基于儀器分析實驗的設計研究

【摘要】基于儀器分析實驗的設計研究是在基于問題學習法在《儀器分析》的應用研究課題背景下，將整合教育研究與設計開發的全新學習方法應用于儀器分析的實驗教學中，文章詳細介紹了該課題研究的實踐過程與應用成效。

【關鍵詞】基于設計的研究；設計性實驗；儀器分析；開放實驗室；

【中圖分類號】G424.1【文獻標識碼】B【論文編號】1009—8097 (2008) 07—0107—03

隨著用人單位和社會對人才基本技能日益重視和整個社會教育理念的更新，高校教育改革日益以重視素質教育，強調創新意識和能力發展，培養學生獨立思考和自主獲得的品質為核心[1]，更加關注實踐教學改革及實驗室建設，積極開展多種多樣的實踐教學改革活動。源于“設計實驗”的“基于設計的研究”[2] 作為一種整合教育研究與設計的方法，不失為國內高校實驗教學改革提供了一個全新的思路。目前，基于設計的研究作為一種研究范式在西方日益得到人們的關注，國內關注有限，相關研究文獻較少，涉及將該范式具體應用于國內項目的文獻只有兩篇[3]。本文就2007年我校本科教學基于問題學習法在《儀器分析》中的應用研究課題中進行的教改試點，談點體會。

一 研究背景

1 儀器分析實驗教學現狀

儀器分析是化學、化工、環境、制藥、食品等學科的專業必修基礎課之一，其以物質的物理性質和物理化學性質為基礎，采用特殊儀器對物質進行分析測定，它是一門多學科相互滲透、相互促進的邊緣學科，匯集了化學、物理學、儀表電子學、數學和計算機科學等學科的最新成就。儀器分析實驗是儀器分析課程的重要組成部分，由單純提供分析測試數據上升到從原始的分析測試數據或現場分析測試信號中，最大限度地獲取有價值的靜態和動態物質信息，以解決自然科學各個研究領域中的關鍵問題。目前，儀器分析實驗具有儀器臺數少、實驗采用循環式、實驗與理論不同步、學生對昂貴精密儀器有畏懼心理等特點；實驗教學側重操作技能，忽視學生綜合利用知識進行實驗設計與分析解決實際問題能力的培養；實驗過程中教師負責實驗內容的組織安排、現場指導與實驗報告批改，學生則相應地進行實驗預習、現場實驗和編寫實驗報告；這種實驗教學方式不利于調動學生實驗積極性，培養學生實際動手能力和綜合分析能力的效果不甚理想。

2 基于設計的研究方法

基于設計的研究方法于1992年由學習科學研究者Ann Brown和Allan Collins首創，它以設計學習環境和發展理論為目標，旨在通過形成性研究過程，采用“逐步改進”的設計方法，把最初的設計付諸實施，檢測效果，根據來自實踐的反饋不斷改進設計，直至排除所有缺陷，形成一種更為可靠而有效的設計[4]。該方法是根據學生要解決的任務或問題、相關的學習材料和學習工具、參與活動的規則以及教師對這些要素的組織等設計學習情境，適時根據情境改變和來自實踐的反饋變更或修正設計，研究情境改變過程中的關鍵性要素與設計，以及實施結果，將設計貫穿于整個研究之中，同時又將研究獲得的結論反饋于設計，檢驗設計的合理性與有效性，是一種通過設計、研究來進行學習的新方法。

二 基于儀器分析實驗的設計研究實踐

基于設計的研究作為一種新涌現的研究范式，由于方法論尚未成熟，采用該范式的工作者缺乏統一的研究方法體系的指導，往往不得不在眾多的可能性當中進行摸索 [3、5]。在基于儀器分析實驗的設計研究中，教師應該作為研究者，以與儀器分析密切相關的具有現實應用價值的實際問題來設計學習情境；而學生作為實踐者，在教師設計的真實學習情境中進行實驗設計與研究，并在設計實驗的實施、分析與再設計過程中，不斷地積累和提高自己的創新與設計能力。

1 情境設計

情境的設計要源于解決實踐中的具體問題，具有很強的目的性，且解決問題的過程又是對理論的創造性應用。針對我校環境專業學生就業與發展趨勢，結合校工程訓練中心江西贛江機械廠電鍍車間裝飾生產線的環境監測問題，教師以設計性實驗為背景，設計了如表1所示的學習情境。

2 情境實施

（1） 營造積極激勵的學習氛圍

學生設計實驗與驗證實驗不同，它不單純以實驗方法的正確性和實驗結果的準確性來衡量實驗的成功與否，而是強調實驗方案的擬定、實施與數據處理過程，以及對實驗中遇到問題的分析、解決與再設計過程。實驗教學中教師不是給予學生現成的真理，而是給學生創設一個激勵性的環境、創設一個可以發揮想象力的空間，引導學生探索真理，誘導學生的創造力，喚醒學生創造潛能。因此，教師在情境設計中應給予學生實驗設計提示，引導學生利用網絡與圖書館檢索文獻，了解分析對象的性質及分析方法。在本實驗中就是要依據影響鉻離子與氟離子測定的影響因素，選擇合適的采樣方法，根據所采樣品的特性設計樣品前處理方法，通過各采樣點廢水濃度的差異，確定分析方法，選擇適宜的分析儀器和定量方法。

對于學生的實驗設計方案，只要基本方法和原理性正確，都應給予積極鼓勵，教師不對學生的設計方案作太多的改動，只對明顯的錯誤提出疑問，建議學生去修改和完善，允許學生帶著疑問甚至是 “小錯誤”進入實驗室，讓學生在實踐中發現問題，探索解決問題的方法。

（2） 開放實驗室，培養學生探索未知的好奇心

傳統的實驗教學以驗證實驗為主，教師事先將實驗項目所需的試劑、器皿和儀器設備準備妥當，在規定的教學計劃學時數內，講授實驗原理、實驗步驟、實驗注意事項乃至實驗成敗的關鍵所在等內容，學生則按照既定的實驗步驟獲取實驗數據。該教學方法雖能使學生在較短的時間里迅速掌握大量的科學文化知識和技能，但不能調動學生的積極性與主動性，無法鍛煉與培養學生的實驗設計思維與獨立分析解決實際問題的能力。

基于設計的研究是一種在真實生活情境中進行研究和設計工作的新方法[6]，是面向實踐且具有強烈實踐特色的應用研究，其具有迭代循環與過程導向性。基于儀器分析實驗的設計研究中，學生需要根據自己設計的實驗方案準備藥品、試劑與儀器，實施設計方案，詳細記錄實驗過程、分析與再優化實驗設計，在有限的實驗教學課時內，無法完成設計、實施、評價、再設計、理論形成等環節的多次迭代循環，難于提升對知識的理解能力和實驗設計能力，因此，教學中應采用開放實驗室的方法，讓學生根據自己的實際情況靈活自主地安排實驗時間，通過預約進行實驗。在本此6個班、46個小組的實驗教學中，每個小組至少經歷設計-實施-再設計過程三次，在設計-實施-再設計的重復迭代過程中，學生的實驗思路逐漸清晰，實驗操作不斷熟練。實驗結束后，多數同學發現自己還能設計更好、更快捷的方法，學生探索未知的興趣和好奇心得到培養。

（3） 撰寫科技論文，提高科學研究素養

素質教育是高校教育的目標，也是科技發展、社會進步的必然要求，實驗教學中科技論文寫作是提高學生科研素質的有效手段。因為它是科學技術研究的一種手段，也是科學技術研究工作的重要組成部分。

撰寫科技論文不是對解決某實際問題的方法、過程和技術的簡單陳述，而是對實驗、觀察或用其他方式所得到的結果進行歸納、分析與總結，從而形成一定的科學見解，并用事實和理論對自己提出的科學見解或問題進行符合邏輯的論證與分析，甚至使之進一步上升為理論。因此，學生在經歷了設計、執行、分析、再設計的持續循環后，通過撰寫科技論文，能進一步加深對所學理論的理解，思維更加嚴密，科學素養得到提高。

三 應用成效

2007-2008學年第一學期，基于儀器分析實驗的設計研究在05級環境工程、應用化學、材料化學3個專業6個班的本科實驗教學中進行了試點，實驗任務與要求提前3周下發給學生，小組設計報告在實驗前一周上交檢查，檢查合格后即可進入開放實驗室內進行一周研究，教師監控并記錄學生的實驗過程與實驗數據，引導學生探究科學問題，教會學生如何利用計算機進行數據處理，以定量分析曲線線性相關系數達到0.995、回收率在90%-110%為基本標準要求學生。實驗研究結束后，學生按照教師給定的科技論文寫作基本格式，兩周內完成論文，教師批注修改后，以班為單位進行小組論文答辯，介紹自己的設計研究過程與成果，并回答其他小組的疑問。

因為學生在此以前從未獨立做過設計性實驗，實驗任務剛下發時，他們感到很難，不知如何設計。于是，教師立即給予引導，幫助學生理順設計思路，鼓勵學生大膽嘗試。第一輪的實驗教學發現：學生科技論文寫作與講解能力普遍差，故在第二、第三輪的教學中增設了科技論文寫作與論文演講的內容，規范了論文格式，并上傳3-5篇有教師修改批注的學生論文到師生公共信箱中作范文，引導學生撰寫科技論文，提高其寫作積極性。

實驗后學生的反饋意見普遍反映，該實驗教學模式自主探索氛圍濃，學生實驗積極性高，不僅能有效加深對理論知識的理解，而且實驗綜合應用能力和文獻檢索得到明顯加強，同學們深刻意識到“科學是嚴謹的，來不得半點馬虎”。 雖然同學在實驗過程中往往會經歷許多失敗與挫折，但經過小組同學的團結協作，最終還是能夠獲得成功。因此，每個同學實驗結束后內心都充滿了成就感，也有效地培養了團隊精神。同學在實驗總結中寫道：這次實驗好比作登山，實驗前的準備包括查資料、寫實驗設計報告等就好比山腳下的登山準備，實驗-修正-再實驗過程好似登山的艱難，實驗結束也只來到了半山腰，只有圓滿完成了科技論文寫作才意味登上了山頂，這時就能見到美麗的日出與日落。

四 結束語

基于儀器分析實驗的設計與研究是將基于設計的研究方法應用于儀器分析實驗教學的初步嘗試，雖然取得明顯的成效，但如何進一步完善和推廣還需要許多實踐性探索和教育理念方面思考，我們將繼續努力做下去，爭取取得更好的成績。

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參考資料

[1] 周云，張四純，李景虹，李兆隴.儀器分析開放實驗室的教學與管理[J].實驗室研究與探討.2007，26(2):129-131.

[2] 楊南昌. 基于設計的研究：正在興起的學習研究新范式[J].中國電化教育.2007，5.

[3] 陳維超，賈積有.基于設計的研究及其在“希賽可”項目中的具體應用[J].現代教育技術.2008，18(1):24-27.

[4] 梁文鑫，余勝泉.基于設計的研究的過程與特征[J].理論探討.2006，159(7):19-21.

[5] Anderson， T. Design-based research and its application to a call centre innovation in distance education. Canadian Journal of Learning and Technology， 2005， 31(2):69-84.

[6] 呂林海.論基于設計的研究的主旨、特征及案例簡析[J].教育科學.2007，23(5):19-22.

Course Design Based on Instrument Analysis Experiment

YANG Xiao-yan YAN Liu-shui WANG Mei LIU Yan

(Dept. of Environmental Toxicology， School of Environment and Chemical Engineering，Nanchang Hangkong University， Nanchang，Jiangxi， 330063， China)

Abstract: Experiment design based on Instrument Analysis course is a new learning method which integrated problem design and education research. This problem-based learning method was used in experimental teaching for Instrument Analysis course. This paper described its practice process and effects.

Keywords: Design-Based Research; Designing Experiment; Instrument Analysis; Open Laboratory