激發學生主動思考的無機化學實驗教學方法

魏小蘭，鄒智毅

（華南理工大學 化學與化工學院，廣東 廣州 510640）

1 培養學生批判性思維能力

美國教育家和律師、哈佛大學前校長德雷克·博克在他的《回歸大學之道》一書中指出［1］，大學對本科生培養要實現的教育目標概括起來包括8個方面：表達能力、批判性思維能力、道德推理能力、公民意識、適應多元文化的素養、全球化素養、廣泛的興趣、為就業做準備。其中批判性思維能力成為培養的重要目標之一。2010年4月，斯坦福大學校長約翰·漢尼詩在舊金山舉行的百人會第19屆年會時指出［2］：“未來教育的重點和趨勢將注重學生綜合能力的培養”、“學生的獨立思考能力有助于他成為問題的發現者和解決者”、“培養學生用批判式的思維方式去考慮問題，讓學生獨立思考并學會提問，敢于向權威挑戰”。

2010年5月，于南京舉行的中外大學校長論壇上［3］，美國耶魯大學校長理查德·萊文認為，中國大學的本科教育缺乏2個非常重要的內容：第一，跨學科的廣度；第二，對于評判性思維的培養。他在批判性思維培養方面指出，中國的教學，“學生總是被動的傾聽者、接受者”、“把注意力放在對于知識要點的掌握上，而不去開發獨立和批判性思維的能力”。他認為教師應“采取新的教學模式，鼓勵學生進行主動的思維，讓學生能夠挑戰彼此，挑戰教師”。

我國教育主管部門針對我國本科教育存在的問題提出了指導性意見。教育部于2012年3月21日印發了《高等教育專題規劃》［4］，在其第三部分關于“深化本科教育教學改革”中提出：“注重創新性，培養批判性思維和跨學科思維，增強學生的創新精神和創新能力；注重綜合性，拓寬學生的知識面，提高學生綜合能力素質；注重實踐性，強化實踐教學，提高學生解決實際問題的能力”；“重視學生在學習中的主體地位。注重學思結合，倡導啟發式、探究式、討論式、參與式教學”。

如何培養學生的批判性思維能力，國內外大多數專家認為可以通過3條途徑［4－6］：一是開設專門的批判性思維課程加以系統訓練；二是結合常規課教學；三是開辟隱性課堂，例如參加辯論、熱點問題討論或學術沙龍等。

目前，我國高校學生批判性思維能力現狀不容樂觀。黃朝陽［4］對我國高校學生批判性思維能力的調查發現，我國高校學生的批判性思維能力總體上處于低等水平，即使情況最好的“985”高校的學生也只有中等水平。分析其原因，可能源自我國本科生源。由于歷時12年的應試教育經歷，使學生的學習動機“從他驅動”和習慣學習 “求解答”，獨立主動思考程度偏低。目前我國正在不同學科課程中，逐漸加強學生批判性思維能力的培養［7－13］。

對于我國剛進入大學的學生，讓他們盡快從“從他驅動”和“求解答”轉變為“自我驅動”到“自解答”，是大學一年級教育的主要目標，而激發學生主動思考則是完成這一目標的重要方法。通過激發學生主動思考，使之養成獨立思考習慣，進而培養學生批判性思維能力，為增強學生創新精神和創新能力奠定心理基礎。

無機化學實驗是化學專業學生進入大學的第一門實驗課，在激發學生自主思考方面可起到獨特的培養作用。通過有趣的實驗激發學生對化學的興趣，建立獨立思考的基礎；通過綜合測定實驗培養學生“數理推理”思維習慣；通過實驗課堂討論、動手實踐、激發學生主動思考的同時，還可以鍛煉學生口頭表達能力，通過實驗后的書寫實驗報告進一步促進學生深度思考的同時培養學生的書面表達能力。

2 無機化學實驗課的高度綜合性與教學過程中易低水平化的特性

實驗課是一門把課堂所學的理論知識，通過物質化和直觀化的方式應用于實踐的獨特課程，該課程既幫助學生鞏固理論知識、培養學生的實踐能力，還使學生在實驗過程中學習并掌握相關的實驗技術和技能。在實驗教學過程中，學生要同時使用手、眼、腦、嗅覺和觸覺等多種感官，是一個高度綜合的高強度思維活動過程，從這個意義上說，良好的實驗教學對學生批判性思維和綜合能力培養的水平，要遠高于理論課堂學習。然而，實驗課可能因方法不當非常容易流于低水平化。

事實上，目前流行的實驗課教學方式，多數處于低水平層面。學生來實驗室前把教材操作步驟看看，課堂上教師將實驗注意事項簡單講講，然后學生依據教材或預習報告抄寫的詳細實驗步驟做實驗、記錄數據或現象，課后簡單書寫報告，即完成了一個單元的實驗教學。這樣的教學過程，學生的心理活動遠未達到應有思考深度和綜合程度，無法取得應有的批判性思維能力培養效果。

如何讓實驗教學回歸高度綜合和高思維強度的心理活動水平，我們認為在教學過程中可以適當給學生制造一些“麻煩”，不要讓他們那么“舒服”地開始實驗，加上合理的項目安排和內容綜合化和設計化處理，即可取得較好的教學效果。

3 強化思維程度的實驗教學方法與實踐

為提高學生在實驗過程的思維程度，在教學實踐中進行4個方面的改革：教材實驗步驟模糊化和學生實驗小組化；教學過程學生主體化和實驗成績個性化；實驗項目連貫化和實驗報告“貫通”化；實驗內容綜合化和實驗步驟設計化。

3.1 教材實驗步驟模糊化和學生實驗小組化

在實驗教材編寫中［14］，根據對學生的思維能力和認知水平，對一些實驗的步驟進行模糊化處理，實驗教材只給出詳細的實驗原理、單選的實驗儀器和試劑、帶有提示性的實驗步驟提示，但不給出清晰、準確的實驗步驟。目的是讓學生自己通過思考，把實驗原理“翻譯”成可操作的實驗步驟，由此可強化學生在實驗預習過程的思考程度和深度，培養學生從理論到實踐的能力。

為了保證學生在有限單元教學時間內保質保量地完成實驗教學內容，對學生進行分組化安排。要求學生在來實驗室之前，以小組為單位，根據實驗原理、所給定儀器和試劑進行“紙上練兵”，書寫詳細的實驗步驟，在頭腦中統一調度“理論、實驗用儀器、試劑、實驗條件”，迫使學生進行高強度思維，同時兼顧學生團隊合作。為保證學生來實驗室之前都能夠自行書寫實驗步驟，在實驗課堂教學開始時，讓一組學生在規定時間內報告所書寫的實驗步驟，其他組學生在規定時間內對該組學生的步驟提出指正意見。為確保所有小組均參與討論，把該環節劃歸預習部分，教師根據報告組和其他組的報告情況和參與討論情況，與學生討論，當場給出預習成績。同一組學生，其預習成績相同，不參與討論的小組預習成績為零。討論結束后，由每個學生獨立完成實驗。該環節的教學主要激發學生的課前主動思考、培養團隊合作和口頭表達能力。

3.2 教學過程學生主體化和實驗成績個性化

除了實驗步驟模糊化處理的實驗外，對于教材中那些已經給出清晰實驗步驟的實驗項目，以學生為主體。實驗開始前的講解交由學生完成，由學生指出可能導致實驗失敗的關鍵、存在的問題和難點，以學生為主體、教師為協助完成實驗操作的演示和實驗裝置的搭建。為保證所有學生預習的質量，在主講組講解時，其他組學生也必須參與討論，不參與討論的小組，其預習成績記為零分。實驗室和指導教師可在適當的時候（通常在當次實驗結束）為主講小組學生提供協助和指導。

通過預習環節的深入思考，可增強學生實驗過程中手、眼、腦綜合聯動的程度，進而提高實驗對學生思維能力的培養質量。該環節在突出教學過程學生主體化的同時，增強學生課堂過程的主動思考。

雖然實驗預習部分的成績我們按照小組給成績，但是大多數實驗的過程都是每個學生獨立完成，實驗報告也是由每個學生獨自書寫，每個學生的實驗成績呈個性化特征。這樣既可以保證每個學生都能同等程度地參與實驗，同時又可以保證每個學生在書面表達能力方面得到個性化培養。該環節主要培養學生獨立工作的綜合能力。

3.3 實驗項目連貫化和實驗報告“貫通”化

為增大學生的思維跨度和范圍，我們對實驗項目采取集群化和連貫化的安排。將所有實驗項目按照教學目的和培養目標，分成不同的實驗群，然后將彼此相關聯的實驗，按邏輯順序進行連貫化的安排。例如，在溶液操作技能訓練群中，我們先安排溶液配制，再安排濃度標定，最后在此基礎上安排醋酸電離常數測定。在具體教學過程中，我們打破實驗室提供配制試劑的慣例，轉而采取實驗室僅提供原始試劑和儀器的方法，讓每個學生獨立配制所有普通試劑和標準試劑并自行保存，以供隨后滴定練習實驗使用，還讓學生獨立完成標準溶液的濃度標定和醋酸電離常數測定。學生在完成所有實驗后，要求他們要根據自己滴定的數據對標準溶液配制準確性、滴定操作的正確性、電離常數測定的準確性進行“大跨度”數據的綜合分析，使他們的實驗報告不再是分立的小報告，而是連貫的大報告。這樣，在書寫實驗報告時，不再出現同一份溶液（用不同方法滴定后）給出不同的濃度數據而學生卻完全意識不到的情況，可以很好地擴大學生思維的跨度，在培養學生基本實驗技能的同時，初步培養學生依據數據進行實驗技能評判的批判性思維能力。

3.4 實驗內容綜合化和實驗步驟設計化

為增強學生思維的深度，將實驗內容盡量增加復雜性和綜合性。例如從工業生產線上截取一段產品的生產工藝，讓學生體驗礦石→產品→質量檢驗的全過程。不僅讓學生從鋅焙砂礦石中制備硫酸鋅，還安排學生對所制備產品的品質進行分析，讓學生定量分析出產品中的硫酸鋅含量，確定產品純度屬工業純、化學純或是分析純，然后定性分析產品中所含雜質的種類。該實驗還可延伸到分析化學，進行雜質的定量分析。在分析產品品質后，要求學生提出制備過程需要的改進方案，產品純化的方案，并指出該實驗成功的幾個難點和關鍵步驟。該實驗借助分析化學手段結合無機化學理論與實驗技術，使原本普通的制備出產品就完事的單一制備實驗，變成綜合程度高的復雜實驗。通過注重綜合性，進一步培養學生的綜合能力。

將三草酸合鐵（III）酸鉀制備實驗安排在硫酸亞鐵銨之后，可將前一個實驗制備的產品用作后一個實驗的原料，讓學生感受化工產品之間轉化的同時，樹立節約試劑降低環境污染的意識和綠色化學的理念。硫酸亞鐵銨產品的純度將在后續三草酸合鐵（III）酸鉀的電導率測定數據中有所反映，這種連貫化的安排也使三草酸合鐵（III）酸鉀制備實驗的綜合程度被進一步拓展。

對普通的三草酸合鐵（III）酸鉀制備實驗進行大綜合化和復雜化改造。該實驗不僅要求制備出目標配合物，還要求學生對所制配合物的組成進行定性分析和定量表征，并研究其光化學反應的特性。學生利用配合物內界離子的化學反應的特性，與復鹽進行對比，說明配離子內界的中心Fe3＋和配體C2O2－4與普通鹽的不同；采用他們能夠理解的稱重法，測定所制配合物結晶水的含量；利用本課程所學的滴定法，測定了配合物的中心離子和配體的含量；采用電導法測定配陰離子所帶的電荷；綜合分析所測數據，確定配合物的組成；依據電導率數據，分析低價離子可能的來源，綜合評估原料硫酸亞鐵銨和由此合成配合物的純度。整個實驗歷時3個單元12學時完成。這個實驗的綜合程度遠大于從鋅焙砂礦石中制備硫酸鋅，可以對學生批判性思維能力的培養起到進一步深化的作用。

學生在元素性質的驗證性實驗之后，綜合應用所學元素的基本知識，完全自行設計離子分離與鑒定實驗步驟。這個實驗在教材上僅提供題目，實驗步驟要學生完全自行設計，而且教學過程中教師不給任何提示，完全由學生在實驗過程中對所設計的實驗步驟進行現場評估和修正，最終完成實驗。每個學生的實驗步驟都可能不同，實驗室提供足夠的試劑供學生現場發揮。允許學生現場討論，充分發揮團隊作用。在這個實驗中，學生真正做到手、眼、腦、嗅覺、觸覺和語言多感官高度調度，高思維強度地完成教學任務，使學生的綜合能力獲得良好的培養。

4 教學效果分析

從學生的實驗報告可見，多數學生進行了大跨度“貫通”和“深入”思考，與之前學生完成實驗后抄寫實驗步驟并進行簡單計算且對多次實驗完全不進行數據比對分析不同，通過上述對實驗項目連貫化安排后，80%以上的學生能夠根據要求，對比用自己所配置的標準酸（或堿）進行標定練習和用固體標準酸來直接標定的數據，對標準溶液配制操作、移液操作和酸堿滴定操作進行系統的綜合評估，并對所測定數據從誤差分析的角度進行評估和判斷，同時還對自己所測定的堿濃度數據、醋酸濃度數據和pH測定數據，以及根據最終計算獲得的電離常數數據，進行系統評估。而學生獲得這些數據的時間跨度為4周，先后經歷4個單元實驗，把這些數據進行整合并系統分析，體現了學生較大的思維跨度特征。

通過對硫酸鋅制備實驗的綜合化處理，80%以上的學生在硫酸鋅制備和含量測定的實驗報告中指出，從礦石中制備的硫酸鋅僅為工業級品質，并指出制備實驗成敗的關鍵是浸出過程需要加水，而提高產品產率的關鍵步驟是濃縮程度；在產品分析的準確性方面指出其關鍵是產品于常溫干燥器內干燥一周，而不能高溫烘干處理，否則產品因脫水使所測含量超出100%。有30%左右的學生提出了產品純化的設計方案。從這些報告中可以反映出學生對普通制備實驗的思考深度。90%的學生在實驗報告中對所制備的三草酸合鐵（III）酸鉀進行了系統的組成分析，并對所獲得的數據進行計算處理，得出正確的組成。80%以上的學生根據所測定配合物無限稀釋溶液的電導率數據，對制備產品的純度進行了系統評估。80%以上的學生研究了所制備配合物的光化學反應特征。約有10%的學生由于制備實驗所獲得產品的量較少，在后續實驗中僅進行了部分的組成測定和性質研究實驗。80%以上的學生對步驟模糊化處理的實驗，通過深度思考寫出了正確的實驗步驟，且能說明所書寫的每個實驗步驟的設計思想。90%以上的學生書寫了離子分離與鑒定實驗步驟，只有30%左右的學生是能在實驗之前寫出正確的步驟，其余的實驗步驟是他們在實驗過程中不斷修正的，這些學生多數在報告中指出了先前所設計的實驗報告存在的不妥之處。所有這些，都反映出學生在進行實驗學習中的思考的“跨度”和“深度”。

我們還在該課程結束時，就教學效果以問題的形式對學生進行問卷調查，以不設選項的自由回答方式，讓學生對本課程從“收獲最大”、“難度最大”和“最有趣”3個方面，寫出3個實驗名稱。書寫時同一個實驗名稱可以出現在3個問題的回答中。最終的調查結果如表1所示。

表1 無機化學實驗教學效果問卷調查結果

從表1可見，所有綜合性、設計性、實驗步驟被模糊化處理的實驗都被提到，例如，8、10、12、13號實驗，而一般的驗證性實驗卻未被提及，例如2、3、4號實驗，說明這些教材給出詳細步驟的實驗在學生心里印象很淺。就收獲程度而言，約有76%的學生認為收獲最大的實驗是完全由學生自行設計實驗步驟的12號離子分離與鑒定實驗；其次，約有45%的學生認為是綜合化程度很大的10號三草酸配鐵（III）酸鉀實驗讓他們感到收獲最大；第三，約有14%學生認同實驗步驟模糊化處理的13號實驗也使他們收獲很大，該實驗被認同的另一個原因可能是實驗中使用了他們以前沒有見過的分光光度計。

通過上述分析可見，學生的收獲程度與學生在該實驗中思考程度一致，而實驗中使用一些現代儀器也會得到學生認同。就實驗難度而言，大綜合的10號和設計性的12號實驗學生認為難度最大，其次是綜合程度僅次于10號的8號實驗。可見，我們確實給學生制造了一些“麻煩”，需要他們深度思考，讓他們不那么“舒服”，因此收獲也最大。

就實驗的趣味性而言，自由程度較大的1號實驗讓學生感到有趣，在該實驗中，我們讓學生用少部分時間完成規定的制作，其余皆由他們自由發揮，讓他們在“玩”的過程中感受溫度和發光顏色之間的關系、同一燃料不同燈具設計所產生不同溫度的特性、不同溫度火焰的光色的差異等，因此讓他們感到很有趣，產生對化學實驗的興趣。大綜合的10號實驗除了讓他們感到難度大而且收獲大以外，同時也讓他們感到趣味橫生。具有絢麗顏色變化的元素性質和彩色產品的制備實驗也在一定程度上吸引著學生的注意力。

5 結束語

通過合理安排實驗順序、加大實驗的綜合化程度、把實驗步驟進行模糊化處理、讓學生按照已有知識完全獨立設計實驗步驟、在教學中讓學生成為課前講解主體等，這一系列循序漸進的教學實踐，可以有效地強化學生在教學活動中的思維水平，增強學生在教學中的思考程度，同時可以逐步培養學生的批判性思維能力和口頭與書面表達能力，有效地提高了實驗教學的質量。

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