激发学生主动思考的无机化学实验教学方法

2014-05-02魏小兰邹智毅

实验技术与管理 2014年5期

魏小兰，邹智毅

（华南理工大学化学与化工学院，广东广州 510640）

1 培养学生批判性思维能力

美国教育家和律师、哈佛大学前校长德雷克·博克在他的《回归大学之道》一书中指出［1］，大学对本科生培养要实现的教育目标概括起来包括8个方面：表达能力、批判性思维能力、道德推理能力、公民意识、适应多元文化的素养、全球化素养、广泛的兴趣、为就业做准备。其中批判性思维能力成为培养的重要目标之一。2010年4月，斯坦福大学校长约翰·汉尼诗在旧金山举行的百人会第19届年会时指出［2］：“未来教育的重点和趋势将注重学生综合能力的培养”、“学生的独立思考能力有助于他成为问题的发现者和解决者”、“培养学生用批判式的思维方式去考虑问题，让学生独立思考并学会提问，敢于向权威挑战”。

2010年5月，于南京举行的中外大学校长论坛上［3］，美国耶鲁大学校长理查德·莱文认为，中国大学的本科教育缺乏2个非常重要的内容：第一，跨学科的广度；第二，对于评判性思维的培养。他在批判性思维培养方面指出，中国的教学，“学生总是被动的倾听者、接受者”、“把注意力放在对于知识要点的掌握上，而不去开发独立和批判性思维的能力”。他认为教师应“采取新的教学模式，鼓励学生进行主动的思维，让学生能够挑战彼此，挑战教师”。

我国教育主管部门针对我国本科教育存在的问题提出了指导性意见。教育部于2012年3月21日印发了《高等教育专题规划》［4］，在其第三部分关于“深化本科教育教学改革”中提出：“注重创新性，培养批判性思维和跨学科思维，增强学生的创新精神和创新能力；注重综合性，拓宽学生的知识面，提高学生综合能力素质；注重实践性，强化实践教学，提高学生解决实际问题的能力”；“重视学生在学习中的主体地位。注重学思结合，倡导启发式、探究式、讨论式、参与式教学”。

如何培养学生的批判性思维能力，国内外大多数专家认为可以通过3条途径［4－6］：一是开设专门的批判性思维课程加以系统训练；二是结合常规课教学；三是开辟隐性课堂，例如参加辩论、热点问题讨论或学术沙龙等。

目前，我国高校学生批判性思维能力现状不容乐观。黄朝阳［4］对我国高校学生批判性思维能力的调查发现，我国高校学生的批判性思维能力总体上处于低等水平，即使情况最好的“985”高校的学生也只有中等水平。分析其原因，可能源自我国本科生源。由于历时12年的应试教育经历，使学生的学习动机“从他驱动”和习惯学习 “求解答”，独立主动思考程度偏低。目前我国正在不同学科课程中，逐渐加强学生批判性思维能力的培养［7－13］。

对于我国刚进入大学的学生，让他们尽快从“从他驱动”和“求解答”转变为“自我驱动”到“自解答”，是大学一年级教育的主要目标，而激发学生主动思考则是完成这一目标的重要方法。通过激发学生主动思考，使之养成独立思考习惯，进而培养学生批判性思维能力，为增强学生创新精神和创新能力奠定心理基础。

无机化学实验是化学专业学生进入大学的第一门实验课，在激发学生自主思考方面可起到独特的培养作用。通过有趣的实验激发学生对化学的兴趣，建立独立思考的基础；通过综合测定实验培养学生“数理推理”思维习惯；通过实验课堂讨论、动手实践、激发学生主动思考的同时，还可以锻炼学生口头表达能力，通过实验后的书写实验报告进一步促进学生深度思考的同时培养学生的书面表达能力。

2 无机化学实验课的高度综合性与教学过程中易低水平化的特性

实验课是一门把课堂所学的理论知识，通过物质化和直观化的方式应用于实践的独特课程，该课程既帮助学生巩固理论知识、培养学生的实践能力，还使学生在实验过程中学习并掌握相关的实验技术和技能。在实验教学过程中，学生要同时使用手、眼、脑、嗅觉和触觉等多种感官，是一个高度综合的高强度思维活动过程，从这个意义上说，良好的实验教学对学生批判性思维和综合能力培养的水平，要远高于理论课堂学习。然而，实验课可能因方法不当非常容易流于低水平化。

事实上，目前流行的实验课教学方式，多数处于低水平层面。学生来实验室前把教材操作步骤看看，课堂上教师将实验注意事项简单讲讲，然后学生依据教材或预习报告抄写的详细实验步骤做实验、记录数据或现象，课后简单书写报告，即完成了一个单元的实验教学。这样的教学过程，学生的心理活动远未达到应有思考深度和综合程度，无法取得应有的批判性思维能力培养效果。

如何让实验教学回归高度综合和高思维强度的心理活动水平，我们认为在教学过程中可以适当给学生制造一些“麻烦”，不要让他们那么“舒服”地开始实验，加上合理的项目安排和内容综合化和设计化处理，即可取得较好的教学效果。

3 强化思维程度的实验教学方法与实践

为提高学生在实验过程的思维程度，在教学实践中进行4个方面的改革：教材实验步骤模糊化和学生实验小组化；教学过程学生主体化和实验成绩个性化；实验项目连贯化和实验报告“贯通”化；实验内容综合化和实验步骤设计化。

3.1 教材实验步骤模糊化和学生实验小组化

在实验教材编写中［14］，根据对学生的思维能力和认知水平，对一些实验的步骤进行模糊化处理，实验教材只给出详细的实验原理、单选的实验仪器和试剂、带有提示性的实验步骤提示，但不给出清晰、准确的实验步骤。目的是让学生自己通过思考，把实验原理“翻译”成可操作的实验步骤，由此可强化学生在实验预习过程的思考程度和深度，培养学生从理论到实践的能力。

为了保证学生在有限单元教学时间内保质保量地完成实验教学内容，对学生进行分组化安排。要求学生在来实验室之前，以小组为单位，根据实验原理、所给定仪器和试剂进行“纸上练兵”，书写详细的实验步骤，在头脑中统一调度“理论、实验用仪器、试剂、实验条件”，迫使学生进行高强度思维，同时兼顾学生团队合作。为保证学生来实验室之前都能够自行书写实验步骤，在实验课堂教学开始时，让一组学生在规定时间内报告所书写的实验步骤，其他组学生在规定时间内对该组学生的步骤提出指正意见。为确保所有小组均参与讨论，把该环节划归预习部分，教师根据报告组和其他组的报告情况和参与讨论情况，与学生讨论，当场给出预习成绩。同一组学生，其预习成绩相同，不参与讨论的小组预习成绩为零。讨论结束后，由每个学生独立完成实验。该环节的教学主要激发学生的课前主动思考、培养团队合作和口头表达能力。

3.2 教学过程学生主体化和实验成绩个性化

除了实验步骤模糊化处理的实验外，对于教材中那些已经给出清晰实验步骤的实验项目，以学生为主体。实验开始前的讲解交由学生完成，由学生指出可能导致实验失败的关键、存在的问题和难点，以学生为主体、教师为协助完成实验操作的演示和实验装置的搭建。为保证所有学生预习的质量，在主讲组讲解时，其他组学生也必须参与讨论，不参与讨论的小组，其预习成绩记为零分。实验室和指导教师可在适当的时候（通常在当次实验结束）为主讲小组学生提供协助和指导。

通过预习环节的深入思考，可增强学生实验过程中手、眼、脑综合联动的程度，进而提高实验对学生思维能力的培养质量。该环节在突出教学过程学生主体化的同时，增强学生课堂过程的主动思考。

虽然实验预习部分的成绩我们按照小组给成绩，但是大多数实验的过程都是每个学生独立完成，实验报告也是由每个学生独自书写，每个学生的实验成绩呈个性化特征。这样既可以保证每个学生都能同等程度地参与实验，同时又可以保证每个学生在书面表达能力方面得到个性化培养。该环节主要培养学生独立工作的综合能力。

3.3 实验项目连贯化和实验报告“贯通”化

为增大学生的思维跨度和范围，我们对实验项目采取集群化和连贯化的安排。将所有实验项目按照教学目的和培养目标，分成不同的实验群，然后将彼此相关联的实验，按逻辑顺序进行连贯化的安排。例如，在溶液操作技能训练群中，我们先安排溶液配制，再安排浓度标定，最后在此基础上安排醋酸电离常数测定。在具体教学过程中，我们打破实验室提供配制试剂的惯例，转而采取实验室仅提供原始试剂和仪器的方法，让每个学生独立配制所有普通试剂和标准试剂并自行保存，以供随后滴定练习实验使用，还让学生独立完成标准溶液的浓度标定和醋酸电离常数测定。学生在完成所有实验后，要求他们要根据自己滴定的数据对标准溶液配制准确性、滴定操作的正确性、电离常数测定的准确性进行“大跨度”数据的综合分析，使他们的实验报告不再是分立的小报告，而是连贯的大报告。这样，在书写实验报告时，不再出现同一份溶液（用不同方法滴定后）给出不同的浓度数据而学生却完全意识不到的情况，可以很好地扩大学生思维的跨度，在培养学生基本实验技能的同时，初步培养学生依据数据进行实验技能评判的批判性思维能力。

3.4 实验内容综合化和实验步骤设计化

为增强学生思维的深度，将实验内容尽量增加复杂性和综合性。例如从工业生产线上截取一段产品的生产工艺，让学生体验矿石→产品→质量检验的全过程。不仅让学生从锌焙砂矿石中制备硫酸锌，还安排学生对所制备产品的品质进行分析，让学生定量分析出产品中的硫酸锌含量，确定产品纯度属工业纯、化学纯或是分析纯，然后定性分析产品中所含杂质的种类。该实验还可延伸到分析化学，进行杂质的定量分析。在分析产品品质后，要求学生提出制备过程需要的改进方案，产品纯化的方案，并指出该实验成功的几个难点和关键步骤。该实验借助分析化学手段结合无机化学理论与实验技术，使原本普通的制备出产品就完事的单一制备实验，变成综合程度高的复杂实验。通过注重综合性，进一步培养学生的综合能力。

将三草酸合铁（III）酸钾制备实验安排在硫酸亚铁铵之后，可将前一个实验制备的产品用作后一个实验的原料，让学生感受化工产品之间转化的同时，树立节约试剂降低环境污染的意识和绿色化学的理念。硫酸亚铁铵产品的纯度将在后续三草酸合铁（III）酸钾的电导率测定数据中有所反映，这种连贯化的安排也使三草酸合铁（III）酸钾制备实验的综合程度被进一步拓展。

对普通的三草酸合铁（III）酸钾制备实验进行大综合化和复杂化改造。该实验不仅要求制备出目标配合物，还要求学生对所制配合物的组成进行定性分析和定量表征，并研究其光化学反应的特性。学生利用配合物内界离子的化学反应的特性，与复盐进行对比，说明配离子内界的中心Fe3＋和配体C2O2－4与普通盐的不同；采用他们能够理解的称重法，测定所制配合物结晶水的含量；利用本课程所学的滴定法，测定了配合物的中心离子和配体的含量；采用电导法测定配阴离子所带的电荷；综合分析所测数据，确定配合物的组成；依据电导率数据，分析低价离子可能的来源，综合评估原料硫酸亚铁铵和由此合成配合物的纯度。整个实验历时3个单元12学时完成。这个实验的综合程度远大于从锌焙砂矿石中制备硫酸锌，可以对学生批判性思维能力的培养起到进一步深化的作用。

学生在元素性质的验证性实验之后，综合应用所学元素的基本知识，完全自行设计离子分离与鉴定实验步骤。这个实验在教材上仅提供题目，实验步骤要学生完全自行设计，而且教学过程中教师不给任何提示，完全由学生在实验过程中对所设计的实验步骤进行现场评估和修正，最终完成实验。每个学生的实验步骤都可能不同，实验室提供足够的试剂供学生现场发挥。允许学生现场讨论，充分发挥团队作用。在这个实验中，学生真正做到手、眼、脑、嗅觉、触觉和语言多感官高度调度，高思维强度地完成教学任务，使学生的综合能力获得良好的培养。

4 教学效果分析

从学生的实验报告可见，多数学生进行了大跨度“贯通”和“深入”思考，与之前学生完成实验后抄写实验步骤并进行简单计算且对多次实验完全不进行数据比对分析不同，通过上述对实验项目连贯化安排后，80%以上的学生能够根据要求，对比用自己所配置的标准酸（或碱）进行标定练习和用固体标准酸来直接标定的数据，对标准溶液配制操作、移液操作和酸碱滴定操作进行系统的综合评估，并对所测定数据从误差分析的角度进行评估和判断，同时还对自己所测定的碱浓度数据、醋酸浓度数据和pH测定数据，以及根据最终计算获得的电离常数数据，进行系统评估。而学生获得这些数据的时间跨度为4周，先后经历4个单元实验，把这些数据进行整合并系统分析，体现了学生较大的思维跨度特征。

通过对硫酸锌制备实验的综合化处理，80%以上的学生在硫酸锌制备和含量测定的实验报告中指出，从矿石中制备的硫酸锌仅为工业级品质，并指出制备实验成败的关键是浸出过程需要加水，而提高产品产率的关键步骤是浓缩程度；在产品分析的准确性方面指出其关键是产品于常温干燥器内干燥一周，而不能高温烘干处理，否则产品因脱水使所测含量超出100%。有30%左右的学生提出了产品纯化的设计方案。从这些报告中可以反映出学生对普通制备实验的思考深度。90%的学生在实验报告中对所制备的三草酸合铁（III）酸钾进行了系统的组成分析，并对所获得的数据进行计算处理，得出正确的组成。80%以上的学生根据所测定配合物无限稀释溶液的电导率数据，对制备产品的纯度进行了系统评估。80%以上的学生研究了所制备配合物的光化学反应特征。约有10%的学生由于制备实验所获得产品的量较少，在后续实验中仅进行了部分的组成测定和性质研究实验。80%以上的学生对步骤模糊化处理的实验，通过深度思考写出了正确的实验步骤，且能说明所书写的每个实验步骤的设计思想。90%以上的学生书写了离子分离与鉴定实验步骤，只有30%左右的学生是能在实验之前写出正确的步骤，其余的实验步骤是他们在实验过程中不断修正的，这些学生多数在报告中指出了先前所设计的实验报告存在的不妥之处。所有这些，都反映出学生在进行实验学习中的思考的“跨度”和“深度”。

我们还在该课程结束时，就教学效果以问题的形式对学生进行问卷调查，以不设选项的自由回答方式，让学生对本课程从“收获最大”、“难度最大”和“最有趣”3个方面，写出3个实验名称。书写时同一个实验名称可以出现在3个问题的回答中。最终的调查结果如表1所示。

表1 无机化学实验教学效果问卷调查结果

从表1可见，所有综合性、设计性、实验步骤被模糊化处理的实验都被提到，例如，8、10、12、13号实验，而一般的验证性实验却未被提及，例如2、3、4号实验，说明这些教材给出详细步骤的实验在学生心里印象很浅。就收获程度而言，约有76%的学生认为收获最大的实验是完全由学生自行设计实验步骤的12号离子分离与鉴定实验；其次，约有45%的学生认为是综合化程度很大的10号三草酸配铁（III）酸钾实验让他们感到收获最大；第三，约有14%学生认同实验步骤模糊化处理的13号实验也使他们收获很大，该实验被认同的另一个原因可能是实验中使用了他们以前没有见过的分光光度计。

通过上述分析可见，学生的收获程度与学生在该实验中思考程度一致，而实验中使用一些现代仪器也会得到学生认同。就实验难度而言，大综合的10号和设计性的12号实验学生认为难度最大，其次是综合程度仅次于10号的8号实验。可见，我们确实给学生制造了一些“麻烦”，需要他们深度思考，让他们不那么“舒服”，因此收获也最大。

就实验的趣味性而言，自由程度较大的1号实验让学生感到有趣，在该实验中，我们让学生用少部分时间完成规定的制作，其余皆由他们自由发挥，让他们在“玩”的过程中感受温度和发光颜色之间的关系、同一燃料不同灯具设计所产生不同温度的特性、不同温度火焰的光色的差异等，因此让他们感到很有趣，产生对化学实验的兴趣。大综合的10号实验除了让他们感到难度大而且收获大以外，同时也让他们感到趣味横生。具有绚丽颜色变化的元素性质和彩色产品的制备实验也在一定程度上吸引着学生的注意力。

5 结束语

通过合理安排实验顺序、加大实验的综合化程度、把实验步骤进行模糊化处理、让学生按照已有知识完全独立设计实验步骤、在教学中让学生成为课前讲解主体等，这一系列循序渐进的教学实践，可以有效地强化学生在教学活动中的思维水平，增强学生在教学中的思考程度，同时可以逐步培养学生的批判性思维能力和口头与书面表达能力，有效地提高了实验教学的质量。

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［1］德雷克·博克.回归大学之道［M］.上海：华东师范大学出版社，2008：96.

［2］刘丹.美国斯坦福大学校长揭秘高等教育人才培养之道［EB／OL］.［2010－04－10］.http：／／www.chinanews.com／edu／edu－tszs／news／2010／04－10／2217915.shtml.

［3］蔡蕴琦，张琳.斯坦福大学校长：中国建成世界一流大学还需20年［EB／OL］.［2010－05－03］.http：／／www.chinanews.com／edu／eduxyztc／news／2010／05－03／2259551.shtml.

［4］黄朝阳.我国高校学生批判性思维能力调查报告［D］.厦门：厦门大学，2008.

［5］张梅，印勇.美国批判性思维研究及其启示［J］.重庆大学学报：社会科学版，2012，18（6）：154－157.

［6］孙亮.大学生批判性思维能力培育的重要性及对策分析［J］.中国成人教育，2012，307（8）：51－53.

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［8］李文婧，傅海伦.数学批判性思维的影响因素及其培养［J］.中国成人教育，2012，307（18）：124－125.

［9］潘家明.批判性阅读教学与批判性思维能力培养［J］.教育探索，2009，213（3）：121－123.

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