在課堂留出時間和教師討論優化，提出修改完善意見，并在該實驗開始前確定。以西北大學化學專業分析化學實驗課程為例，共有72學時，10個實驗項目，其中前2周次課程為儀器操作練習和滴定練習，為后續實驗打基礎，不使用STEM模式教學，可在課堂上直接布置后續實驗；在確定實驗方案時，因各小組實驗完成進度不同，在學生完成本次實驗后，和教師討論上周布置的實驗方案；在該實驗課堂不再進行實驗統一講解，學生按完善后的實驗方案，自主完成實驗。

以自來水總硬度的測定為例(如表1所示)，給出實驗擬解決的實際問題為“如何通過滴定的方法準確測定自來水硬度？”，同時給出實驗涉及的基本原理：測定水的鈣鎂總硬度時，在pH = 10的緩沖溶液中，以鉻黑T (EBT)為指示劑，指示劑與鈣、鎂離子形成酒紅色的絡合物，滴定時指示劑被EDTA從絡合物中取代出來，至終點即恢復指示劑本身的天藍色；同時需要掩蔽Fe3+、Al3+、Cu2+、Pb2+、Zn2+等金屬離子。

表1 課前預習需要完成的事項——以“自來水硬度測定”為例

在此基礎上，要求學生自主查閱學習相關知識點：水總硬度、鈣硬度、鎂硬度、暫時硬度、永久硬度、絡合滴定、EDTA溶液、標準溶液的標定、鉻黑T指示劑、掩蔽劑等；按組完成實驗方案，主要包括實驗所需的儀器和試劑、實驗內容、溶液的配制、標準溶液的標定、待測溶液的滴定、操作步驟、實驗注意事項等內容；由學生以小組的方式完成實驗預習環節，主要包括實驗原理、實驗內容及實驗步驟的實驗方案，要求細化到每一步溶液的配制、標定，實驗現象的觀察記錄，數據記錄表格設計，并在課前和教師討論實驗方案，完善并確定最終的實驗方案。

2.2 課堂教學

對于STEM理念的分析化學實驗新模式教學，需要教師和學生在課前投入大量的精力完善實驗方案。課堂教學是主要的科學實踐環節，首先由教師按組確定各組的最終實驗方案，由學生合理安排實驗步驟，正確使用實驗儀器，仔細觀察實驗現象，正確記錄實驗數據，自主完成實驗。由于學生課前自主設計了實驗方案，對實驗內容及操作步驟非常清楚，不需要教師再重新講解相關實驗原理、內容和步驟。分析化學實驗新模式教學下的教師課堂教學重點關注以下四點：(1) 仔細觀察學生的實驗操作，及時糾正錯誤或不規范操作，耐心指導操作不規范的同學，督促學生嚴格按照規范性操作的要求去完成實驗；(2) 檢查實驗記錄的規范與整潔，在認真觀察實驗現象的基礎上及時準確記錄實驗數據，不涂改、不在實驗報告以外記錄、不用鉛筆記錄等；(3) 關注實驗安全，督促學生保持臺面整潔，養成良好的實驗習慣，提升實驗操作水平；(4) 解答學生的疑難問題，引導學生利用理論知識解釋實驗現象，探討相關知識，開拓學生思路。

對于分析化學實驗課的教學，教師不再按照傳統模式進行課堂講解，課堂轉變為學生主導完成實驗過程，培養學生分析和解決問題的能力，引導學生積極思考、主動學習，提高學習和探索研究的興趣，激發學生的科學探索精神，培養創新思維能力。教師主要關注學生實驗過程中操作的規范性、實驗現象觀察的細致程度、實驗記錄的規范清晰情況，負責解答學生實驗過程中各類問題的疑難，啟發學生根據理論知識解釋實驗現象，將理論與實踐相結合，實現知識的融會貫通。

2.3 課后總結擴展

實驗完成后，學生需要分析處理實驗數據，解答相關思考題，完成實驗報告，并可通過小組討論，回顧實驗過程，擴展理論知識，對實驗方案進一步評價完善，總結實驗得失。教師可參與小組對實驗方案實施效果的討論，引導學生利用理論知識分析解釋實驗現象，指導學生處理實驗數據，總結和評價實驗結果。

3 實驗成績評價

傳統的分析化學實驗教學考核方式比較單一，主要通過實驗報告給出最終考核成績，無法對學生進行全面評價，無法客觀反映學生的實驗技能和實驗水平。按照STEM教學理念，通過指導學生自主完成任務的方式進行教學活動，教師在課前、課中和課后都深度參與到學生的學習活動中，可以更加客觀地對學生的每一個環節進行評價，評分內容可以擴展到教學過程的每一個環節(如圖2所示)，主要是實驗方案、實驗過程和實驗報告這三個部分，成績分別占30%、40%和30%，并在各個部分進一步進行細分，以全面考查學生的實驗綜合能力。

圖2 基于STEM教學理念的分析化學實驗考核新方式

4 結語

將STEM理念引入分析化學實驗教學，改變了傳統的教師主導的課堂模式，契合了新工科的培養理念，通過以學生為中心、以真實問題為牽引，讓學生通過相關課程理論線索，自主設計實驗方案，完成實驗過程和實驗結果數據分析，從而解決實際問題。在解決問題的過程中，充分調動了學生的學習積極性和主動性，提升了學生的學習興趣，培養了學生分析問題、解決問題的能力。同時有助于培養學生嚴謹的科學態度，一絲不茍的科學作風，有助于學生的創新意識和科學探索精神的培養。該教學模式有望進一步應用于其他實驗課程教學過程。