學科核心素養視域下“現代分析測試技術”課程育人模式探索

張宏森　劉琦　王君

摘? ? 要：推進核心素養引導下的教育教學改革已經成為了當今基礎學科教育的熱點。學科核心素養視域下，“現代分析測試技術”教學改革的本質是實現教學真正服務于學生的成長和發展。通過深化學科核心知識理解，問題情景教學法實現轉知成智、化識為能，夯實學科素養基礎；“證據推理”和“四重表征”思維方式的培養，構建學生基于學科特點思考問題、分析問題和解決問題的方法與模式；學科精神、社會責任培養與課程教學深度融合，鑄就學生精神品質，彰顯價值引領在課程改革中的核心作用。

關鍵詞：學科核心素養；現代分析測試技術；育人模式；教學改革

中圖分類號：G640? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ?文章編號：1002-4107（2024）05-00061-03

化學學科經歷了從“雙基”到“三維目標”，再到“學科核心素養”三個發展階段，其變遷過程體現了從學科知識到學科本質再到學科育人的價值轉變，使得化學教育真正服務于學生的成長和發展。“現代分析測試技術”課程作為化學學科的重要分支，其對于學生學科核心素養的形成和發展既具有共性貢獻，又具有個性貢獻。在學科核心素養視域下，基于“現代分析測試技術”課程自身的規律和特點，明晰該課程在化學學科核心素養形成和提升過程中的特定作用，才能充分發揮其育人價值。

一、知識是核心素養之“本”

“現代分析測試技術”課程教學實踐中，長期秉持事實本位知識論和間接經驗論，課堂教學主要以學科事實與信息傳授為主。然而，隨著現代分析測試技術的快速發展和互聯網的普遍應用，“現代分析測試技術”課程教學環境、教學資源和教學方式都發生了深刻變革，課堂教學已經不再是學生獲取現代分析測試技術知識的唯一渠道，其教學內容和教學方式的改革已勢在必行。盡管事實本位知識論的負面影響日益凸顯，但缺少了學科事實與信息，核心素養的培養便成為無源之水、無本之木。將知識內容積淀為學科修養，將知識形式轉化為學科能力，將知識旨趣升華為學科情感。學科知識學習和理解過程本身就是學科素養積淀與形成的過程[1]。因此，“現代分析測試技術”課程教學改革不是淡化甚至否定知識在學科核心素養中的根本作用，而是面對高速發展更新“現代分析測試技術”方法和紛繁龐雜的網絡資源，調整教學內容和方式，提升學生的學科核心素養。

（一）構建合理的學科知識結構

盡管學科知識飛速發展，但構成學科體系基底的學科核心知識和知識結構依舊相對穩定。學科核心知識和知識結構是該學科實質內容的集中體現，只有深入理解核心知識，構建合理的學科知識結構，才能真正提升該學科的核心素養。化學是在原子、分子水平上研究物質的組成、結構、性質、轉化及其應用的一門基礎學科。化學學科對于化學現象的主要研究方式是自下而上，即從原子、分子角度來詮釋物質性質和變化規律。化學學科知識本質上不是讓學生了解學科事實或現象，而是“看”清物質的本質。因此，物質微觀結構的理解是化學核心素養的核心內容。

光譜是“現代分析測試技術”課程的重要組成部分，更是物質結構的“信使”，光譜分析是連接物質微觀結構和宏觀性質的紐帶。近年來，隨著先進科學儀器方法的發展，借助“現代分析測試技術”方法，從分子和量子角度認識反應本質的研究方法已經被普遍采用。紫外、紅外、核磁分析的本質是分子中電子排布、運動以及它們相互作用的反映，是推導物質間反應的規律、預測分子的理化性質的重要依據。這部分內容在定性定量分析中直接應用性不強，且較為抽象，通常在教學中易被忽視。但基于化學學科核心素養，合理增加難度，拓展課程深度，深入理解現代分析測試技術所反映的物質微觀結構特點是“現代分析測試技術”課程教學的重要內容。

（二）間接經驗教學向問題情景教學轉化

“現代分析測試技術”課程教學除分析物質微觀結構外，還包括儀器構造、儀器特點、應用范圍和設備使用。現有教學中，這些知識基本是學科事實與信息，是間接經驗或現成知識，多停留在了解、記憶層面。原本充滿生機與活力的儀器研發過程，進入教材之后變得靜止、教條和僵化，學生缺乏參與儀器研制、完善和實際應用的親身體驗，難以深刻體會到儀器發展中所蘊含的科學思想和研究方法。學生在這種“寄生”性的過程中，獨立思維能力、創新能力、判斷能力、質疑能力、遷移能力很難被提高，甚至于被弱化。

教育的目的不是培養間接經驗接收者，而是培養知識的思考者、創造者。教學過程不是簡單的口耳相傳過程，而是讓學生經歷知識的再現，像科學家一樣去重新“發現”知識的過程[2]。“現代分析測試技術”課程教學的重點由以知識內容學習轉向學科事實所蘊含的科學思想和研究方法的深層把握。在實際教學中，摒棄間接結論的灌輸，代之以問題情境的探究，復演“儀器、分析方法的形成和發展的過程”：采用沉浸式情景教學方法，讓學生置身于儀器研究的歷史背景之中，通過提供指導性問題、討論和團隊合作等方式，“親身經歷”儀器、分析方法的誕生、發展和完善的過程；還原教材隱去的知識探索過程中的生機與活力，感受到科學探索的魅力與神奇，激發學生的學習興趣和主動性。在這個情境過程中，學生針對儀器、分析方法在不同發展階段面臨的問題，認真分析，深入思考，提出解決問題的方法，保證認知向真實情景遷移，實現轉知成智、化識為能，核心素養得到發展和提升。創設合適的教學情境，啟發學生思考，使學生在掌握知識技能的同時，感悟知識的本質，積累思維和實踐的經驗，培養核心素養[3]。

二、思維方式是學科核心素養之“道”

學科思維方式是基于學科核心素養，思考問題、分析問題和解決問題時表現的本能、專業的思維模式。學科思維方式植根于學科內容之中，是學生世界觀與方法論最直接的表現。學科思維方式對學生的終身發展具有重要而長遠的影響。

（一）強化“證據推理”思維模式

科學探究通常都是從情境中發現問題，再根據原始資料或數據等對問題形成假設，通過觀察和實驗獲得事實性證據，基于證據進行推理并對假設進行修正，最終得到科學結論[4]。科學探究過程中，基于證據提出可能的假設，通過分析推理加以證實或證偽，建立觀點、結論和證據之間邏輯關系的“證據推理”扮演著重要角色。“證據推理”不僅是科學研究的基本思維方法，更是學科核心素養的主要組成部分。在實際教學和科研中，學生往往根據一個檢測數據就會得出某個結論，缺少檢測數據和結論兩者關系的建構，大多數學生存在證據意識和推理能力薄弱的問題。強化“證據推理”思維模式，其核心是實現數據向證據的轉換。分析測試獲得的是數據，數據滿足準確性、充分性、相關性材料成為獲得事實性證據。

數據的準確性是指測試結果與實際情況的一致性程度，是數據轉化為證據的前提和基礎，其對于結論的可靠性和科學價值具有重要影響。為確保數據的準確性，一方面，應使用經過驗證的標準方法進行測試，并經過嚴格的評估和驗證，保證檢測結果準確可靠。在缺少標準方法的情況下，需要對測試方法進行重復性、回收率、穩定性、精密度、檢測限、準確度、線性范圍等指標的評估和控制，以確保分析方法的準確性、可靠性和可重復性。另一方面，檢測過程要在質量管理體系下完成，應采用校準、質控樣品、重復測量、空白樣品、樣品標識和追蹤等質量控制措施確保數據的準確性。

數據的充分性指能夠提供全面、詳盡的信息，以支持所要得出的結論，數據的數量和多樣性對于得出結論的充分性至關重要。在樣本選擇時遵循科學的原則和方法，數據的數量能夠代表所研究對象的整體特征，支持所要得出的結論。此外，檢測方法需要具有多樣性，從不同角度、不同條件、不同方法層面獲得能夠相互支持、相互驗證的檢測數據，才能得出更加全面和準確的結論。

數據的相關性主要是數據和結論之間的相關性。通過分析數據之間的關系和趨勢，驗證假設，得出結論。結論應該基于數據的分析和解釋，且能夠合理解釋數據的趨勢、關系或模式。學生往往只停留在簡單地收集和呈現數據的階段，而缺乏深入的分析和解釋。這種表面化的處理方式不僅限制了他們對數據的理解，還限制了他們對所研究問題的深入思考和推斷能力。在科研和教學實踐中，培養學生分析證據之間的關系和趨勢，根據證據的特點和邏輯規律進行推斷，并能夠合理解釋研究結果的能力，不僅有助于學生理解科學原理，還有助于其邏輯思維能力的培養。

（二）構建四重表征的思維方式

思維可視化是一種將抽象的思維過程轉化為可見形式的技術，通過使用圖表、符號、文字、模型等輔助工具來展示思維中隱藏的信息，從而使思維過程更加明確和易于理解。在教學實踐中，思維可視化使原本模糊不清的概念和規律變得清晰可見。基于現代分析測試技術進一步提出“宏觀—微觀—符號—譜圖”四重表征的思維方式。“宏觀表征”是物質的物理化學變化、物理性質和相應性能的表征。“微觀表征”的對象是包括分子、原子、電子微觀物質或其相互作用，是宏觀現象所反映的微觀本質。“符號表征”是以化學用語的形式表達物質的化學結構組成方式，是連接宏觀和微觀的“形式”紐帶。“譜圖表征”是以譜圖的形式來表現物質結構和性質，是連接宏觀和微觀的“實質”紐帶，是構效關系更加透徹的表述。

通過“現代分析測試技術”教學熟練掌握四種表征的相互切換來解決化學中的實際問題。例如同系物紫外教學中，物質顏色的變化（宏觀）、分子軌道和帶隙的差異（微觀）、物質結構式（符號）和紫外吸收峰的移動（譜圖）。在分析問題方面：共軛體系小的物質（符號）顏色淺（宏觀）的原因是HOMO和LUMO間的能量差大（微觀），吸收峰藍移（譜圖）。在解決問題方面：將紫外光吸收材料轉換為可見光吸收材料（宏觀）的設計思路是吸收峰紅移（譜圖），HOMO和LUMO間的能量差小（微觀），設計具有更大共軛體系（符號）材料。通過“四重表征”思維方式的培養，提升學生的化學核心素養。

學科思維非自然形成，知識的積累未必帶來學科思維方式的發展，學科思維是在學科的學習中逐步養成。倘若秉持僵化、凝固的知識觀，并以灌輸、訓練的方式教授知識，知識的積累反而可能導致邏輯素養的衰減甚至泯滅[5]。“現代分析測試技術”課程教學過程中，通過探究式實驗代替驗證式實驗，構建學科思維模式，提高學生學科素養。針對實際問題，從學科視角出發，鼓勵學生運用學科知識提出科學假設，重點培養學生發現問題，并將問題轉化為可測變量問題的能力[6]。設計實驗，檢測分析，培養學生收集、整理和分析數據的技能；強化“證據推理”思維模式，將數據轉化為驗證假設和得出結論有力的證據，通過分析推理加以證實或證偽；建立觀點、結論和證據之間的邏輯關系。

三、“學科精神和社會責任”是學科核心素養

之“魂”

一個學科的發展不僅僅是知識技能、思維方式的延續和革新，更是精神、品質的傳承與發展。一種教育缺少科學理想和社會責任感只能是技能訓練和謀取個人利益的工具，因此“科學精神”“社會責任感”是核心素養培養的核心和靈魂。然而，大量思政內容的簡單引入，容易形成“兩張皮”的困境，因此結合“現代分析測試技術”課程特點，基于核心素養進行課程頂層設計，實現核心知識傳授、思維方式培養與學科精神、社會責任深度融合，寓責于教，春風化雨，潤物無聲，方能實現知識思維和品質精神同向同行。

（一）課程科學精神培養

“現代分析測試技術”作為一門“古老而又年輕”的學科蘊含著豐富的科學精神，在教學實踐中發揮著潤物細無聲的教育作用。現代分析測試技術植根于“古老”的分析化學，其長期積淀的科學嚴謹、規范準確的科學精神在現代分析測試技術中進一步彰顯。誤差分析、數據處理、設備校準、結果討論、分析方法學都是對于科學嚴謹、規范準確的科學精神的詮釋，且貫穿整個“現代分析測試技術”教學。并且，理論教學、情境教育、作業習題、實驗實訓共同構成了科學嚴謹、規范準確的科學精神養成的環境。同時，“現代分析測試技術”作為一門“年輕”的學科，不拘泥于傳統束縛，勇于創新，兼容并蓄，接受各種先進的技術成果。底蘊深厚、特色鮮明的學科精神，讓學生身在其中、耳熏目染，并內化為學科素養。

（二）社會責任培養

現代分析測試技術廣泛應用于食品、藥品、環境和能源等多個領域，在社會責任方面可以挖掘大量素材。因此，大多課程都把社會責任作為課程思政的重要內容，但實際效果有待進一步提升。其原因一方面，是社會責任的教育過于空泛，僅是價值觀的說教或觀念的灌輸，學生缺少感知、咀嚼、反思、認同的過程，缺乏發自內心的認同感。另一方面，大量社會責任內容的填加沒有和具體的教學內容有效結合，事件背景介紹過多，甚至于將課程思政轉化為思政課程。

在教學實踐中，社會責任融入課程教學“無形化”，學生感知“有形化”，其重點提升學生社會貢獻認識和情感認同度。教學內容選取色譜分析奶粉中三聚氰胺的含量，原子吸收法測試飲用水中重金屬是否超標，質譜檢測水果中農藥殘留等熱點事件作為教學案例、課后習題。教學方式采用學生作為實際測試人員的情境教學法，除了常規的計算求解外，還要求出具測試結論，并注明對測試結果承擔責任。首先，熱點問題減少背景知識的介紹，避免“喧賓奪主”；其次，可以深化學生對于現代分析測試技術社會貢獻的認知，引發學科認同和歸屬感，激發學生學習熱情；最后，熱點事件情境教學強化了學生社會責任情感與態度的體驗，學生深切感受到“一筆之差”不但關乎產品質量，甚至于生命安全。

四、結語

基于學科核心素養視域下，課程的教學改革實質是由關注課程內容向關注學生的成長和發展的轉換。多年后，具體的儀器和方法的知識可能會被忘卻，但學習過程中所獲得的學科智慧、形成的學科思維、沉淀的學科精神、升華的學科情感將伴其一生。

參考文獻：

[1]? 潘洪建.基于“三維知識”教學的學科素養提升[J].教育研究，2017（7）.

[2]? 徐廣華，孫寬寧.基于知識轉化的學科實踐表達[J].教育研究與實驗，2023（4）.

[3]? 史寧中.推進基于學科核心素養的教學改革[J].中小學管理，2016（2）.

[4]? 楊玉琴，倪娟.證據推理與模型認知：內涵解析及實踐策略[J]化學教育（中英文），2019（40）.

[5]? 張華.論核心素養的內涵[J].全球教育展望，2016（4）.

[6]? 羅秀玲，李銘冰，肖信.論“證據推理”素養及其培養[J].課程·教材·教法，2020（40）.

[責任編輯? 韓曉雨]

收稿日期：2023-10-30

作者簡介：張宏森，哈爾濱工程大學材料科學與化學工程學院高級工程師，博士

基金項目：哈爾濱工程大學教改項目“分析化學課程校企合作建設模式探索與實踐”（2023年）；哈爾濱工程大學第二批研究生立項建設課程改革重點改革項目“現代分析測試技術”（2022年）；哈爾濱工程大學教改項目“學科核心素養導向下，現代分析測試技術線上線下混合教學模式的探索”（JG2022Y043）