無機及分析化學實驗課“四維一體”教學模式的設計與實踐

鄭 冰， 秦川麗

（黑龍江大學化學化工與材料學院，哈爾濱150080）

0 引 言

化學是一門以實驗為基礎的自然科學，可以說“實驗是化學的靈魂”［1］。基礎實驗課程是本科人才實踐能力培養的重要的基礎性實踐教學環節，它對于提高學生的綜合素質，培養學生的創新精神與實踐能力具有特殊作用［2-5］。在基礎化學實驗中，無機及分析化學實驗的專業覆蓋面最廣，是眾多基礎化學實驗課程中的基礎。從化學類人才培養的角度出發，無機及分析化學實驗課的主要教學目標是：訓練學生掌握基本操作技能，提高觀察、分析和解決問題的能力，激發學習主動性和創造性，培養嚴謹的工作作風、實事求是的科學態度，為培養能適應未來社會發展需要的應用型專業人才奠定扎實的基礎。該課程在本科一年級第一學期開設，往往是高校相關專業學生大學期間的第一門實驗課，因此，其教學效果對于學生的實驗作風和科學態度的培養，以及將來后續課程的學習、科學研究、技術工作等具有至關重要的意義！

考慮到基礎實驗在化學類人才培養方面的重要作用，依據無機及分析化學實驗課的教學目標，反思近年來我校該課程的教學，存在著以下幾個問題：①學生學習“不積極”，表現在課前預習不充分，對基礎知識和操作步驟一知半解；② 課程講授環節，學生“不合作”，表現在相當比例的學生“左耳進、右耳出”，實驗失敗情況屢見不鮮，由此產生強烈的挫折感，對實驗喪失興趣；③學生在操作過程“不思考”，表現在“照方抓藥”，不分析每個操作所蘊含的道理；④ 學生輕過程、重結果，表現在“功利性”強，片面追求分數，卻不愿在課程學習本身多下功夫。這些“三不一輕”的共性特征，嚴重地影響了實驗教學的順利進行，令教師常感心力交瘁，教學方式方法亟須改進。

分析上述情況，學生在實驗課上出現的問題，一方面與學生的成長背景和基礎有關，另一個重要方面是由于傳統的教學方式已無法與新的教學對象相匹配。因此，從因材施教、轉換師生雙方的角色關系，以提高學習動力的理論視角出發，設計了“四維一體”教學模式，“獎”“罰”并重，將考核監控覆蓋到課程學習的每一環節，切實提高了教學效果。

1 課程設計的理論基礎

1.1 個性化的教育目標

無論是中國傳統教育思想，還是興起于20世紀70年代美國的后現代主義課程理論，均提倡個性化的教育理念。早在2000多年前，我國古代著名思想家、教育家孔子即提出了“因材施教”的個性化教育理念。孔子認為，每個人的智力、性格都有自然的先天性差異，教育的目的不是改變學生的個性特點，而是以學生不同的才能和特長作為依據，有的放矢地進行教育，從而使每一個人都盡可能發揮自己的特長［6］。與此類似，在對現代教育批判性反思的基礎上，后現代主義課程理論的倡導者同樣認為教育應當個性化。他們認為現代教育提倡的“全人”教育目標不切合實際，盲目追求同一性，卻忽略了人的多樣性和復雜性［6］。

1.2 課程對話雙方的角色關系

傳統教學模式（現代課程論）中，教師是課堂中的權威、主講者、主動的角色；而學生是聽講者、被動的角色。教師的心理需求是“控制”，如控制學生學習、聽講等。然而，控制的結果往往是無法控制、甚至適得其反：“好學者”并不需要教師干預即能主動學習，而非“好學者”會產生逆反心理，學習主動性更低。這種“逆反”源于學生的心理感受——學習是為了教師（的需要），而非自身的需求。后現代課程論中，教師不再僅僅是授業者，在與學生的對話中，教師本身也得到教益，學生在被教的同時反過來也在教育教師，他們合作起來共同成長［7］。后現代課程觀的代表學者多爾［8］認為，灌輸和闡釋不應該是課程所注重的方面，應該把所有課程的參與者都提升為課程的開發者和創造者，課程是在師生的共同探索下，逐漸認識新知識的發展過程，教師是平等中的首席，教師與學生之間不存在教導與接受、先知與后知的鴻溝，而是作為一群個體在共同探究有關知識領域的過程中相互對話、相互合作［7］。

1.3 學習動力的培養

學生持續、穩定的學習動力是保證課程教學效果的核心環節。學習動力理論認為，學習動力系統是由學習需要（動力的源泉和核心）、自信心（動力的支撐、調節器）、情緒情感（動力的激勵、促進器）等要素組成的復雜結構［9］。其中，學習需要又可分為直接需要和間接需要。直接需要主要有好奇心、求知欲、研究探索傾向等；而間接需要來源于生理或交往的需要，如受到尊重、表揚的需要，獲得群體的承認和接受的需要等。間接需要是外部要求轉化為直接學習需要的一個媒介。在學生缺乏直接需要的情況下，利用間接需要的作用可以激發學習行為。以后，學生在學習活動中可能會由于任務的特點（有趣）、任務對自己的價值或能學會（效果的需要）而接受這種要求，并將之轉化為自己直接學習的需要，形成新的動力源［9］。

從自信心角度，自信心影響學生對某一學習任務的選擇及對該任務的堅持性和努力程度；影響學生的思維模式（特別是在困難面前的態度）和情感反應模式，進而影響新行為的習得和習得行為的表現。相對而言，自信心高的學習者期望值更高、更理性、高自覺性、高韌性、高努力、高堅持、需要時能發揮智慧和技能，而自信心低的學習者常常情緒化地處理問題、夸大困難、專注性、自覺性、努力、堅持均較低，當需要時，其知識和技能常無從發揮。而從情緒情感的角度考慮，積極的情緒情感有利于提高學習者的學習動力，消極的情緒情感阻礙學習者學習動力的提高。

2 問題分析和教學設計理念

無論是我國傳統的個性化教育理念、后現代課程理論，還是學習動力理論，均為高校實驗課教學方法的改革提供了理論支持，引導教師對實驗課程進行全方位的反思。目前，高校學生的主流是95后。相比90后，95后更早接觸信息社會（后工業社會），更了解信息技術，思維活躍、開放，目標高遠，充滿激情，但同時存在自我為中心突出，心理承受能力弱，功利性行為明顯，團隊合作意識弱等問題［10］。因此，實驗課中出現“三不一輕”問題并非偶然現象，具有一定的時代特征。

盡管學生主體從85后、90后更替到目前的95后，與10年前相比，實驗課的教學方式并未做出相應的調整，仍普遍采用傳統的教學方式：課前口頭布置預習內容→課上教師講授／個別提問→課后學生處理報告→教師根據預習報告、實驗操作、實驗報告給出總分。這種教法很適合“好學者”眾多的年代，但目前卻很難調動95后的學習熱情。本校學生中，非“好學者”占大多數，學習目標相對低、學習動力弱；而“好學者”僅占小部分，充滿好奇心、求知欲，學習動力強。正是因為非“好學者”直接學習動力不足以及以往課程考核方式相對寬松，導致前述課程中的“三不一輕”現象。教學設計只有將非“好學者”培養成“好學者”，才能從根本上提升教學效果。但非“好學者”的培養也存在著挑戰，主要是因為他們缺乏“直接需要”的學習動力，教學設計只有在其“間接需要”上下功夫，即加大課程的考核力度和水準，方可奏效。課程講授環節不僅提問，還要計分；提問內容不但貫穿整個實驗，而且明確具體、隨時進行；考核形式不僅靈活多樣，還要覆蓋實驗課的整個學習周期。考核既要全方位、多角度，又要考慮個體差異、因材施教。

基于以上，立足我校無機及分析化學實驗課教學的實際、“三不一輕”的共性特征，借鑒國內高校基礎實驗課先進的教學設計理念［11-16］，在傳統的教學過程中引入“四維一體”教學模式，即“課前推送電子資源→課上全程提問考核→課后附加拓展性思考題→期中期末筆試考核”并以“學生為主體”，轉變師生對話關系，建立預習考核評價機制及學習效果追蹤評價機制，“獎”“罰”并重，統籌兼顧，將考核評價監控覆蓋到實驗課教學周期的每一環節，旨在促使學生形成穩定的學習動力，最終提高課程的教學效果。

3 “四維一體”教學模式的設計

3.1 建立教學資源庫

傳統教學模式中，師生之間的對話主要包括“人與文本的對話”“師生之間的對話”以及“自我對話（反思）”［7］。針對現階段本校學生的實際，拓展了師生之間對話的廣度及深度，充分利用電子信息與互聯網技術，建立內容豐富、結構多樣的實驗課教學資源庫。在傳統的紙質資源和硬件資源的基礎上，經過長期教學積累，重點建設電子資源庫（見圖1）。這種“學生與電子資源的對話”方式操作靈活、不受時間及地點限制，為學生課前充分預習實驗課提供了良好的資源基礎。

3.2 教學活動的具體實施

教學方案流程如圖2所示。開課前，學生須完成“實驗室安全知識MOOC”的線上學習、測驗及筆試考核，方可開始實驗課的學習。教學設計將每次實驗課程分為4個階段，即，課前階段、課上講授階段、實驗操作階段、實驗報告處理階段。下面將詳細介紹每階段的實施內容及策略。

圖1 “無機及分析化學實驗”教學資源庫

圖2 “無機及分析化學實驗”課程“四維一體”教學方案設計路線圖

（1）課前階段。采用多媒體形式講授緒論課；建立電子平臺，以備課前電子資料推送之用；將實驗成績評定方法、預習情況計分細則公布給每名學生。課前約1周，設置明確的預習任務：教師將電子資源（實驗操作詳解及注意事項、基礎知識參考資料、操作視頻及圖像資料、課堂提問題目）推送給學生，學生須完成布置的全部預習內容，以迎接課堂提問考核。

其中，“詳解”著重解決學生對實驗操作預習不透、知其然不知其所以然的問題，對實驗教材中操作部分的每一重要細節均做出引導性的深入解釋或提示，并注明關系實驗成敗的關鍵點及影響因素，以保證絕大多數學生可在“詳解”的導航下成功完成實驗，從而達到基本的教學效果。需要說明，“詳解”并非教師教案的簡單“奉送”“嚼過的饅頭”，而是將“嚼”的方法分享給學生，引導其逐步養成勤于思考、樂于探究的思維習慣。“詳解”中，除必要給出的方程式、機理外，主要通過問句、留白等形式啟發學生思考每一步操作的道理和意義。以硫酸亞鐵銨制備實驗的“詳解”為例（見表1），通過小貼士（Tips）提醒學生在操作中應注意的細節以避免后續操作出現問題；通過3個問句及“留白式”答案，引發學生思考系列問題。通過閱讀（“詳解”）→思考→查閱（資料）→分析→反饋→指導操作，實現融會貫通，促使學生學習動力內化。

操作視頻主要包括實驗課所涉及的基本單元操作演示，如“滴定管的使用”。相比紙質材料，操作視頻更直觀、生動，學生課前可反復觀看，扭轉了課上演示時間有限、細節易錯過的局面。

基礎知識參考資料包含實驗課程所涉及的重要基礎知識，如基本概念、化合物的結構、性質及用途、方法、涉及的國家標準等，旨在拓展課程的知識面。另外，有針對性地提供若干與實驗內容匹配的參考文獻，為“好學者”提供一種深入探索的方式，為其將來的科研工作做鋪墊，體現個性化的教育理念。

表1 硫酸亞鐵銨的制備操作詳解（節選）

圖像資料主要包含兩類，一類為學生在實驗中易出現的錯誤操作和正確操作對比圖；另一類為實驗過程各階段現象的照片。圖像資料一目了然，使學生記憶深刻，啟發其思考不同現象和不同品質產物的產生原因，增加學習的趣味性。

課堂提問題目的設置同樣考慮因材施教。題目共分為兩類，第1類為直接體現在電子資源中的題目，涵蓋所有保證學生能成功完成實驗的基礎知識點，主要涉及實驗原理、基礎知識、操作流程、操作方法（演示）等；第2類為拓展性題目，在電子資料中不直接體現，主要包括實驗原理中拓展的部分、實驗操作中留白的部分及其他實驗相關知識的延伸。其中，第1類題目是為半數以上學生量身定制，實際上是把實驗課所要求掌握的核心基礎內容全部以題目的形式給出，基于學生重視分數的心理特點，因勢利導，采用課堂提問考核和現場計分的方式，促使學生不得不把基本內容完全掌握；利用“間接需要”引發學習行為，確保實驗的整體成功率，促進學生形成自信、積極的情緒情感，保證課程的基本教學效果；而第2類題目是為“好學者”設置，解決小部分學生吃不飽的問題，延伸課程的深度和廣度，以進一步提升課程的教學效果。

（2）課程講授階段。該階段教學設計的核心是改變教師的講課方式，突出學生的主體地位，提升其學習動力。教師通過全程提問與引導相結合的方式授課，將大部分時間交給學生作答、交流；主要行為包括：主持→提問→傾聽→反饋→引導→評價（計分）→總結。教學設計的目標旨在讓學生能講出來并講清楚；顯然，相比傳統實驗課教法中學生能聽懂并理解的目的，新的教學設計目標在層次要求上有了質的飛躍！但新的對話模式對教師素質提出了更高的要求，教師要既能平等地接受與理解學生的見解，又能高屋建瓴地指導學生推進學習過程；甘當“配角”，觀察學生的成長，體認“教是為了不教”。

提問環節，學生以小組為單位答題。問題分必答題和搶答題兩類；其中，必答題和A類搶答題均來自課前電子資料中的題目或參考資料中涉及的內容，而B類搶答題則來源于參考資料中涉及的留白內容及拓展延伸內容。問題回答情況與預習成績直接掛鉤，當場計分，計分細則見表2。

認真預習者可為小組贏得分數、掌聲，帶來積極的情緒情感——榮譽感和自豪感；后續操作中更容易做到有條不紊、規定時間有效完成規定內容，帶來正向的心理體驗——成就感和滿足感，從而進一步激發學習興趣和動力，形成良性循環。而未認真預習者在提問環節會失分，影響整個小組的預習成績，久之，會形成一種消極的心理感受——愧疚感；實驗中很容易出現問題，甚至失敗，從而形成挫敗感；內在（愧疚感和挫敗感）和外在（小組同學的期待和教師的鼓勵）的雙重作用下，會促使其不得不投入足夠的時間和精力預習，以逐步扭轉課上和實驗中的不利局面。提問環節完畢，預留幾分鐘作為答題時間，解決整個提問環節中遺漏的或仍有疑問的知識點或問題，查缺補漏，并根據課堂實際布置附加思考題，以滿足“好學者”的探索欲和求知欲。

（3）實驗操作階段。學生獨立開展實驗，完成實驗現象、數據記錄。教師檢驗預習報告情況和操作技能情況并計分，個性化指導有需求的學生，與傳統課程形式基本一致。

（4）實驗報告處理階段。除完成數據處理等基本內容外，“好學者”可采用多種方式深入探究課上布置的附加思考題，并回答在實驗報告上，以贏得附加分。每次實驗成績組成和比例如圖3所示。

3.3 評價與反饋

圖3 “無機及分析化學實驗”實驗成績評定方法

教學評價的終極目的，既不是為了“評價”而評價，也不僅是為了“區分”，更重要的是為了促進學生的發展與提升。從學習動力理論角度，考核評價是用來提升學習的間接需要→引發學習行為→學習中培養直接需要→形成穩定的學習動力。簡言之，評價體系可以分為“獎”為主型、“罰”為主型及“獎罰并重”型。“罰”為主型評價體系適用于惰性大、學習自覺性較低的學生，而“獎”為主型評價體系適用于主動性強的“好學者”。基于本校學生實際，采用“獎罰并重”型評價體系。在傳統實驗成績評價體系的基礎上，新的評價體系引入“預習考核評價機制”和“學習效果追蹤評價機制”（見圖2、3和表2）。

表2 “無機及分析化學實驗”預習情況評分細則

（1）建立預習考核評價機制。實驗課教學效果的好壞，學生預習效果是關鍵。對于本校絕大多數學生，在學習資源充分的前提下，只要保證充分預習，完全可以掌握實驗課的教學內容。教學效果差并非由于學生學習能力差，而是由于其學習積極性低。實驗課上教師教得多并不等于學生學得多，學生學的多少也不（主要）取決于教師如何教和教多少，而是取決于教師如何來評價學生的預習效果。這就要求建立一套完整有效的預習考核評價機制，保證預習內容要具體，預習考核要明確，評價體系要全面，“獎”與“罰”要有標準。

預習考核評價機制將預習成績細化為預習報告和課堂提問成績，各占預習成績的50%，而課堂提問細化為小組必答題、小組搶答題和個人搶答題，如表2所示。小組必答題和小組搶答題各1題，隨機選擇某位小組成員作答，各占5分，屬于“罰”。每人每次課都有被抽中答題的可能，答錯會扣小組分，影響全組成員的成績。而個人搶答題則屬于“獎”，考核的內容為課前參考資料中涉及的留白內容及拓展延伸內容，答對即加個人附加分。此外，課堂講授環節教師還根據課程進展隨機布置拓展延伸的附加思考題，留給“好學者”課后在實驗報告上回答，作為個人附加分的第2種類，答對即加分。第3個層面的附加分設置在實驗操作過程中，給實驗中善于發現問題、解決問題、綜合素質高的學生附加綜合創新分。即，附加分有3級：個人搶答題、附加思考題和綜合創新分。

（2）建立學習效果追蹤評價機制。預習考核評價機制的重點是激勵學生課前投入足夠的精力預習，而學習效果追蹤評價機制的重點是提示學生課后要利用一定的時間反思和復習。學習效果追蹤評價機制通過兩次筆試考試完成，時間分別設置在期中和期末。其考試內容只針對實驗過程中涉及的重要基本知識點、操作技術，覆蓋期中（期末）前完成的所有實驗。同樣，筆試考試屬于“罰”，計入期末實驗課總成績，要求學生課后能掌握實驗中涉及的基礎知識和操作技術，答錯題目會被“扣分”。

3.4 成效

“四維一體”教學模式經過4年的實踐，成效主要有：①僅需2～3次課的周期，整個班級的學生即養成課前充分預習的習慣，課前即能基本掌握實驗所需的理論知識和操作注意事項，表現在回答問題爭先恐后，踴躍回答并答對者占學生總數的50%以上，其中，參考資料給出的問題幾乎被學生100%答對，參考資料中的留白問題和布置的附加思考題被答對的比例約占50%；②學生整體的學習動力隨課程的推進逐漸增強，“好學者”人數逐漸增加，表現在沖擊3級附加分的學生逐漸增多，得分者比例逐漸增加；③ 學生操作能力穩步提升，表現在實驗成功率高，在后續的其他實驗課中操作規范；④ 學生能做到溫故而知新，表現在期中、期末筆試環節平均分均在80分以上。

4 結 語

“四維一體”教學設計加大了考核評價體系的力度和水準，覆蓋到了學生學習“實驗”課程的每一個環節。通過引入小組必答題和小組搶答題的“罰”和3級附加分的“獎”，激發全體學生對實驗課學習的積極性和主動性，通過期中、期末兩次筆試考試的“罰”提示學生課后仍要回顧和總結。其模式全面提升了實驗課程的教學效果，期望對轉換傳統基礎實驗課的教學方法，創新基礎實驗課程的教學理念以及對課程體系的研究與發展起到啟迪作用。