以方法为中心的实验教学

2014-02-13李天安

大学化学 2014年5期

李天安

(西南大学化学化工学院重庆400715)

戴安邦先生的名言“实验教学是实施全面化学教育的有效形式”［1］曾经多次被人们引用来论证实验在教学中的重要性。实际上，如何实现“全面”和“有效”这两个关键词的核心问题是实验教学究竟应该教什么，学生应该从中学什么。

1 实验的科学功能

所谓现代科学，不仅指科学知识本身，还包括认识科学知识的过程和方法。化学与任何学科一样，也是由两大体系构成，一是用于阐明研究对象自然规律的理论体系，它反映了人类在本学科的知识积累;二是用于揭示自然规律的方法论体系，它推动学科理论的发展，并利用这些规律造福人类。两大体系缺一不可。

那么，实验在化学学科中究竟发挥着什么作用呢?简略地说，至少应当具有以下4大功能［2-3］:

(1)发现功能:实验是获得化学事实原始素材的基本途径。可以说，书本知识是前人告之他们的发现，而实验就是我们自己去发现。

(2)举证功能:无论是已有化学规律的重现，还是先于实验的理论假说，都必须由实验来验证。对学生而言，通过实验验证和巩固理论知识也是必需的。

(3)创新功能:通过实验，发现和合成新物质，揭示物质世界的规律，丰富和推动化学理论和分支学科的建立和发展;探索物质世界奥秘的实验需求，不断推进仪器、装置等实验手段的进步。

(4)创造功能:实验具有规模小、周期短、花钱少等优点，有利于模拟工业生产过程，为生产提供流程设计、工艺优化的基本原理和技术参数。

所以，实验作为化学研究方法论的核心，在学科发展和解决实际问题中起着举足轻重的作用。因此，实验室不能简单地等同于教室，实验教学的内容也并非就是知识。

2 实验教学中的方法

人们解决实际问题的过程可以概括为“三步法”，即确定命题→设计方案→组织实施。命题的确定需要动用一切可能的知识储备来分析问题，强烈地体现了决策者的学科背景，如决定物理改性还是化学改性。而且，不是所有具有同一学科背景和知识储备的人都可以科学地发现命题。

解决命题的方案可以有多种，如共聚和单体修饰都属于化学改性。因此，决策者需要在不同方案间权衡，选择最恰当的方案。从心理活动规律而言，只有对反应原理的深刻理解、对材料性能的充分把握和对现有条件的全面分析才能比较出各种方案的适宜度，做出科学的决策。

同一个反应可以用不同的手段来推动，不同的技术可能会得到不同的反应速率、副产物，也会有不同的条件需求和成本。因此，组织实施的执行力反映了决策者技术方法的水平，同样也是对决策者脑力的检验。

知识是前人解决昨天问题的产物，在信息源极大丰富的当今时代要获取知识并不难，但它并不能提供今天问题的解决方案。原创永远“学”不来。动手能力在解决问题的过程中仅占有极小的份额，况且大学生既不可能也无必要在校受训以达到与生产一线员工同样的操作熟练程度。所以，实验教学的内容绝不仅仅限于知识和动手能力，要“教”要“学”的是分析问题、解决问题的能力，也就是上述的“方法”。这就是以“方法”为中心的实验教学。从这个意义来讲，实验室更是思维训练的场所。

从心理活动的性质来看，方法有不同层面。思想方法是人心理中最高级、最抽象的活动;是发现命题、论证命题，解决之后再发现新命题的逻辑能力，即所谓专业“眼光”。

思维方法体现的是人心理中形象思维和抽象思维的协调活动。命题求解需要方案和路线图。即使在科技高度发达的今天，自然事物命题的“解”也极少是显现的、唯一的。因而针对具体命题去寻求、评价和选择解决方案不仅需要有学科知识支撑，更要有综合和交叉运用的能力。

技术方法属于人心理活动的形象思维范畴。根据实际情况和条件，评价和选择现有技术手段来“求”自然事物命题的解需要有信息收集和综合分析的能力。当今科技的发展大大地丰富了工具和技术，甚至其构建的科学原理也可能不同，从而使得选择更需要能力、水平或素质。有时，成败不在方案，而在手段。

所以，不论从哪个层面来看，“方法”就是评判的思路、选择的思路、执行的思路，它具有鲜明的学科性，受认知范围的强烈局限;同时又具有宽泛的普适性，贯穿了超越本学科的学识水平，是跨文理的科学素养、解决实际问题的潜能。

3 教学中的方法实施

实验课程是由若干项目构成的。习惯上把实验项目划分成基础、提高(综合、设计、应用)和研究创新3种类型。一般而言，研究型和提高型实验至少可以完成前述解决实际问题“三步法”中的两步，对学生思维能力的训练作用是不言而喻的。困难的是基础实验。通常，基础实验多为经典项目，条件要求相对较低，操作容易，也更多地被选用来验证知识。因此，改造基础实验为思维训练更加迫切。

仔细分析一些经典实验项目可以发现，它们实际上是“三步法”的最后一步，是前人分析和解决问题时整个思维过程的最后环节。因此，只需重现当年的解决过程即可打开学生视野，尽显思维魅力。图1就是一个实例。

相对分子(原子)质量的常规测定通常被安排在物理化学或无机化学实验之中，可供选择的项目很多，然而都是“验证”性的。这些实验项目中的任何一个都包含了针对特定的物质类型选择不同的检测技术和设计独特实验装置的科学思维，所有项目的共性都是通过测算被测物质的物质单元“个体”数来求得物质的量，再与质量一起计算出相对质量，完全遵循相对分子(原子)质量的基本定义。所以，实验中需要“教”的显然不能局限在某个项目本身的原理、操作要领、仪器使用技术和结果上，重要的是要使学生体会到在确定一种基本方法去解决实际命题之后，如何选择技术来实现的思维过程。

图1 相对分子(原子)质量测定实验的教学设计

教师课前的教学设计是通过教学研究，由“项目”总结出“技术”，再归纳到“方法”的过程。其中“技术”层面的“应用”和“原理”两个子层面的归纳是重要的，在此过程中，抽象掉了具体实验项目的内容，使之上升到了理性的高度。

图2是另一个教学设计思路。可以从前人已经归纳出的技术入手，由“技术”汇聚到“方法”，再推衍到应用。

图2 黏度测定实验的教学设计

本院从2006级开始探索在化学专业本科低年级基础实验课程中尝试这种教学方法，学生能够适应，反响积极［4］。教师沿“教学研究”箭头所指方向备课，并把这个过程和结论的线索写入实验指导书。教学按“教学实施”箭头所指自左向右进行。学生课前被要求对照实验指导书中的线索查阅资料，发现和理解整体技术状况、方法和核心原理;根据所给物质的性质等条件由方法选择出技术，再从操作角度分析实现该技术的实验条件和操作要领。学生的预习报告需要写出具体的实验设计，且必须说明选择该技术的理由。只要实验室条件许可，就可把实验室按技术类别划分为一些区域，学生按所选技术对号入座完成实验。课后各技术组之间交流心得并撰写实验报告。

这种教学设计实质上摈弃了传统的以“项目”为中心的模式，而改用“方法”来统领“项目”，实验项目仅仅是体验“方法”的手段。选择什么项目并不重要，即使是经典实验;关键是让学生经历“过程”而不是“结果”，重在训练思维而不局限在个别操作上。

这种教学模式强化了对知识的掌握。学生经历了对前人创造知识和技术过程的重现、针对具体事物的独立思考和自己动手实践验证，获得了除理论知识之外更丰富的认知训练，对方法的内涵和外延有了更深刻的理性认识，是一个“鱼”、“渔”兼授的过程。

这种思路下的实验项目很容易实现综合化，而且是高于项目水平的一种“综合”。事实上，生产生活中的化学问题都不一定非用一个唯一的技术来解决，但解决问题的关键总是存在的。而要做到这一点，对各种可用的备选方法的深刻了解和融会贯通是必须的。因此，如何剖析问题、找出主要矛盾，并用一系列辅助措施(技术)来保证整体的成功是学生今后最基本的工作素质。

教学不再是孤立的实验项目，而是解决一类问题的思路，即对解决一个问题的思维过程的把握。教学展现在学生面前的不再是一个“死”的实验项目和预先暗示的实验结论，而是对该方法所运用的化学知识的全面了解和该方法对生产生活实际的“活”的价值。只有解决问题的思路才是学生今后工作的看家本领。尽管学生在理解该方法的内涵、化学知识的掌握和访问的信息源之间有深浅，从实验中得到的感悟和体会有不同，但这并不妨碍对“方法”的理解，其差异主要表现在方法的外延。教学中是允许存在这种差异的。

在实际实施中，实验项目数可能减少，但由于把教学各方面的教育功能有机地结合了起来，通过强化过程控制，把教学目标贯穿在整个过程中，更有利于教学目标的内化。