課程思政視域下大一新生科學素養構建探索
——以“有效數字”教學為例

彭一鳴，鄧遠富，劉英菊，劉偉章，陳明潔

1 華南農業大學材料與能源學院，廣州 510642

2 華南理工大學化學與化工學院，廣州 510640

3 華南農業大學數學與信息學院，廣州 510642

科學素養概念于1958年第一次被正式提出之后，逐步發展成為各國科學教育的主流認知與重要目標[1-3]。隨著時代的發展其內涵不斷被擴充，2018年的“國際學生評價項目”(簡稱為“PISA”項目，每三年舉行一次)將科學素養界定為具有下列三種能力：① 科學地解釋現象；② 評估和設計研究方法；③ 科學地解釋數據與證據[4]。科學素養是人類可以通過后天學習逐步形成的涵養與特征[5]，2020年5月教育部印發的《高等教育課程思政建設指導綱要》明確指出，理科工科課程的思政教學目標為：通過專業課程、課堂培養學生的科學素養，塑造學生的科學精神，從而形成協同效應，為國家培養合格的社會主義接班人、生力軍[6]。

有效數字是指在分析工作中實際測量得到的數字，包括所有準確數字和一位可疑數字[7,8]，不僅表示數值的大小，而且可以反映出測定儀器的精密程度[9]。其應用范圍很廣，涵括化學、物理、生物、農學、林學、醫學、機械工程、地質勘探等學科，凡是需要測量數據的領域都適用。有效數字是科學素養中最重要、最基礎的技能之一，同時也是培養大一新生科學素養最簡便高效的途徑。“失之毫厘，謬以千里”，大一新生的有效數字問題如果得不到切實有效的解決，將導致其今后的學習與研究工作中任意增減有效數字位數等問題層出不窮，甚至造成結論誤判的嚴重后果[10]。

1 有效數字問題現狀分析

“無機及分析化學”與“基礎化學實驗(無機及分析部分)”兩門課程是華南農業大學面向農林、生科、獸醫、理工等大類非化學專業的大一新生開設的專業基礎必修課程，彼此相互依存，一一對應[11]。兩門課程均開設于大一上學期，是學生入校后最早接觸到的專業相關課程。有效數字知識點是無機及分析化學中第一章學習的內容，在中學階段也有涉及[12]，簡單易懂。課本首先直接介紹有效數字的概念；接著舉例應用；最后強調注意事項。由于沒有直觀介紹有效數字的來歷、其對應的測量儀器以及各自相應的測量方法等，因而學生無法通過課本了解前人總結出有效數字這一概念的化學意義。這一現象造成學生無法理論聯系實際，在實踐中普遍存在兩個方面的問題：① 有效數字隨意記錄；② 有效數字運算時更是任意妄為。

如圖1、圖2所示，學生在有效數字記錄方面主要存在隨意刪減有效數字位數的問題，尤以忽略末尾數字“0”為甚。圖3為鄰苯二甲酸氫鉀標定氫氧化鈉溶液濃度實驗中學生的兩份數據處理截圖。根據有效數字運算規則，實驗中計算得到的氫氧化鈉濃度本應保留四位有效數字，但人為降低有效數字的位數卻可以得到看似更“完美”的實驗結果。可見學生在進行有效數字運算時，遵循的并不是相關運算法則，而是片面追求平行數據的一致性。

圖1 學生實驗報告中隨意記錄測量數據圖示之一

圖2 學生實驗報告中隨意記錄測量數據圖示之二

圖3 學生實驗報告中有效數字錯誤運算圖示

2018年《大學化學》期刊發表的“分析化學有效數字教學中常見問題及分析”一文中也指出[13]：據不完全統計，從2001年到2016年期間，在各類學術期刊上發表的關于有效數字教學論文達9篇之多。既往論文中有詳細介紹有效數字各種運算法則的，也有在實驗中強調應重視有效數字運算操練的，都力圖幫助學生理解并掌握有效數字的概念與運算規則。

綜上所述，有效數字使用不規范問題在實踐中已經十分突出，并已成為持續多年的“頑疾”，遷延不愈，嚴重制約著大學生整體科學素養的提升。有效數字問題是大一新生們整體缺乏科學素養、安全責任意識淡漠的一個縮影。但與其一味苛責學生，更切實可行的方法是教師從傳統的重知識傳遞轉向重視學生能力培養。本文以課程思政示范課堂建設為契機，補齊中學階段應試教育下的德育短板[14]，著力培養學生的科學精神，提升學生科學素養，并使掌握及熟練運用有效數字成為大一新生的一項基本技能，徹底解決該頑疾。

2 有效數字多維教學思路設計

學生在有效數字方面呈現出的種種問題與教師在相關教學實踐中重視運算規則、忽略記錄的問題密切相關。其實有效數字記錄與運算問題的本質皆為有效數字位數保留問題。因此解決的根本之道在于學生的態度與能力兩方面：首先通過課程思政教學模式讓學生了解有效數字的重要意義，改變其漫不經心的態度；其次在講解時詳細例舉學生常見的使用問題，引發學生學習興趣，有效加深學生對知識點的掌握程度；最后反復實操練習，落實鞏固知識點。綜上所述，即為理論課堂、實驗課堂齊發力；線上線下相結合；多措并舉，構建沉浸式教學模式，破解有效數字教學困境，詳見圖4所示。

圖4 有效數字教學多措并舉示意圖

3 教學實施過程

3.1 理論課堂教學重引導

3.1.1 課程導入

首先播放稀有氣體氬氣發現的小視頻：1785年英國科學家卡文迪許在實驗中發現：將不含有水蒸汽、二氧化碳的空氣再除去氧氣和氮氣后，仍有極少量的殘余氣體存在。但是卡文迪許并未對此現象加以重視，進行進一步的探索研究。直到1894年，英國物理學家瑞利測定氮氣的密度時，發現從空氣里分離出來的氮氣每升質量是1.2572 g，而從含氮物質制得的氮氣每升質量是1.2505 g。經多次測定，兩者質量相差仍然是幾毫克。幸運的是瑞利沒有忽略這個實驗現象，查閱相關文獻資料之后，與拉姆塞合作進行一系列研究，最終發現了第一個稀有氣體氬氣，從此打開了通向稀有氣體家族的大門。1894年到1898年短短四年時間，科學家們一共發現了氦、氖、氬、氪、氙等五種稀有氣體[15-17]。

接著讓學生們討論：氬氣的發現被稱為“第三位小數的勝利”[18]。但是如果當時瑞利忽視實驗數據的細微差異，沒有“錙銖必較”，甚至對原始實驗數據隨意處理，將兩次實驗的原始數據記為一位有效數字或兩到三位有效數字，整個實驗的結論將會變成怎樣呢？引導學生們自己思考，意識到有效數字規范使用的重要性。理論課堂的引入部分與思政元素融合情況參見表1。

表1 課堂引入部分與思政元素融合表

3.1.2 有效數字的記錄與運算法則

通過播放教師自制的有效數字知識點微課小視頻，學生從中可以清晰地了解到：① 各類型稱量數據的“來龍去脈”；② 常數或是倍數關系的數據與實驗數據的顯著性差異；③ 各類型有效數字運算規則。接下來讓學生進行互問互答的討論式學習，深化對知識點的理解。

緊接著教師重點展示往屆學生在基礎化學實驗課程中呈現出的有關有效數字記錄方面的典型案例。通過理論聯系實際，具體問題具體分析，針對性地對學生進行強化訓練，打造情境式教學氛圍。同時精心設計導向性提問，層層深入，引導學生多方面、多角度思考，從而真正理解并掌握有效數字知識點，詳情見表2-表4。

表2 有效數字記錄典型案例與思政元素融合表之一

表3 有效數字記錄典型案例與思政元素融合表之二

表4 有效數字記錄典型案例與思政元素融合表之三

通過表2-表4的典型案例分析，幫助學生堵住實踐中可能出現的種種漏洞，切實掌握如何正確記錄有效數字的方法。學生真正理解并掌握該知識點之后，融會貫通，如文中圖1-圖3所展示的有效數字問題自然迎刃而解。

3.2 課后復習線上線下相結合

為幫助學生更有效地復習有效數字知識點，教師在課后持續進行引導：① 組織學生課后自行查閱有關有效數字方面的科學小故事，并在課程學習群里討論，充分調動其主觀能動性；② 在我校的教育在線平臺上觀看教師收集的有效數字相關小視頻，進一步鞏固理論知識點；③ 在線上平臺設立了往屆學生實驗中有效數字錯誤集錦，方便學生理論聯系實際，熟悉實驗室常見情況下有效數字的正確記錄方法；④ 設立線下作業，指導學生進行各類型多維度有效數字運算練習：I-常規練習，包括加減乘除法的混合運算，pH的轉換運算等；II-情境式練習，主要針對真實實驗數據的處理練習。例如要求學生找出圖3中有關有效數字運算方面的錯誤，分析原因并進行改正等。

3.3 實踐教學抓落實

相較于其他知識點而言，有效數字的學習與應用兩方面長期處于“割裂”狀態。因此充分利用與理論課堂相輔相成、互為補充的實踐大課堂——基礎化學實驗(無機及分析化學部分)，切實強化理論知識點教學效果顯得尤為重要。通過實驗現場與實驗報告兩大模塊，強調原始實驗數據記錄與運算的真實性、準確性及規范性，在實踐中深化學生對有效數字的理解與運用，提升學生科學素養，端正學生實驗態度。

在實驗課堂方面：

① 首先告知學生，有效數字的規范記錄與正確運算將作為本學期實驗課程的核心考核對象，在評分上重點傾斜。

② 針對每一次實驗中出現的各類型稱量、測量工具，一一對應，強化練習各自有效數字正確記錄方法。

③ 要求學生必須用簽字筆將所有原始數據記錄在實驗報告專用紙上，同時拍攝所有原始數據得出場景照片備查，實驗結束時必須由教師簽字認可。做到有的放矢，有針對性地指導學生踐行有效數字知識點。

在實驗報告方面：

① 首先在實驗預習報告中讓學生們找出該次實驗可能用到的測量工具，并且注明工具的測量精度。例如：電子分析天平(0.0000 g)；電子臺秤(0.00 g)；滴定管(0.00 mL)。

② 其次提升有效數字正確記錄與運算在實驗報告成績中的占比，在數據處理環節需詳細寫出完整的運算過程，只顯示一個最終數值的實驗報告將評分很低，確保每一位學生掌握有效數字運算法則。例如：在工業五水硫酸銅的提純實驗中，數據處理時不能直接寫出回收率72.6%，需要如圖8所示詳細寫出運算過程。

圖8 工業硫酸銅提純實驗中回收率計算詳解圖示

③ 最后，要求學生將原始數據照片附在實驗報告中，方便學生備查糾錯，詳情參見圖9。

圖9 工業五水硫酸銅提純實驗稱量原始數據圖示

4 教學評價與反饋

4.1 理論課程

筆者教授了196位22級大一新生的“無機及分析化學”理論課程，期末考試卷面最高為95.5分，最低為31分，平均分為77分。在幾十個考核點中，唯有有效數字知識點的考核通過率達到100%。

4.2 實驗課程

多年來，“基礎化學實驗(無機及分析化學部分)”課程期末考試的考題均為：硼砂法標定鹽酸濃度實驗。該實驗需記錄的原始數據多達15個，需進行有效數字運算處理的有8處，歷年來的評分都集中在60分左右的區間段。經過一學期有效數字知識點的精準操練，驚喜地發現學生的期考評分大幅提升到80分的區間段，甚至出現了不少滿分卷。課后不少學生總結留言：“上老師的化學實驗課很開心，雖然感覺嚴格，但我知道是為了鍛煉我們的嚴謹性”“很佩服在一遍遍的重復教學下老師的那份積極性，這也影響著我們”。

4.3 后續實驗課程

我校的基礎化學實驗課程開設一整學年，分別為上學期的無機及分析化學部分與下學期的綜合實驗部分。在下學期的實驗課程中，教改試點班與平行對照班學生之間的相關表現區別顯著。教改試點班學生已經完全掌握有效數字知識點，具備一定的科學素養；平行班的學生依舊存在著較嚴重的有效數字記錄與運算問題，教師不得不對學生進行有效數字方面的二次培訓。由此可見，有效數字多措并舉改革模式卓有成效，已達預期效果。

5 結語

習近平總書記指出[19]，“沒有全民科學素質普遍提高，就難以建立起宏大的高素質創新大軍，難以實現科技成果快速轉化。”大學生科學素養的培養過程并非一蹴而就，需要多方協同，點滴積累。有效數字知識點為所有理科工科類課程涉及，其應用范圍從大一的基礎實驗到大四的畢業論文全覆蓋，具有應用范圍廣、時間跨度長的特點。以有效數字為切入點，構建大一新生的科學素養，具有重要的奠基意義。

實踐證明通過有效數字“組合拳”式的思政教學模式，以培養學生能力塑造學生的科學素養為教學目標，在理論課堂喚起學生的責任心，在實踐中要求學生正確記錄及運算有效數字等一系列措施，扭轉了學生的散漫態度，塑造了嚴謹的科學態度，為理科工科課程的進一步學習打下良好的基礎，取得可喜的教學效果。