物理化學融合實驗的設計與教學
——以電動勢測定實驗為例

宋潔，周守勇，徐繼明，趙樸素，皮武

淮陰師范學院化學化工學院，江蘇 淮安 223300

世界范圍內的國力競爭說到底是人才的競爭，當前，實現中華民族的永續發展尤其需要“提高高等教育質量，要加強創新型、應用型、技能型人才的培養”[1]。“創新”是重要的科學精神之一，對于化學學科而言，實驗課又是實施全面化學教育的一種最有效的教學形式[2]，科學的精神、分析問題、解決問題的應用能力需要通過高效的實驗訓練才能達成。既要傳授化學知識和技術，更要訓練科學方法和思維，還要培養科學精神和品德，是“全面的化學教育”觀對化學教學的要求[3]，同樣是創新型、應用型、技能型人才培養的指導思想。

物理化學實驗屬于基礎實驗，主要是驗證性實驗[4]，一般流程為：學生課前完成預習，教師課上講解并指導學生完成實驗，學生課后處理實驗數據并完成實驗報告，最后教師批改實驗報告評定成績。這種“照方抓藥”的傳統教學模式很難滿足高質量人才培養的需求[5]。其弊端主要有：1)課程結構簡單，與能力訓練要求不匹配；2)教學內容滯后，與科技發展脫節；3)教學方法陳舊，訓練成效難以提高；4)評價方法單一，難以量化和反饋等。因此，有必要重構傳統物理化學實驗的教學模式。通過調整課程結構[6,7]、整合優質資源[8,9]、優化教學方法[10,11]等途徑，在有限的課時內提升實驗課堂訓練的成效，促進“知識容器型人才”向“創新應用型人才”的轉變，是化學實驗教學改革研究的方向。

1 融合實驗設計方案構建

從認知心理學角度分析，物理化學實驗知識包含陳述性知識、程序性知識和策略性知識三大類[12]，前兩者分別指實驗原理和實驗技能，策略性知識是將感性認識上升為抽象知識的“思維訣竅”[13]，即“學會學習”的本領，它是創新應用能力的核心，需要在嘗試、應用、鞏固等場景中反復訓練而習得，單一的驗證性實驗難以達成，這也是造成傳統基礎實驗訓練不深入、效果不理想的關鍵因素之一。

如圖1所示，以電動勢測定實驗為例，通過資源整合和內容調整后，將傳統基礎實驗分解并拓展為仿真實驗、基礎實驗、探究實驗、綜合實驗一體化的融合實驗，再根據實驗內容的特點，對應地將策略性知識分解為感悟嘗試策略、反思應用策略、遷移鞏固策略、課后拓展策略。在實驗各環節，顯化的策略性知識更容易被評價和反饋，從而有效落實創新能力的訓練。

圖1 仿真嵌入式物理化學融合實驗模式示意圖

與傳統實驗相比，融合實驗采用結構化的模塊，提高了訓練的總體要求；前端嵌入仿真實驗，對教學內容進行補充和更新；在實際教學中，教師退位讓權，保持啟發式教學法的覺察；通過評價指標的建立，實現產出評價的當堂反饋；此外，將自主知識產權的自制儀器及科研成果應用于實驗中，融思政教育于實驗過程中，按照全面的化學教育觀的要求實施改革并實踐。

1.1 仿真實驗——感悟、嘗試策略

通常講解實驗原理時，一般采用電路圖加文字表述的方法。學生比較難理解對消法測定可逆電池電動勢時“既要保持電路暢通，又要保持電流為零”。為此，利用NOBOOK虛擬仿真平臺搭建了對消法測量可逆電池電動勢原理的虛擬實驗。除了教師課堂演示外，學生也可以從選元件、連接電路到測定過程全程模擬實操，直觀感受測定過程中如何通過滑線變阻器的調控電流為零，直至徹底弄通電動勢測定的原理，感悟嘗試電動勢測定認知策略，為后續實驗奠定基礎。游戲化的仿真操作體驗有助于降低認知難度，從而有效激發學生的學習興趣。

1.2 基礎實驗——反思、應用策略

融合實驗中的基礎實驗仍然是“電動勢測定”教學的核心內容，需要依次完成以下任務：理解實驗原理、制備電極、組裝電池并學會測定可逆電池的電動勢。采用教師自制測定裝置進行實驗(ZL201510030349.4；ZL201010149763.4)，學生對實驗過程的反思和總結認為：前面仿真實操的加入，對原理的理解更加深入，應用操作的策略更加得心應手；自制儀器的組裝更便捷，使得測量結果準確，同時節約了不少時間。

1.3 探究實驗——遷移、鞏固策略

探究實驗有2個，分別是：1)比較兩套自制儀器組裝電池的電動勢并討論；2)比較兩組電池作電源的工作情況并討論。如表1所示，探究實驗環節不僅能夠考查前面實驗環節的產出目標(1-5項)(表1)，同時還涉及科學研究態度、辯證思維、團隊協作等重要的科學思維和品德(6-8項) (表1)。后續綜合實驗拓展中還包含可持續發展理念，材料應用簡介。鼓勵有興趣的同學繼續參加相關研究。探究實驗能夠很好地訓練和考查知識的遷移和鞏固策略，鍛煉學生分析解決實際問題的知識應用能力。

表1 融合實驗產出評價目標及認知策略分解表

1.4 綜合實驗——課后拓展策略

綜合實驗來源于師生共同研究的“創新”和“應用”成果。1)教師自制儀器中的隔膜材料來源于農業廢棄物秸稈，將其應用于教學中，有效激發了學生自主創新的意識和信心。2)學生利用秸稈降解廢液組裝成電池，降解廢液的同時，產生電能，樹立了低碳環保的理念，在第11屆全國大學生節能減排社會實踐與科技競賽中獲得二等獎。3)師生的科研及獲獎成果編制成綜合實驗，用于知識拓展和科普宣傳，為感興趣的同學提供延伸探索的課題。

2 融合實驗教學方法改革

全面的化學教育中提出實驗教學方法要用啟發式，不要用注入式[3]。新時代大學生除了需要掌握專業課的基本知識和技能外，還需鍛煉溝通、合作、管理等關系的協調能力。物理化學實驗課的開設在大三階段，學生已修完專業基礎課程及實驗，已具備基本的專業知識和實驗技能，具有與教師討論、探究實驗的愿望與能力。從教學內容來看，電動勢測定實驗的技術難度和風險指數都不算高，具備教學方法改革的良好條件。在社會有需求、學生有能力、改革有條件的前提下，如何充分激發學生的自驅力，真正實現“學生在課堂的中心位置”，是值得探討的重要議題。

2.1 課堂角色關系重構——“教師讓位、學生中心”

如圖2所示，傳統課堂上，教師需要負責實驗準備、實驗示范和講授以及安全督察等工作，學生的主要任務是完成規定的實驗即可。在融合實驗中，從12名參加實驗的學生中選出材料員(1-2名)、學生小助教(2-3名)、學生安全員(1-2名)，他們需要完成自己的實驗任務外，還要在教師的協助下，分別負責課前實驗準備、課中組織總結討論，以及全程安全督察等原先全部由教師來完成的工作任務。教師實質性的讓位、讓權充分調動了學生的主觀能動性。

圖2 課堂教學形式轉變示意圖

2.2 師生關系重構——“多重角色、競爭合作”

在傳統實驗中，教師是施者，學生是受者，師生、生生之間的關系單一，關系重構后，教師“讓教”、學生“自教互教”，教師與學生、學生與學生之間形成了多重關系。

從學生的角度來看，根據埃里克森人格發展理論[14]，大學生所處的年齡階段特別注重自己在別人眼中的形象，以及他在社會集體中所占的情感位置，大學生在各自崗位上的課堂表現更加積極，尤其是獲得教師和同伴的需要和認同后，自信心不斷增強。有研究表明，志愿服務和社會實踐對大學生角色的社會化作用明顯[15]，課堂多重關系增加了溝通機會，有助于學生未來的社會適應。

從教師的角度來看，關系重構后，教師需要改變觀念、態度和交流方式。首先從權威立場中撤出，和學生一起討論，而不是立刻給出答案，促進學生更多地思考和探索。當實驗中出現失敗和錯誤時，教師的態度要包容，引導鼓勵學生自己找出答案。以溫和且堅定的方式與學生平等交流，從能說會道轉變為能忍會讓，并時刻覺察和協調多角色間的關系。課外，教師要花更多的時間投入研究和改革，同時需要進行更多的學習、實踐和反思。

3 融合實驗實施方案及成效

3.1 融合實驗課時安排

大綱規定的教學時數是5課時，每節課45分鐘。在實驗任務要求及總課時不變的基礎上，融合實驗各環節的安排如圖3所示。實驗講解課時不變，用仿真實操代替原理講解。新的電動勢測定儀器及自制電動勢測定裝置替換老的儀器和裝置，共計節約40分鐘，用于后續探究實驗及產出評價，總結討論部分拓展了綜合實驗的簡介，總結部分由小助教、安全員和教師共同完成。多層次的總結能夠更加全面有效地鍛煉學生的溝通表達能力。實踐證明，該方案時間和任務安排合理，教學效果良好。

3.2 融合實驗課堂思政

電動勢測定實驗中豐富的思政元素為課堂思政的實施提供良好的條件。表2列舉了電動勢測定實驗的部分思政素材。選材貼切的主題、過渡自然的表述有助于產生師生共鳴，在實際教學中取得了良好的效果。

圖3 電動勢測定實驗的課時分配及任務安排對照圖

表2 課堂思政元素實施情況

3.3 融合實驗教學改革成效

1)融合實驗——構建高效課堂。

傳統基礎實驗的訓練內容及方法單一。融合實驗的前端嵌入仿真實驗，能夠幫助學生更好地理解抽象概念和原理等陳述性知識，基礎實驗完成之后增加了探究性實驗，能夠強化并反饋程序性知識的掌握情況，課后的綜合拓展實驗，能夠為學有余力的學生提供深入探索的機會。在融合實驗的教學情境中，學生參與度和積極性明顯提高，達成度指標的完成情況更好。

2)自制教具——探索教改之路。

近二十年來，教師以科研項目為依托，開展以“實驗裝置改進”為目標的實驗改革，獲得了多項自主知識產權的自制教具，并在實驗教學的過程中不斷改進。以電動勢測定裝置為例，如圖4所示，自編實驗教材中使用了改進的第二代裝置，之后繼續研制了第三代、第四代裝置，均獲得國家發明專利授權，在教學中應用得到良好反饋。

圖4 電動勢測定裝置改進過程示意圖

3)教學相長——促進人才培養。

教師通過教改課題、大創項目等形式組織學生共同研究，將成果申報學生自主知識產權、撰寫論文，在教學應用中持續改進，師生共同努力，取得了系列創新成果(表3)。2021年，根據創新成果整合設計而成的電動勢測定融合實驗獲得了專家和同行的認可，榮獲“全國高校教師教學創新大賽”三等獎。

表3 電動勢測定融合實驗研究中師生產出創新成果一覽表

4 結語

融合實驗始終以全面地化學教育觀為指導，以“學生為中心，教研相結合”為理念，對傳統實驗的課程結構、教學內容、教學方法和評價手段進行了改革，強化知識的理解和技能的應用，更加注重知識的遷移和創新能力的訓練，把策略性知識習得的過程分化于實驗的不同階段，通過明確的評價指標當堂考查產出目標及策略性知識的完成情況，在實踐中邊教邊改，取得了良好的教學效果，同時也發現了新的問題：1)仿真實驗自主研發技術的局限，部分實驗暫時無法實現仿真化，應加大開發投入和力度；2)探究性、綜合性實驗的推廣受到實驗設備條件及學時的限制，應申請協調和保障；3)教師投入的教學精力有限，設法調動實驗教學改革的積極性。

參照上述融合實驗的理念與模式，以教師自制教具和探究實驗開發為核心，根據不同實驗的特點，對物理化學實驗的大部分項目都進行了改革，已經取得顯著效果。如：溶液表面張力的測定、燃燒熱的測定、乙酸乙酯的皂化反應等實驗。從已有改革實踐來看，該實驗教學改革的創新模式通過在實驗設計和實施環節上的多元賦值與高效釋放，同時注重實驗效果的及時評價，對于化學實驗改革具有較大參考價值，經過不斷發展和完善，一定能在更大程度上促進創新型、應用型、技能型人才的培養。