分析化學理論與實驗課程結合教學的改革思路

尚曉娜，韓 生，晏金燦， 唐意紅， 張素霞， 藺華林， 李原婷

(上海應用技術大學化學與環境工程學院，上海 201418)

分析化學在20世紀初以四大平衡理論的建立為基礎迅猛發展，后興起的儀器分析滲透于眾多研究領域，如生物、制藥、食品科學、環境等，形成了一套理論體系[1]。分析化學是化學學科的一個重要分支，也是一門基礎性較強，同時具有一定專業性、前沿性的課程。分析化學課程與分析化學實驗課程是分析化學的兩大基礎課程[2]。分析化學課程重點講解基本原理和分析方法，目的是提高學生正確判斷和表達分析結果的能力；學會根據實際情況和要求選擇合適的分析方法，從而擁有解決問題的初步能力，為從事化學、化工、環保等相關領域的工作儲備實驗技能。而分析化學實驗課程一門重要專業基礎必修實驗課程，目的是使學生在實驗過程中加深對理論知識的理解，同時將所學理論知識靈活運用于實驗設計和操作中，培養嚴謹、細致的實驗操作習慣和實事求是的科學態度，提高分析、解決實際問題的能力。近年來，在教育改革的背景下，分析化學的理論與實驗課程已高度統一。掌握分析化學的基本原理和測定方法；樹立嚴格的量的概念，養成嚴肅認真，實事求是科學態度，理論與實驗、實踐相結合；培養解決問題的能力是分析化學理論與實驗課程所秉持的學習方法。對于兩者的關系認知，也有不少文章做出了分析和總結。

1 分析化學理論與實驗課程關聯性淺析

分析化學是各類化學操作的基礎，其教學質量的高低主要取決于教學模式的適應性。各類教學模式因人而異、因時而異、因地而異，需及時調整才能提高其適應性。教育強調地是理論與實踐相結合[3]，分析化學這門課程教學也不例外，其基礎課程包含了理論課程與實驗課程。理論課程偏重基礎理論的認知，而實驗課程側重理論知識的實踐過程與結果分析。由此看來，實驗課程是理論課程的論證和延伸，而理論最初也是在實驗過程中被發現和總結而產生的[4]。因此，兩者相輔相成，不存在孰輕孰重的問題。但從高校授課安排來看，多數情況下是一個先理論授課、后實驗教學的順序，其原因在于有了理論基礎的指導，實驗設計才能更科學、實驗操作才能更簡便[5]。也有不少文章倡導理論結合實驗，實驗結合理論開展教學的授課方式[6-8]。這種理論與實踐相結合的理念也大大提高了教學質量，但在分析化學理論與實驗課程結合開展過程中仍存在一些細節問題。本文就理論與實驗結合教學過程中出現的問題以及如何解決現有問題，結合各種具體的意見，進行了詳細地闡述，以求為未來分析化學課程的發展提供新思路。

2 分析化學理論與實驗課程存在的問題

隨著教育改革的深化，分析化學課程的教育教學方式不斷改進，使教師教學與學生學習的效率極大地提高。但過程中也不乏問題的存在，通過實踐總結和師生交流等途徑，我們還是發現分析化學理論課程與實驗課程結合教學的過程中，存在以下三個方面的細節問題，而這三個方面的問題也存在關聯性，具體如下：

1)理論課程與實驗課程授課書面內容關聯性較強，但實際教學過程中因各種原因較難呼應。例如，在華東理工大學和四川大學編寫的《分析化學》(第七版)理論課程中，第二章的誤差及分析數據的統計處理學習可對應用于實驗課程中第一節實驗數據的采集處理及稱量操作練習，以加強有效數字判定等的應用記憶，但可能因為課表安排等原因，實驗課程可能先于理論課程，或者兩者間的時間間隔太長，以致于學生不能牢記理論知識，在實驗中手忙腳亂、機械應付；2)不同教師擁有各自特色的教學方式，傳授的教學內容在基礎教學的基礎上，其傳輸與延伸內容各有不同。因此，不同教師教授同內容的理論與實驗課程，由于互不了解內容與授課方式，可能會造成學生思維轉換困難，從而影響理論知識與實驗內容的有效結合與理解記憶；3)學生難以將理論所學，靈活應用于實驗內容，更難以實踐創新。除去學生出于僅完成規定任務等原因而主觀的抗拒開拓思路外，還有一個主要原因是理論基礎不扎實，學生大部分時間疲于完成基本教學考核指標，掌握規定的授課內容，沒有過多精力投入創新，甚至在應試心理的驅動下，單就理論與實驗的知識串聯也做不到，而是停留在短暫的機械記憶水平。例如，實驗課中氫氧化鈉(NaOH)溶液的配制和標定，學生是否會提出為什么不直接配制準確濃度的NaOH溶液而是通過標定計算濃度，是否會回憶起理論課滴定分析中講到的NaOH固體標準物質在稱量時易吸收空氣中二氧化碳和水分，引起稱量誤差，進一步地，是否會記起可直接配制標準溶液的物質應具備的三個條件等等。針對以上三點問題，下文對應提出了教學改革的三點思路。

3 教學改革新思路

3.1 理論與實驗無縫銜接，強化記憶

目前，以高校課程教材編寫內容以及課時安排來看，分析化學理論與分析化學實驗教學內容已經得到很大程度的統一，包括先學習誤差及分析數據的統計處理，后進行實驗數據的采集處理及稱量操作練習；先掌握滴定分析中標準溶液的濃度表示方法及配制方法理論，后進行滴定操作練習及酸堿溶液濃度比較以及NaOH溶液的配制和標定；先進行酸堿滴定法的理論學習，再進行硫酸銨肥料的分析測定，以鞏固酸堿滴定操作等。而實際教學過程中理論與實驗課程內容難以呼應的一個重要原因是，兩者的教學間隔時間較長，這往往是由課時調整造成的。課時調整原因包括因教師或學生課時沖突、因教室或儀器沖突(混合有機溶劑的氣相色譜分析所用到的色譜數量有限，不足以供一個教學班使用，從而需要分批進行)、因突發事件調停課(例如新冠疫情的錯峰開學措施，致使線上理論課程早于需線下操作的實驗課程)等。其解決方法是，秉承先理論后實驗教學的理念，使學生在抽象理解該課程內容的基礎上，在理論知識的記憶還未消退的時間段內，將抽象無序轉變為形象有序的操作過程是記憶的關鍵。關于記憶消退時間的把握，要根據實際教學過程反復摸索并準確把握，不同學生、不同課程內容、不同時間段均可能造成差異。因此，提倡理論與實驗教學的時間間隔愈短愈好，例如，理論學習后現場開展實驗應用操作，或者次日進行實驗教學。如因上述在內的各種原因無法及時銜接同內容的理論與實驗課程，可在理論課程結束后，中間穿插有助于知識點鞏固的課后作業，例如，書面上的問答題和實驗預習內容，也可以是師生交流群中授課教師梳理發布的知識群公告以及搶答加分題(如，加分可計算加入課堂表現或課后作業分值中)等等。

3.2 實行理論與實驗配套同教師的辦法，便于了解學生

近年來，高考人數不斷增加，高校招生名額也隨之擴增。雖然各大高校也在擴招教師，但遠達不到“一對一”教學(注：此處，一對一指的是一位教師面向同批學生開設一套課程，包含理論課程與其相關的實驗課程)。例如，將分析化學理論課程分為A、B、C三個遞進層次，分析化學實驗課程也對應分為A、B、C，那么理論A對應實驗A，以此類推。另外，教師往往身兼數職，如教學、科研等校內外其他事務，這使得很多授課教師無法同時開展理論與實驗課程，即使同開兩門課程，或因時間或教室(實驗室)沖突，不得不錯峰開課，從而導致上述3.1小節提到的理論與實驗間隔時間拉長，降低學習效率。其中，所提到的教室或實驗室分配問題也是除教師資源充足與否的另一個普遍存在的問題。因為，給每位教師或每個教學班配套固定的教室和實驗室是基本不能實現的，這種一一分配極易造成資源浪費，尤其是對分析化學這種基礎課程，選課人數居高，意味著課程重復性大。因此，要求教師面向同批學生同時開設理論與實驗課程不論是在自身還是在外界條件上都是有一定困難的。雖然無法保證所有教師同時開展理論與實驗教學，但可以集中資源，盡可能提高以這種方式開課的比例。至于這種方案主要實施的目標對象如何選擇的問題仍具有一定困難。首先，教學資歷較深的授課教師較為了解學生的思維方式，知曉何種教學方式更適合大部分學生，且對理論與實驗課程內容了然于心，可以輕松切換和串聯知識內容，適合這種理論與實驗配套教學方式；其次，新進教師雖對課程不熟，在知識切換與聯系方面較為困難，但新教師大多具有活力，更能體會學生處境，且精力相對集中，思維相對活躍，能更快適應一種新的教學模式，抗拒的可能性較小。新老教師在實施新的教學方案方面各有長短，而條件限制又不可能使所有教師轉換到該教學模式，況且這種教學方式還只是一種新思路，并不能保證完全有成效。因此，建議募集志愿新老教師，以同等比例，在相同或同等教學條件下，以這種理論與實驗課程結合的新的教學模式，開展示范教學工作。正如分析化學所要求的，示范教學需連續開展多次，以便降低數據誤差，提高精確度，便于對比，得出科學性結論。

3.3 及時復現，引導知識串燒

分析化學的學習對于經過高考嚴格遴選的大學生來說并不困難，因為分析化學并非是新學科，而是化學的一個重要分支。因此，對于有一定化學基礎的他們來說，完全有能力較快地掌握分析化學的授課內容。但問題是，學過的知識，尤其是新知識，如果得不到及時反復的鞏固，不久就會被遺忘，這就是所謂的“學得快，忘得快”。因此，授課教師在課上課余需要及時復現之前學過的知識或者經常引導學生去思考之前有困惑的問題，并結合新的知識點，使學過的和在學的、甚至是要學的反復重現，強化記憶，最終將短暫的知識記憶通過科學地重復提示牢牢的印在大腦中并最終轉變為長期記憶。更甚至，每次都會有新的領悟和收獲，這就是所謂的創新起源。針對如何及時復現，鞏固記憶，引導知識串燒，本文提出以下幾種方案供參考：

(1)鼓勵學生理論與實驗結合

正如上述3.1章節強調的，理論基礎知識的學習和掌握，是為了最終能應用于實驗，更好地設計、實施、分析實驗并得出結論。學習過程中，往往有學生將理論與實驗內容分開進行，時間花費很多，卻沒有得到預期結果。這種剝離式的學習方法使抽象的理論脫離了可形象化的實踐轉化，不利于掌握知識點及其實際應用的意義，也不利于形成高效學習方法和培養創新能力。因此，教師在授課過程中，有必要及時提供理論和實驗內容的關聯點，在每次記憶消退前(如上述3.2小節所提)，強化以及深化課程內容的關聯性，如NaOH溶液的配制實驗，采用的是間接法，原因是NaOH固體試劑具有吸濕和吸收二氧化碳的特性，引起稱量誤差，而這不符合理論課所學的直接配制標準溶液的三大條件之一，而準確的配制方法是先配成近似濃度，再用其基準物來確定其濃度，這個過程稱為標定，基準物的四大條件中選用摩爾質量大的決定了我們在實驗過程采用鄰苯二甲酸氫鉀而不是二水合草酸作為基準物，最后在公式計算的過程中還可以穿插有效數字(運算規則等)的鞏固。在這個過程中理論與實驗反復切換，知識不斷向上延伸，最終形成一個知識樹的形式。

(2)引導方式建議靈活多樣

靈活多樣的教學方式具體分為但不限于：第一，小測驗，測驗雖然方法老套，但其持久不衰的原因正是其有效。學生往往有應試心理，為順利通過考試，大部分會復習鞏固學過的知識，也可能在此過程中發現問題，提出問題，教師應該配合及時給予指導來解決問題。雖然從學生角度來說，該方法較為被動，但結果往往最有效。同時，測驗結束并不意味著結束，授課教師應及時總結學生在學習和掌握程度的問題，制定出相應對策，使學生牢記、活用；第二，趣味展現教學內容，包含色彩提供的視覺刺激，雖然色彩對人的視覺刺激會隨年齡的增長等因素減弱，但鮮艷多彩的幻燈片畫面，甚至是不喜歡的顏色，均能引起人們的注意。或者添加符合該年齡段的圖片和小視頻，圖片可以加深印象(例如，標準溶液的直接配制和間接配制步驟對比，可用圖片加箭頭的方式取代文字描述，稱量至溶解至定容可用天平、燒杯加玻璃棒、容量瓶的圖片代替)，而小視頻使學生從注視靜態文字的疲憊中解脫出來(例如，滴定過程中指示劑顏色的變化，滴定終點的肉眼確定可在播放小視頻時形象地指出)，得到短暫的放松，提高學習興趣、輕松掌握知識。第三，接力測試比賽，用現場口述接力的形式取代筆試測試，從被動的回答轉變為主動的思考，是一個真正的學習串燒游戲。即授課教師給出一個知識點，例如誤差的概念并給出簡短解釋，之后由學生接力延伸出知識內容，例如誤差分類中的系統誤差可存在于滴定實驗中的刻度讀取和滴定終點顏色深淺的判斷，屬于人員誤差，再接下來可以是四大滴定及其終點的理論判斷依據等類似知識樹的構建。教師在引導過程中，需要給予積極參與的學生以獎勵，平時分的加分等，鼓勵學生踴躍參與，調動積極性，提高記憶效率和靈活運用能力，也可以鍛煉學生們的表達、互動能力。

4 結 語

分析化學理論與實驗課程是化學學科的必修課程，在化學學科本身及其他研究領域都發揮著顯著作用。為提高教學質量，深化教學改革在分析化學課堂持續不斷地進行。提出分析化學課程中存在的問題，給出轉變教學觀念的新思路以及如何解決問題和實施教育改革已經成為當下教育領域的重點話題。本文總結凝練出分析化學課程中存在的三大問題，其根本在于理論課程如何與實驗課程有效結合，以提高教學和學習效率。針對三大教學與學習過程中的問題，提出了理論與實驗無縫銜接，理論與實驗配套同教師，及時復現、引導知識串燒的解決方案，并通過舉例的方式對提出的思路給出了具體解釋。