无机化学实验中自主设计实验的教学研究

张志红 魏 婷

(1,2.昌吉学院化学与应用化学系 新疆 昌吉 831100)

无机化学实验中自主设计实验的教学研究

张志红1魏 婷2

(1,2.昌吉学院化学与应用化学系 新疆 昌吉 831100)

本文旨在探讨在大一无机化学实验课中开展自主设计实验的教学方法。以基础实验为基石,根据学生实验的内容和时间作出合理的安排,分阶段分层次开展学生自主设计实验,让学生可以自主决定实验内容或在教师指导下选择实验内容进行研究与探索,创设学生自己动脑、动嘴、动手的教学环境,激发学生探索的欲望和独立思考的积极性。教学实践表明在大学一年级的无机化学实验教学中开展适量的学生自主设计实验有利于学生的动手能力、独立思考能力以及科学研究方法的培养。

无机化学实验;自主设计实验;教学方法

随着新一轮高校课程改革的不断深化,在实验课教学中相对于注重基础知识、基本技能培养的传统教学理念,培养学生自主学习与创新能力的现代理念已日益成为主流思想,越来越受到关注。近几年出版的实验教材中,无论是基础实验还是专业实验教材,设计与综合实验的比例越来越大。在高校教学水平评估中,设计和综合实验的比例已成为实验课教学质量评价的一项重要指标。怎样认识基础实验和设计综合实验的关系?怎样组织好设计和综合实验的教学过程?如何使学生在设计实验中切实得到能力和方法的训练?这更多地取决于教学的具体实施者—实验教师对设计与综合实验作用的深刻认识,对实验教学方法的深入探索与总结。无机化学实验是化学系学生学习的第一门专业基础实验课程。针对课程的基础性和学生知识技能水平的初级性特点,就如何在无机化学实验教学中将基础实验和设计综合实验有机结合起来,既保留基础实验教学的严谨、规范,又体现设计实验的自主与创新这一主题,我们进行了不断的探索。

一、传统实验教学模式存在的问题

长期以来传统化学实验教学都是理论课程的附属,实验内容多是对理论知识的验证和巩固,缺乏与实际生活和生产的联系。教材的编写严谨、细致,实验原理、实验步骤具体入微。实验教学强调基础性,注重基本技能和操作规范。老师的讲解注重把每一个细节都告诉学生,生怕他们在实验中出现问题。实验时学生基本是“照方抓药”。这样的教学刻板、枯燥,容易把学生带入只动手、不动脑、机械操作的误区,难以激发学生对实验课的兴趣,也难以充分发挥其主动性和创造性。

二、正确理解基础实验和设计综合实验的关系

基于传统实验教学模式的诸多弊端,现代实验课程教学的改革多是以减少验证型实验,增加设计型、探究型、综合型实验为特征。作为激发学生学习积极性和主动性的一条有效途径,设计实验只给出研究课题,由学生自己通过查阅文献,设计方案,实施方案,解决相对于自己的知识水平仍属于“新”的问题,从而促进学生自主学习,独立思考的能力。

在强调自主能力培养的新理念下,传统的实验教学模式是否还有必要?怎样把握传统实验与设计实验的关系?我们认为传统实验教学模式和设计、综合实验模式的作用是相辅相成、相互补充的,二者不可偏废。对于低年级的专业实验,既要重基础、严规范,又要激兴趣、促自主。基础实验和传统教学模式为学生打下坚实的实验操作技能基础,养成严谨的实验作风。设计实验为学生提供发挥个性,拓展能力的平台,二者都具有不可替代的作用。一味强调自主设计,忽视教师的指导作用,轻视实验操作规范,往往会导致学生兴趣虽高,却盲目自主,以至出现操作不当、方法错误、对实验内容掌握不够完整甚至得不出正确的结论的问题。每次实验后,教师得用较长时间加以纠正和总结,反而事倍功半。因此实验内容的选择要能够保证足够数量的基本技能训练,这部分内容的教学应以传统教学方式为主,明确实验步骤细节,强调规范准确。在学生形成基本的实验技能后,再逐步开展自主设计实验和综合实验。否则,如果教学策略与方法运用不当,自主设计实验也必然是流于形式,难以达到预期目的。

三、分层次、分阶段进行自主设计实验

作为大学一年级的基础实验课程,无机化学实验的首要目的是对学生进行基本实验技能和实验方法的训练。基于这个目的,在大一上学期《无机化学实验I》的十四个实验中没有安排独立的设计实验。实验内容都以传统方式编写,教学主要以传统教学模式展开。基本技能训练实验重在实验操作技能的规范与准确,在教学中采取细节细讲、演示模仿、个别纠正相结合的方法,突出细节、强调技能,强化学生严谨的科学作风。在原理和测定实验中,则通过教师分析实验设计思路、实验操作思路、实验关键步骤思路以及实验思路的发散与应用训练使学生从整体认识和理解实验,把握实验设计的基本思路,学会实验研究的一般方法,从而切实提高分析问题、解决问题的能力。基本技能的训练和思路教学为学生奠定了良好的操作技能和思维方法的基础。

经过一个学期的基本技能和实验方法训练之后,下学期《无机化学实验II》开始循序渐进地加入设计实验内容。把握的原则是由少到多,有简单到复杂,由局部到整体。学期初,在每次性质实验中除了要求学生按照教科书的步骤按部就班完成大部分实验外,还留出少部分实验内容由学生进行设计。如:用所给试剂设计实验比较氯、溴、碘单质的氧化性及离子的还原性强弱;设计实验验证H2O2的稳定性和氧化还原性;设计实验验证Na2S2O3在不同介质中的稳定性、还原性和配位性。设计区别硝酸钠和亚硝酸钠的三种方法。在物质鉴别与分离实验中,除完成内容中已经明确操作步骤的离子分离外,再设计其它混合离子的分离与鉴定方案。因为每次设计实验内容不多,不会给学生造成负担,相反却可以让他们对传统实验和设计实验的效果做比较,体会设计实验带来的挑战和乐趣,并且逐步学习设计实验的一般思路与步骤。在学生具备了一定的实验设计能力后,在后期安排了四个独立设计实验和一个综合实验,其中包括物质的制备、离子分离与未知物鉴别、物质组成测定及水中溶解氧含量测定等实验。这部分内容交给学生自主设计研究,独立完成实验方案设计、药品仪器选择、实施实验、得出结论。另外,在教学计划规定教学时数之外,大一下学期我们尝试了在每周开放一次实验室,每次四小时,这个时间用于学生进行教学计划外的自主设计实验。

四、在设计实验中发挥学生的自主性

我们认为充分发挥学生的自主性是实验教学的最终目的,但并不能作为实验教学的一般原则。在设计实验中发挥学生的自主性并不意味着全盘放开,彻底自主,而应该有一个由约束到放开直至完全自主的过程。在技能训练实验中强调按部就班,严格按照实验步骤操作,不能有自己的发挥。而在初期的设计实验中由教师给出实验题目和实验试剂,由学生根据要求进行设计。在后期综合设计实验中给出大的课题,由学生自己设计实验计划,自己提出药品和仪器清单。而在开放实验设计中学生则可以从选题到设计到实施完全自主进行。循序渐进的自主训练有助于学生尽快了解并掌握设计实验的一般方法与思路,减少盲目性,增加实验成功的概率。在初期的设计实验中,学生的自主性主要体现在方案设计与优化、实验探索活动、结果讨论与分析上。根据教材或教师提供的课题,学生可以从原理、途径、条件控制、药品仪器的使用、预期实验结果等方面对方案进行设计。在这个设计过程中,很可能出现方案与教师的预期差距较大,不是根本不知从何处下手去设计,就是考虑不周,漏洞百出。而此时教师的作用就是引导学生通过讨论发现方案设计中的问题和不足,进行修正与完善。相比于教师直接告诉学生正确的方案,这是一个繁琐的过程。但这正是学生产生想法、修正思路、得出结论、自己动脑的过程,这个自主学习的过程是学生学习实验设计整体思路的必由之路,其教育价值远胜于一个正确的结论。在传统的教学中常常为了省时、方便而由教师包办,这样做其实就是剥夺了学生自主学习和自我发展的机会。

在学生了解了实验设计的基本思路与方法后,由教师指定几个综合性稍强的实验由学生分组设计完成。每组学生负责一节实验内容,从查找文献,拟定方案、讲解方案全部负责。本班其他同学可以参与到方案的评价中,在讨论中确定可行的方案。具体做法是设计方案的学生把自己的设计思想、实验原理、实验步骤给全班同学讲解,教师和其他同学对他的方案提出意见和建议,使方案更加完善。这提供了一个相互交流、相互学习的空间,营造了研究性学习的氛围,拓宽了学生们的思路和眼界。在这个过程中教师的作用进一步淡化,经过初期的训练后,在这个阶段方案设计出现大的错误的概率明显下降。只需要在一些个别的局部问题上加一点指导即可。这时教师会感觉自己已无需面面俱到,教学反而轻松了。

一部分对实验非常感兴趣的学生在自己成功设计实验的基础上已经不再满足于老师给出题目了。他们会要求将自己感兴趣的实验课题设计成方案,进一步进行研究。对于这部分同学只用教学计划内的时间已经不够,开放实验室和开放实验就成为必然。我们在一年级下学期实行无机实验室开放,每周开放四小时。在开放实验中学生可以根据实验室的条件自己选择一些感兴趣的实验课题或是老师提供的一些实验题目展开研究。实验内容难度适中,主要涉及以下几个方面:(1)采用与教科书不同方法制备化学物质(如水热法制备SnO2纳米粉体、微波法制备硫代硫酸钠的研究、无机化合物制备实验微型化研究等)。(2)元素及其化合物性质实验的改进及微型化研究。(3)一些测定实验的改进及微型化研究(如:化学反应速率与活化能测定实验改进及微型化研究、简易量热计测定物质反应热的研究等)。(4)对环境污染的化学方法治理研究(如:水中染料污染物的降解研究、改性活性硅酸的制备及水处理性能的研究、TiO2复合光催化剂的制备及性能研究)。(5)实用技术的探索性研究(镀铜膜钢板上花纹蚀刻方法研究、缓释复合肥的研究等)。这些课题由学生根据兴趣分组研究,实践证明大部分学生对于自己负责的研究课题都能够积极主动地去实施完成。他们用业余时间出去调查、查找文献、设计方案,实施实验,其主动性和热情让人惊叹。如镀铜膜钢板上花纹蚀刻方法研究小组短时间内就拿出了四套实验方案,节假日小组成员四处寻找实验用的镀铜膜钢板边角材料。自来水净化研究小组成员去各净水机销售处,了解净水原理、设备和材料,很快设计了自己的研究方案。

五、设计实验的教学组织

合理的组织形式是达到预期教学效果的必要保证。在实际教学过程中根据不同阶段、不同的设计实验内容,我们采取了不同的组织形式。在一年级下学期首先将学生进行分组,每组两人,负责一个实验。按照实验教学计划提前对实验进行预习,结合看书、查阅资料、与老师讨论等方式对实验原理、步骤、现象、解释及反应方程式进行较为深入的研究。在实验前由他们负责给其他同学讲解实验,解答相关问题。这样可以保证每位学生都必须要认真研究一个实验,要讲好一个实验,每个人都会有一次锻炼的机会。由同学讲解实验,课堂气氛比较活跃,听的同学变得比较敏感,会不断提出自己的看法和意见。这一点不同于老师讲实验,一般老师讲解实验时,学生多会相信老师的权威,认为老师讲的都是对的,自己只要记录就好了,不必过多思考。学生讲解实验时,教师的作用是组织教学,最后根据学生的讲解情况进行总结、查遗补漏,纠正偏差。开放实验的组织以小组为单位,一般4-5人一组,由组长负责组员的组织、任务安排、与实验老师的协调工作。专人负责可以保证工作有效地开展,也便于教师的管理与组织。以小组为单位进行自主设计实验有利于小组成员间的合作学习与探究。作为一个小的课题团队,成员之间要克服不良竞争的心理,彼此尊重、友好。与他人分享自己的经验与观点,耐心倾听同学的发言。通过组内成员间的互动、交流、讨论,从而加深对研究课题的理解。

开放实验的组织程序为以下几步:(1)方案设计:每组提前二周将设计实验的题目、实验设计方案和所需要的试剂、仪器交给指导教师,经教师认可后方可进入实验室研究。(2)实验研究:每组同学按照设计方案进行实验,实验教师负责提供必要的仪器、药品并给予适当指导。(3)合作讨论与交流:针对设计实验中出现的问题,以小组为单位组织讨论交流,优化方案。(4)撰写研究报告或论文:实验结束,每组交一份设计实验研究报告。报告按科研论文的格式书写。

六、自主设计实验结果的评价

设计实验结果的评价应以质性评价为主,考察学生在查阅资料、方案设计、实验操作、实验结果、协作精神、安全环保、研究报告等方面的表现。由教师评定、小组评定和自我评定三部分组成,综合反映学生的学习状况。设计实验的评价结果在总评成绩中占25%。

七、自主设计实验教学的成效

在本科07、08、09级三届七个班的无机化学实验教学中,我们逐步尝试了自主设计实验教学的模式研究。教学实践证明:在大一无机化学实验课中开展基础实验、设计实验、综合研究实验有机结合的实验教学模式,根据学生实验的内容和时间做出合理的安排,分阶段分层次的开展学生自主设计实验是一种行之有效的教学策略。创设学生自己动脑、动嘴、动手的教学环境,让学生可以自主决定实验内容或在教师指导下选择实验内容进行研究与探索,有利于激发学生探索的欲望和独立思考的积极性,有利于对学生的动手能力、独立思考能力以及科学研究方法的培养。同时以小组为单位的自主设计实验也为学生进行合作—探究学习创设了良好的学习背景,其价值不仅体现在专业课程的学习,也有助于学生终身学习和发展。

(责任编辑:马海燕)

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1671-6469(2010)05-0095-03

2010-09-06

昌吉学院2009年教研课题资助项目(2009Z004)

张志红(1966-),女,新疆阜康市人,昌吉学院化学与应用化学系,副教授,研究方向:无机化学及实验教学。