“无机与分析化学实验” 模块化教学建设与思考

    马荔 张卫 张利 宰建陶 陈虹锦

    

    

    

    [摘 要]在过去的3年中，上海交通大学“无机与分析化学实验”课程实行了模块化教学。本文从运用建构主义思想指导课程建设、运用组织行为学原理管理课堂等方面探讨了这一实践的原则和效果。模块化教学的目的是确保实验教学质量，并引导学生学习有深度、思考有广度;提出阅读是构建知识的重要环节，利用课前预习索引和思考题，引导学生主动思考;采用问卷调查的方法，让学生参与课程建设，并及时反馈教学效果;设置多种讨论环节，让学生在思想碰撞中实现深度学习。

    [关键词]无机与分析化学实验;模块化教学;教学模式;教材建设

    [中图分类号]?G642?[文献标识码] A?[文章编号]1005-5843（2019）12-0059-07

    [DOI]10.13980/j.cnki.xdjykx.2019.12.011

    化学是一门理论和实验并重的学科，实验教学在理论知识的传授和综合素质的培养中占有着无法替代的重要作用。“无机与分析化学实验”是我校化学、生命、材料、环境、药学、农学等专业的必修课。事实上，这门课在整个化学课程体系中占有举足轻重的地位，既是学生接受系统实验方法、进行实验技能训练的起点，又对学生的认知能力、兴趣取向、创新意识的培养起到至关重要的作用[1]。

    不断发展的时代大环境伴随着科技进步对人才的更高需求，迫切要求不断提高高等学校课程的培养目标。理论课和实验课承载着不同的教学使命，对于实验课，传统的单一化实验教学方法使自学能力、独立思考和创新能力成为大多数学生的薄弱之处。另外，由于实验课单独设课，容易形成理论教学和实践教学“两层皮”的脱节现象。

    根据新时代人才培养理念，以转变教学理念为先导、模块化教学理论为依据，对无机与分析化学实验教学进行积极改革和探索：将教师和学生在课程中的核心需求作为课程建设的关键点，实施科学化训练方法，以提高学生的综合素质;适应当前科学技术发展对创新人才的需求，为今后相关学科的学习和科学研究打下坚实的基础。

    模块化教学法符合建构主义学习理论。根据该理论，为了有效地完成知识的建构过程，学生必须由外部刺激的被动接受者和知识的灌输对象转变为信息加工的主体、知识意义的主动建构者;教师必须由知识的传授者、灌输者转变为学生主动建构意义的帮助者、促进者，让学生在课堂中实践、在实验项目开发中掌握所学课程的知识点，实现知识迁移和能力提高[2][3]。本着这样的教学理念与目标，在课程建设中实施了一系列措施。

    一、明确课程目标，寻找适合的教育教学理论

    实验教学的目标是让学生通过课程学习获得知识和了解化学实验的重要作用，并学会举一反三地应用知识，进一步构建出化学实验的基本框架;以实验的基本技能、方法和思想为实验教学主体，培养学生的基本化学素质;通过综合设计性实验环节，提高学生的综合实验能力，并使他们养成严谨的科学素养[4]。

    实现这样的目标需要以转变教学理念为先导。教学理念需要关注学生的进步和发展，关注教学效益，关注可测性和量化。同时，教师需要具备反思意识。每一名教师都要不断反思自己的日常教学行为：“我的教学有效吗？”“什么样的教学才是有效的？”所以，有效的教学需要合适的策略[5]。

    为此，需要寻找新的“学习”的含义，即需要教学以学生为中心，强调学生对知识的主动探索、主动发现和对所学知识意义的主动建构。这正是建构主义的核心所在。建构主义认为，知识不是通过教师的传授而得到的，而是学习者在一定的情境（社会文化背景）下，借助其他人（包括教师和学习伙伴）的帮助，利用必要的学习资料，通过意义建构的方式获得的。建构主义提倡教师指导下以学习者为中心的学习，也就是说，既强调学习者的认知主体作用，又不忽视教师的指导作用。教师是意义建构的帮助者、促进者，而不是知识的传授者与灌输者[6]。那么，发挥教师在课程中的作用至关重要。我们应用组织行为学理论对课程进行管理。组织行为学是研究一定组织中人的心理和行为的规律性，从而提高管理者的行为预测和引导能力，以便更有效地实现预定目标。教师在课堂中实现自己的教学设想，需要对课程进行全方位的管理，这属于组织行为学中“人—人”管理的范畴。教师应努力营造课堂教学文化，引导学生积极思考、参与教学，鼓励学生之间互动，完成课程教学目标。仔细分析教师和学生在课程中的核心需求，是课程建设的关键，而课程建设的“意义”应该是课程目标中的知识、能力、素质，教师要成为学生建构“意义”的帮助者[7]。

    二、分析问题症结， 确定模块化教学模式

    “无机与分析化学實验”是一门独立的课程，传统的做法是实验内容主要注重知识传授和实验技能培养，采用的教学方式主要为课前预习，课上讲授、示范、练习、指导相结合的授课方式。这样的教学过程虽然可以达到学习化学实验基本知识的目的，但学生的主动性往往不强。在多年的“无机与分析化学实验”教学实践中，我们不断地对教学进行总结和研究，并在近几年实施了模块化教学。但是，模块化教学应该分成哪几个模块？每一个模块的教学应该怎样实施？怎样才能达到教学目标？这些都是需要关注的问题。

    2015年，学校开始实施生命、化学、农学、药学、环境专业的大类招生培养计划， 2015级“无机与分析化学实验”课程的教学内容和学生的学习重点如表1所示。

    从表1可以看出，实验内容以基本实验为主，如基本操作实验、实验原理验证实验，少部分为综合性设计实验。虽然近几年也对实验内容进行了更新，力争使化学实验体现综合性，并提高学生的参与度，让实验课有利于提高学生的综合素质和创新能力，为学生后续的深造和就业增加竞争力，但是教学是随着时代进步的，教学和课堂的基本功能不能一成不变，培养目标和教学要求也应有所改变，需要学生在学习时明确自己的任务，在巩固基础的前提下，重视知识应用和能力提高。因此，必须对“无机与分析化学实验”教学模式进行改革，以适应当前科学技术发展的综合化、整体化趋势。也就是说，课程教学目标应注重学生创新能力培养的教育趋势。于是，通过分析实验课程的特点，调研其他院校的实验课程[8]，决定对“无机与分析化学实验”课程进行模块化教学改革，把64学时的实验教学环节分为基础操作培养、化学原理验证、综合提高、自主综合设计4个模块，既注意模块内的共性，又关注模块之间的关联性，循序渐进地提升学生的实验能力和科学素养。

    模块化教学设计的实验内容如表2所示。这里需特别说明的是，第4模块中仅给出题目和相关资料获取方法的指导，让学生独立完成实验方案的设计和操作，实验过程中，鼓励学生科学、合理地创新，允许失败，引导学生从失败中进行总结和反思，更合理地优化实验方案。此阶段以提高学生的综合素质为核心，重点加强学生思维能力和创新能力的培养。

    “无机与分析化学实验”教学模块化的实施过程中，从完善实验教学体系出发，改革和更新实验教学内容，使实验培养目标更为明确，实验方法和内容更接近生产生活实际，这符合模块化教学法在教法中主张知能结合、在学法上强调知行一致，追求理论和实践相互促进的特点[9]。

    三、促进学生主动建构知识框架和深度学习的措施

    （一）教学引导学生成为课程意义的主动建构者

    在教学中设计详细的学习手册，从中提出每个模块和每个实验的要求，让学生明确学习中的分层目标。课程学习中，要求学生主动搜集并分析有关的信息和资料，对所学问题提出各种假设，并努力加以验证;要把当前学习内容所反映的事物尽量与已知事物相联系，采用探索法、发现法建构知识的意义;在建构过程中，要认真、主动、独立地进行思考。

    阅读是知识建构的基础，也是能力提高的途径之一。因此，要特别注重教材建设。教材是教学之本，它承载着课程的教学理念和教学内容，其质量关系到教学质量。教材作为课程的支撑，编写过程既要围绕打牢基础，又要兼顾综合培养学生实践能力的系统性和实践性等特征来重组实验体系和内容[10]。

    教材编写理念体现的是化学原理对实验的指导作用，“基础知识—基本训练—设计性实验—综合实验”，有步骤地引导学生从掌握最基本的实验技能到熟练进行综合设计实验，在保证系统性的前提下，体现用科学研究的思路理解化学实验。例如，“硫酸亚铁铵中Fe2+含量测定（设计实验）”这一实验中，体现了化学不同分支学科之间的联系，使学生在实验过程中对化学理论知识融会贯通。2003年8月，科学出版社出版了《实验化学》（上）（第一版）[11]，将课程研究和教学实践总结融入教材编写。而后， 2007年8月和2019年8月，科学出版社出版了《实验化学》（上）（第二版）[12];化工出版社出版了《无机与分析化学实验》多媒体新形态教材[13]。

    预习环节在学生的实验课学习中是非常重要的，所以在实验开始之前，要求学生必须进行预习。学生可以在已有的旧知识基础上获得新知识，并实现储备知识的利用最大化。这一教学过程符合教育心理学家奥苏贝尔提出的“影响学习唯一重要的因素就是让学习者明白已经知道了什么，探明这一点，再以此进行教学”这一观点[14][15]，但学生在预习时常常只是就事论事。于是，我们在《实验化学》（上）（第二版）中增加了“实验预习”，相当于预习索引[16]，引导学生阅读实验涉及到的基础知识。在阅读这些内容的过程中，学生可以了解自己的知识储备量，理解实验中的化学基本原理，解决因理论课和实验课常常不同步，学生在课程中感到实验和理论知识无法形成有效联系的困难。在实验思考题的编写上，也体现了这些理念，每个实验的思考题都是从实验前预习和实验后思考两个方面出发而精心编写的[17]。

    经过这样的实践过程，教材在反复提炼、总结、修正的基础上不断完善。在内容的编排上，对知识的叙述深入浅出、循序渐进，让实验教材具有可教性和可读性。高等教育改革不断深入，体现在教材上就是传统的单一文字教材已无法满足大量相关知识迅速、形象化传递的需要，需要建设包括知识点、基本操作、各类相关应用信息的多媒体教材，从而形成线上线下的立体化教材[18]，便于学生阅读和思考，让他们在轻松的环境下更主动、自由地学习，学习效果更明显。结合多年的教育教学理念以及课程改革与实践的成果，我们出版了多媒体新形态教材。

    （二）教师帮助学生成为课程意义的主动建构者

    要成为学生建构意义的帮助者，就要求教师在教学过程中从以下几个方面发挥指导作用：一是激发学生的学习兴趣，帮助学生明确学习动机;二是通过创设符合教学内容要求的情境和提示新旧知识之间联系的线索，帮助学生建构当前所学知识的意义;三是开展讨论与交流等协作学习，如提出适当的问题，引起学生的思考和讨论，在讨论中设法把问题一步步引向深入，加深学生对所学内容的理解;四是要启发、引导学生去发现规律，纠正和补充错误的或片面的认识。

    围绕培养目标和教学中学生的核心需求营造课堂文化是个十分有效的措施。组织行为学认为，组织文化是组织长期良性发展的潜在动力。要使以班级为单位的实验活动获得长期、稳定、深入的发展，取得良好的实验绩效，创造和谐的实验氛围是非常重要的。这里，可以把实验氛围形象地称为“实验文化”。实验文化的建设过程也是培养学生实事求是、严谨踏实、吃苦耐劳、钻研创新的实验精神的过程[19]。

    1.精心设计绪论，让学生进入学习境界。绪论课是新课学习的前奏，实验教师通过绪论课对学生进行思想教育，让学生从思想上重视实验课程，认识到实验课程的重要性和深远意义，从而调动他们的实验积极性。为此，我们每年的开学第一课都对全体参与实验课程的学生开展“实验绪论课”讲座。学生可以通过绪论课了解丰富的学习内容和重点，明确课程教学目标和学习程序，尽快进入一种高清的学习境界。

    2.全面设计问卷，让学生参与实验课程建设。采用问卷调查的方法，既可以了解学生的基本情况，又可以广泛听取学生对实验课程的诉求。要在实验前和实验中期进行问卷调查，分析学生的基本情况和学习后的进步情况，从而指导实验课教学，使实验课变成一个动态体系（问卷调查内容如表3）。

    （三）课堂内外合作讨论，让学生在思想碰撞中深度学习

    讨论式教学有利于学生参与，在讨论中学生阐述自己的观点，师生、生生之间的对话与交流活动有利于在思想碰撞中总结和归纳出新知识、新观点。

    我们实验课安排的讨论环节有多种，如课前讨论、课后讨論。模块3和模块4之间都安排有讨论课，但是根据一年级学生的学习特点，发现在具体内容上安排小组合作和讨论，可以使学生学习更有效。例如，酸碱平衡实验中缓冲溶液的配制和性质实验。缓冲溶液是酸碱平衡与移动的重要内容，什么样的溶液具有缓冲作用？缓冲溶液的容量与哪些因素有关系？这些可以通过设计实验来验证。缓冲溶液的缓冲容量是使PH值改变1个单位所需加入的强酸或强碱的物质的量。缓冲容量与共轭酸碱对的物质的量之比和总浓度有关[20][21]。基于这个基本知识点，我们设计了两个实验：一是缓冲溶液的缓冲性检测。根据表4的数据，测定溶液的PH值。二是缓冲溶液的缓冲容量检测。根据表5的数据，测定溶液PH值改变1个单位所需的强酸或强碱的体积[22]。

    上述两个实验以小组为单位分工完成，数据共享，然后进行课堂讨论，这样既可以让学生体会团队协作，又可以促使学生深入理解重要的化学原理。处于这样的协作学习环境，教师和学生的思维与智慧就可以被整个群体共享，即整个学习群体共同完成对所学知识的意义建构。

    （四）采用开放式教学，激励学生“在学习中研究、在研究中学习”

    组织行为学中的激励，主要是指激发人的动机、诱导人的行为、调动人的积极性，使人有一股内在的动力，朝着所期望的目标奋进的过程[23][24]。激励不仅仅是课堂上的表扬，更是营造一种让学生敢于动手、善于思考的环境与氛围。因此，我们的实验课是开放的，且具有多种开放形式。在教学内容方面，每个实验至少都有一项开放的内容。例如，在邻二氮菲法测定铁含量的实验中，将教科书上由教师配制被测未知样品改成测定自己合成的硫酸亚铁铵样品中Fe2+的含量。每个样品中的Fe2+含量不同，被测溶液的配制也是不同的，学生需要在实验中摸索适合自己的实验条件。实验室对学生开放，学生可以在课余时间进入实验室补差和对自己的新想法进行研究，进而达到“在学习中研究、在研究中学习”的教学目标。

    四、通过考核控制教学过程，保证教学质量

    在实验教学过程中，应根据课程的特点，在加强实验教学管理的同时，将目标管理与过程管理结合在一起，用多种考核形式验证学生的实验技能和教学效果。

    实验课总成绩由3个部分组成：每个实验考核、阶段性考核、第4模块综合性考核。每次实验都有对于操作和实验质量的考核，平时成绩评价表中包括实验预习、实验操作、实验报告、思考与创新4个方面。

    第3模块阶段性考核重点考核实验基本技能、基本操作和数据处理等，寻找学生存在的问题，分析问题解决办法，对实验课程教学中的问题及时地进行修正，也可以有针对性地对学生进行指导。

    第4模块是综合性大实验，通过3个实验完成从无机物的制备到组分分析与测定的全过程，学生的预习效果、实验方法的设计和操作、问题的解决、论文形式的实验报告都是考核要点。所以，要让课程目标和学生学习成为一个闭环，使学生深入地认识到理论与实验相互依存的关系。这是对学生学习过程的总结，也是对教学效果的检验。

    建构主义指导下的实验模块化教学模式，使教学目标与学习目标相吻合，每个模块紧紧围绕同一要求。在课堂教学中落实任务和明确需解决的问题，让学生更清楚自己的行为，可以有效地调动学生的学习自主性和积极性，培养学生独立学习的能力。另外，在模块化教学模式中，教师给予学生解决问题的自主权，促使学生独立思考，激发并鼓励他们自己解决问题;将不同的教学形式融入课堂，如小组协作、内容研讨等，更好地激发学生的学习兴趣;采用开放式教学，学生可以在灵活、轻松的环境下进行深度学习。

    实践证明，模块化教学模式可以有效地促进学生掌握基本的实验技能，注重知识的综合应用，培养系统、严谨的科研方法和科学素养，尤其强调发挥学生的主动意识、激发学生的求知欲望，使知识传授、能力培养和素质提高协调发展。

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    （责任编辑：申寅子）