无机及分析化学实验课“四维一体”教学模式的设计与实践

郑 冰， 秦川丽

（黑龙江大学化学化工与材料学院，哈尔滨150080）

0 引 言

化学是一门以实验为基础的自然科学，可以说“实验是化学的灵魂”［1］。基础实验课程是本科人才实践能力培养的重要的基础性实践教学环节，它对于提高学生的综合素质，培养学生的创新精神与实践能力具有特殊作用［2-5］。在基础化学实验中，无机及分析化学实验的专业覆盖面最广，是众多基础化学实验课程中的基础。从化学类人才培养的角度出发，无机及分析化学实验课的主要教学目标是：训练学生掌握基本操作技能，提高观察、分析和解决问题的能力，激发学习主动性和创造性，培养严谨的工作作风、实事求是的科学态度，为培养能适应未来社会发展需要的应用型专业人才奠定扎实的基础。该课程在本科一年级第一学期开设，往往是高校相关专业学生大学期间的第一门实验课，因此，其教学效果对于学生的实验作风和科学态度的培养，以及将来后续课程的学习、科学研究、技术工作等具有至关重要的意义！

考虑到基础实验在化学类人才培养方面的重要作用，依据无机及分析化学实验课的教学目标，反思近年来我校该课程的教学，存在着以下几个问题：①学生学习“不积极”，表现在课前预习不充分，对基础知识和操作步骤一知半解；② 课程讲授环节，学生“不合作”，表现在相当比例的学生“左耳进、右耳出”，实验失败情况屡见不鲜，由此产生强烈的挫折感，对实验丧失兴趣；③学生在操作过程“不思考”，表现在“照方抓药”，不分析每个操作所蕴含的道理；④ 学生轻过程、重结果，表现在“功利性”强，片面追求分数，却不愿在课程学习本身多下功夫。这些“三不一轻”的共性特征，严重地影响了实验教学的顺利进行，令教师常感心力交瘁，教学方式方法亟须改进。

分析上述情况，学生在实验课上出现的问题，一方面与学生的成长背景和基础有关，另一个重要方面是由于传统的教学方式已无法与新的教学对象相匹配。因此，从因材施教、转换师生双方的角色关系，以提高学习动力的理论视角出发，设计了“四维一体”教学模式，“奖”“罚”并重，将考核监控覆盖到课程学习的每一环节，切实提高了教学效果。

1 课程设计的理论基础

1.1 个性化的教育目标

无论是中国传统教育思想，还是兴起于20世纪70年代美国的后现代主义课程理论，均提倡个性化的教育理念。早在2000多年前，我国古代著名思想家、教育家孔子即提出了“因材施教”的个性化教育理念。孔子认为，每个人的智力、性格都有自然的先天性差异，教育的目的不是改变学生的个性特点，而是以学生不同的才能和特长作为依据，有的放矢地进行教育，从而使每一个人都尽可能发挥自己的特长［6］。与此类似，在对现代教育批判性反思的基础上，后现代主义课程理论的倡导者同样认为教育应当个性化。他们认为现代教育提倡的“全人”教育目标不切合实际，盲目追求同一性，却忽略了人的多样性和复杂性［6］。

1.2 课程对话双方的角色关系

传统教学模式（现代课程论）中，教师是课堂中的权威、主讲者、主动的角色；而学生是听讲者、被动的角色。教师的心理需求是“控制”，如控制学生学习、听讲等。然而，控制的结果往往是无法控制、甚至适得其反：“好学者”并不需要教师干预即能主动学习，而非“好学者”会产生逆反心理，学习主动性更低。这种“逆反”源于学生的心理感受——学习是为了教师（的需要），而非自身的需求。后现代课程论中，教师不再仅仅是授业者，在与学生的对话中，教师本身也得到教益，学生在被教的同时反过来也在教育教师，他们合作起来共同成长［7］。后现代课程观的代表学者多尔［8］认为，灌输和阐释不应该是课程所注重的方面，应该把所有课程的参与者都提升为课程的开发者和创造者，课程是在师生的共同探索下，逐渐认识新知识的发展过程，教师是平等中的首席，教师与学生之间不存在教导与接受、先知与后知的鸿沟，而是作为一群个体在共同探究有关知识领域的过程中相互对话、相互合作［7］。

1.3 学习动力的培养

学生持续、稳定的学习动力是保证课程教学效果的核心环节。学习动力理论认为，学习动力系统是由学习需要（动力的源泉和核心）、自信心（动力的支撑、调节器）、情绪情感（动力的激励、促进器）等要素组成的复杂结构［9］。其中，学习需要又可分为直接需要和间接需要。直接需要主要有好奇心、求知欲、研究探索倾向等；而间接需要来源于生理或交往的需要，如受到尊重、表扬的需要，获得群体的承认和接受的需要等。间接需要是外部要求转化为直接学习需要的一个媒介。在学生缺乏直接需要的情况下，利用间接需要的作用可以激发学习行为。以后，学生在学习活动中可能会由于任务的特点（有趣）、任务对自己的价值或能学会（效果的需要）而接受这种要求，并将之转化为自己直接学习的需要，形成新的动力源［9］。

从自信心角度，自信心影响学生对某一学习任务的选择及对该任务的坚持性和努力程度；影响学生的思维模式（特别是在困难面前的态度）和情感反应模式，进而影响新行为的习得和习得行为的表现。相对而言，自信心高的学习者期望值更高、更理性、高自觉性、高韧性、高努力、高坚持、需要时能发挥智慧和技能，而自信心低的学习者常常情绪化地处理问题、夸大困难、专注性、自觉性、努力、坚持均较低，当需要时，其知识和技能常无从发挥。而从情绪情感的角度考虑，积极的情绪情感有利于提高学习者的学习动力，消极的情绪情感阻碍学习者学习动力的提高。

2 问题分析和教学设计理念

无论是我国传统的个性化教育理念、后现代课程理论，还是学习动力理论，均为高校实验课教学方法的改革提供了理论支持，引导教师对实验课程进行全方位的反思。目前，高校学生的主流是95后。相比90后，95后更早接触信息社会（后工业社会），更了解信息技术，思维活跃、开放，目标高远，充满激情，但同时存在自我为中心突出，心理承受能力弱，功利性行为明显，团队合作意识弱等问题［10］。因此，实验课中出现“三不一轻”问题并非偶然现象，具有一定的时代特征。

尽管学生主体从85后、90后更替到目前的95后，与10年前相比，实验课的教学方式并未做出相应的调整，仍普遍采用传统的教学方式：课前口头布置预习内容→课上教师讲授／个别提问→课后学生处理报告→教师根据预习报告、实验操作、实验报告给出总分。这种教法很适合“好学者”众多的年代，但目前却很难调动95后的学习热情。本校学生中，非“好学者”占大多数，学习目标相对低、学习动力弱；而“好学者”仅占小部分，充满好奇心、求知欲，学习动力强。正是因为非“好学者”直接学习动力不足以及以往课程考核方式相对宽松，导致前述课程中的“三不一轻”现象。教学设计只有将非“好学者”培养成“好学者”，才能从根本上提升教学效果。但非“好学者”的培养也存在着挑战，主要是因为他们缺乏“直接需要”的学习动力，教学设计只有在其“间接需要”上下功夫，即加大课程的考核力度和水准，方可奏效。课程讲授环节不仅提问，还要计分；提问内容不但贯穿整个实验，而且明确具体、随时进行；考核形式不仅灵活多样，还要覆盖实验课的整个学习周期。考核既要全方位、多角度，又要考虑个体差异、因材施教。

基于以上，立足我校无机及分析化学实验课教学的实际、“三不一轻”的共性特征，借鉴国内高校基础实验课先进的教学设计理念［11-16］，在传统的教学过程中引入“四维一体”教学模式，即“课前推送电子资源→课上全程提问考核→课后附加拓展性思考题→期中期末笔试考核”并以“学生为主体”，转变师生对话关系，建立预习考核评价机制及学习效果追踪评价机制，“奖”“罚”并重，统筹兼顾，将考核评价监控覆盖到实验课教学周期的每一环节，旨在促使学生形成稳定的学习动力，最终提高课程的教学效果。

3 “四维一体”教学模式的设计

3.1 建立教学资源库

传统教学模式中，师生之间的对话主要包括“人与文本的对话”“师生之间的对话”以及“自我对话（反思）”［7］。针对现阶段本校学生的实际，拓展了师生之间对话的广度及深度，充分利用电子信息与互联网技术，建立内容丰富、结构多样的实验课教学资源库。在传统的纸质资源和硬件资源的基础上，经过长期教学积累，重点建设电子资源库（见图1）。这种“学生与电子资源的对话”方式操作灵活、不受时间及地点限制，为学生课前充分预习实验课提供了良好的资源基础。

3.2 教学活动的具体实施

教学方案流程如图2所示。开课前，学生须完成“实验室安全知识MOOC”的线上学习、测验及笔试考核，方可开始实验课的学习。教学设计将每次实验课程分为4个阶段，即，课前阶段、课上讲授阶段、实验操作阶段、实验报告处理阶段。下面将详细介绍每阶段的实施内容及策略。

图1 “无机及分析化学实验”教学资源库

图2 “无机及分析化学实验”课程“四维一体”教学方案设计路线图

（1）课前阶段。采用多媒体形式讲授绪论课；建立电子平台，以备课前电子资料推送之用；将实验成绩评定方法、预习情况计分细则公布给每名学生。课前约1周，设置明确的预习任务：教师将电子资源（实验操作详解及注意事项、基础知识参考资料、操作视频及图像资料、课堂提问题目）推送给学生，学生须完成布置的全部预习内容，以迎接课堂提问考核。

其中，“详解”着重解决学生对实验操作预习不透、知其然不知其所以然的问题，对实验教材中操作部分的每一重要细节均做出引导性的深入解释或提示，并注明关系实验成败的关键点及影响因素，以保证绝大多数学生可在“详解”的导航下成功完成实验，从而达到基本的教学效果。需要说明，“详解”并非教师教案的简单“奉送”“嚼过的馒头”，而是将“嚼”的方法分享给学生，引导其逐步养成勤于思考、乐于探究的思维习惯。“详解”中，除必要给出的方程式、机理外，主要通过问句、留白等形式启发学生思考每一步操作的道理和意义。以硫酸亚铁铵制备实验的“详解”为例（见表1），通过小贴士（Tips）提醒学生在操作中应注意的细节以避免后续操作出现问题；通过3个问句及“留白式”答案，引发学生思考系列问题。通过阅读（“详解”）→思考→查阅（资料）→分析→反馈→指导操作，实现融会贯通，促使学生学习动力内化。

操作视频主要包括实验课所涉及的基本单元操作演示，如“滴定管的使用”。相比纸质材料，操作视频更直观、生动，学生课前可反复观看，扭转了课上演示时间有限、细节易错过的局面。

基础知识参考资料包含实验课程所涉及的重要基础知识，如基本概念、化合物的结构、性质及用途、方法、涉及的国家标准等，旨在拓展课程的知识面。另外，有针对性地提供若干与实验内容匹配的参考文献，为“好学者”提供一种深入探索的方式，为其将来的科研工作做铺垫，体现个性化的教育理念。

表1 硫酸亚铁铵的制备操作详解（节选）

图像资料主要包含两类，一类为学生在实验中易出现的错误操作和正确操作对比图；另一类为实验过程各阶段现象的照片。图像资料一目了然，使学生记忆深刻，启发其思考不同现象和不同品质产物的产生原因，增加学习的趣味性。

课堂提问题目的设置同样考虑因材施教。题目共分为两类，第1类为直接体现在电子资源中的题目，涵盖所有保证学生能成功完成实验的基础知识点，主要涉及实验原理、基础知识、操作流程、操作方法（演示）等；第2类为拓展性题目，在电子资料中不直接体现，主要包括实验原理中拓展的部分、实验操作中留白的部分及其他实验相关知识的延伸。其中，第1类题目是为半数以上学生量身定制，实际上是把实验课所要求掌握的核心基础内容全部以题目的形式给出，基于学生重视分数的心理特点，因势利导，采用课堂提问考核和现场计分的方式，促使学生不得不把基本内容完全掌握；利用“间接需要”引发学习行为，确保实验的整体成功率，促进学生形成自信、积极的情绪情感，保证课程的基本教学效果；而第2类题目是为“好学者”设置，解决小部分学生吃不饱的问题，延伸课程的深度和广度，以进一步提升课程的教学效果。

（2）课程讲授阶段。该阶段教学设计的核心是改变教师的讲课方式，突出学生的主体地位，提升其学习动力。教师通过全程提问与引导相结合的方式授课，将大部分时间交给学生作答、交流；主要行为包括：主持→提问→倾听→反馈→引导→评价（计分）→总结。教学设计的目标旨在让学生能讲出来并讲清楚；显然，相比传统实验课教法中学生能听懂并理解的目的，新的教学设计目标在层次要求上有了质的飞跃！但新的对话模式对教师素质提出了更高的要求，教师要既能平等地接受与理解学生的见解，又能高屋建瓴地指导学生推进学习过程；甘当“配角”，观察学生的成长，体认“教是为了不教”。

提问环节，学生以小组为单位答题。问题分必答题和抢答题两类；其中，必答题和A类抢答题均来自课前电子资料中的题目或参考资料中涉及的内容，而B类抢答题则来源于参考资料中涉及的留白内容及拓展延伸内容。问题回答情况与预习成绩直接挂钩，当场计分，计分细则见表2。

认真预习者可为小组赢得分数、掌声，带来积极的情绪情感——荣誉感和自豪感；后续操作中更容易做到有条不紊、规定时间有效完成规定内容，带来正向的心理体验——成就感和满足感，从而进一步激发学习兴趣和动力，形成良性循环。而未认真预习者在提问环节会失分，影响整个小组的预习成绩，久之，会形成一种消极的心理感受——愧疚感；实验中很容易出现问题，甚至失败，从而形成挫败感；内在（愧疚感和挫败感）和外在（小组同学的期待和教师的鼓励）的双重作用下，会促使其不得不投入足够的时间和精力预习，以逐步扭转课上和实验中的不利局面。提问环节完毕，预留几分钟作为答题时间，解决整个提问环节中遗漏的或仍有疑问的知识点或问题，查缺补漏，并根据课堂实际布置附加思考题，以满足“好学者”的探索欲和求知欲。

（3）实验操作阶段。学生独立开展实验，完成实验现象、数据记录。教师检验预习报告情况和操作技能情况并计分，个性化指导有需求的学生，与传统课程形式基本一致。

（4）实验报告处理阶段。除完成数据处理等基本内容外，“好学者”可采用多种方式深入探究课上布置的附加思考题，并回答在实验报告上，以赢得附加分。每次实验成绩组成和比例如图3所示。

3.3 评价与反馈

图3 “无机及分析化学实验”实验成绩评定方法

教学评价的终极目的，既不是为了“评价”而评价，也不仅是为了“区分”，更重要的是为了促进学生的发展与提升。从学习动力理论角度，考核评价是用来提升学习的间接需要→引发学习行为→学习中培养直接需要→形成稳定的学习动力。简言之，评价体系可以分为“奖”为主型、“罚”为主型及“奖罚并重”型。“罚”为主型评价体系适用于惰性大、学习自觉性较低的学生，而“奖”为主型评价体系适用于主动性强的“好学者”。基于本校学生实际，采用“奖罚并重”型评价体系。在传统实验成绩评价体系的基础上，新的评价体系引入“预习考核评价机制”和“学习效果追踪评价机制”（见图2、3和表2）。

表2 “无机及分析化学实验”预习情况评分细则

（1）建立预习考核评价机制。实验课教学效果的好坏，学生预习效果是关键。对于本校绝大多数学生，在学习资源充分的前提下，只要保证充分预习，完全可以掌握实验课的教学内容。教学效果差并非由于学生学习能力差，而是由于其学习积极性低。实验课上教师教得多并不等于学生学得多，学生学的多少也不（主要）取决于教师如何教和教多少，而是取决于教师如何来评价学生的预习效果。这就要求建立一套完整有效的预习考核评价机制，保证预习内容要具体，预习考核要明确，评价体系要全面，“奖”与“罚”要有标准。

预习考核评价机制将预习成绩细化为预习报告和课堂提问成绩，各占预习成绩的50%，而课堂提问细化为小组必答题、小组抢答题和个人抢答题，如表2所示。小组必答题和小组抢答题各1题，随机选择某位小组成员作答，各占5分，属于“罚”。每人每次课都有被抽中答题的可能，答错会扣小组分，影响全组成员的成绩。而个人抢答题则属于“奖”，考核的内容为课前参考资料中涉及的留白内容及拓展延伸内容，答对即加个人附加分。此外，课堂讲授环节教师还根据课程进展随机布置拓展延伸的附加思考题，留给“好学者”课后在实验报告上回答，作为个人附加分的第2种类，答对即加分。第3个层面的附加分设置在实验操作过程中，给实验中善于发现问题、解决问题、综合素质高的学生附加综合创新分。即，附加分有3级：个人抢答题、附加思考题和综合创新分。

（2）建立学习效果追踪评价机制。预习考核评价机制的重点是激励学生课前投入足够的精力预习，而学习效果追踪评价机制的重点是提示学生课后要利用一定的时间反思和复习。学习效果追踪评价机制通过两次笔试考试完成，时间分别设置在期中和期末。其考试内容只针对实验过程中涉及的重要基本知识点、操作技术，覆盖期中（期末）前完成的所有实验。同样，笔试考试属于“罚”，计入期末实验课总成绩，要求学生课后能掌握实验中涉及的基础知识和操作技术，答错题目会被“扣分”。

3.4 成效

“四维一体”教学模式经过4年的实践，成效主要有：①仅需2～3次课的周期，整个班级的学生即养成课前充分预习的习惯，课前即能基本掌握实验所需的理论知识和操作注意事项，表现在回答问题争先恐后，踊跃回答并答对者占学生总数的50%以上，其中，参考资料给出的问题几乎被学生100%答对，参考资料中的留白问题和布置的附加思考题被答对的比例约占50%；②学生整体的学习动力随课程的推进逐渐增强，“好学者”人数逐渐增加，表现在冲击3级附加分的学生逐渐增多，得分者比例逐渐增加；③ 学生操作能力稳步提升，表现在实验成功率高，在后续的其他实验课中操作规范；④ 学生能做到温故而知新，表现在期中、期末笔试环节平均分均在80分以上。

4 结 语

“四维一体”教学设计加大了考核评价体系的力度和水准，覆盖到了学生学习“实验”课程的每一个环节。通过引入小组必答题和小组抢答题的“罚”和3级附加分的“奖”，激发全体学生对实验课学习的积极性和主动性，通过期中、期末两次笔试考试的“罚”提示学生课后仍要回顾和总结。其模式全面提升了实验课程的教学效果，期望对转换传统基础实验课的教学方法，创新基础实验课程的教学理念以及对课程体系的研究与发展起到启迪作用。