“学习金字塔理论”在物理化学实验教学中的应用初探*

张保柱，陈勇强，白 官，张爱众，吕秀清，温广明

(晋中学院化学化工系，山西 榆次 030619)

物理化学实验是大学化学实验和物理化学理论课的重要组成部分[1]。物理化学实验综合运用了物理学和化学领域一些重要的实验技术和手段及数学运算方法来研究物质的物理化学性质，以及这些物理化学性质与化学反应之间的关系[1]。物理化学实验是化学化工类及相关专业如材料化学、环境科学、生物科学、生物技术、食品科学、林产化工、轻工造纸等专业的一门独立的基础课实验课[2]。物理化学实验研究思路得到初步了解，基本实验技术和技能得到掌握，一些物理化学性能测量方法得到学习，体验包括观察和记录现象、判断和选择条件、测量和处理数据、分析和归纳结果等理化学实验的全过程，加深对物理化学基本理论的理解，提高应用物理化学实验技能解决实际问题的能力[3]。通过学习物理化学实验可以培养学生踏实求真的科学态度、严谨细致的实验作风、熟练正确的实验技能、灵活创新的分析和解决问题的能力[3]。近十年来，许多本科院校从教学理念、教学内容、教学模式和考核制度等方面进行了教学改革，取得了可喜的成果[4]。但是如何通过这些实验课的教学激发学生学习兴趣，使学生的综合素质、创新和综合能力得到提高？这就有必要构建一种高效的实验创新教学模式。本文针对原教学模式 ——“学生通过阅读实验教材预习+教师讲解演示+学生操作+教师签字”模式，进行了一些有效的改革，利用“学习金字塔理论”，构建了一种高效的“学生为主，教师为辅自主型”的实验创新教学模式，经过对五届学生的实践应用，取得比较满意的教学效果。

1 新教学模式的实施

1.1 学习金字塔理论

爱德加·戴尔(Edgar Dale)，是美国一位专门研究学习的专家，于1946年出版了一部《视听教学法》的教材，在此教材中第一次提出“经验之塔”这一术语，后来其他学者和美国缅因州的国家训练实验室先后做了类似的研究并且将“经验之塔”改称为“学习金字塔”[5]。“学习金字塔”把不同的学习方式或教学方式用具体数字和金字塔模型直观地展示出来，学习效果是通过两周以后学习内容平均保持率来评判的[5]。如图1所示，从金字塔顶到塔底，学习方式分别是听讲、阅读、视听、示范、学生独立动手做、小组讨论以及教给他人，学习内容保持率由低到高逐渐增加。最顶端的教学方式——传统讲授法，效果最差，两星期以后学习内容仅仅保留4%～8%，最底端效果最佳，学生立即运用上课内容，或是让学生教给他人，可以保持80%～98%[5]。

图1 学习金字塔理论示意图(Edgar Dale数据)Fig.1 Scheme of cone of learning (from Edgar Dale)

根据以上学习效果，爱德加·戴尔把阅读、听讲、示范和视听(保持率约在30%以下)归类为被动学习或个体学习方式；把立即教给他人、小组讨论和学生做(保持率约在50%以上)归类为主动学习、参与式学习和团队学习方式[5]。由上述结论可知，被动的、个体的学习效果比主动的、团队的、参与式的保持率要差很多。因此该结论为教师设计课堂活动、改革教学方法指明了方向以及提供了理论依据。

我们利用“学习金字塔理论” ，引入团队、主动、参与的教学方式，对原物理化学实验教学模式进行大胆的改革，提出了一种高效的“学生为主，教师为辅自主型”的实验教学模式。

1.2 原教学模式的弊端

由于大多数物理化学实验仪器价格比较昂贵，配置受到一定限制，以及师资和课时等因素的制约，大多数学校不得不采取大循环的方式。这样对教与学就提出严峻的挑战。我校多年形成的教学模式是 “学生通过阅读实验教材预习+教师讲解演示+学生操作+教师签字”。具体办法是把一个班平均分为2大组，每大组分5小组。第一次上课，教师先给第一大组讲解和演示需要大循环的5个实验，即“学生阅读实验教材预习+教师讲解演示”模式。整个讲解和演示需要3个小时。为了防止遗忘，需趁热打铁，紧接着这组就开始做实验(注：这组占用的是另一组的时间)，在做实验的过程中若学生遇到问题，教师随时解答。另一大组在下一次上课仍然用这种模式。每大组在第二次实验时就按规定的时间正常做，而且第二次做时，要求提前必须写好预习实验报告单，目的是熟悉操作步骤，有疑问经过小组讨论再开始做，在做的过程中若有疑问可以请教上一组同学，或者教师解答。因此第二次大循环的教学模式为“预习并写出预习实验报告单+熟悉操作步骤+小组讨论+学生操作 (有疑问请教上一组或教师)+教师签字”。采用该教学模式，一定程度上解决了大循环实验教与学之间的矛盾，使大循环实验能顺利开展，实践证明是行之有效的。但是，存在的问题还较多，第一，由于要专门用3课时的时间来讲解和演示，客观上增加了师生的负担，而且这3课时自己必须想办法解决；第二，一次讲解并演示5个实验，学生有时难于接受，可能会产生厌倦心理；第三，在整个教学过程中，学生虽然有“主动学习、团队学习、积极参与”的环节，但是力度还远远不够，不足以调动每个学生的积极性、创造性。因此，迫切要求彻底改革以教师为主体的教学模式。

1.3 “学生为主，教师为辅自主型”教学模式的实施

综上所述，原教学模式存在的最大弊端是学生被动学习多，主动学习较少，学习效果比较差。因此，我们提出基于“金字塔学习理论”，对原物理化学实验教学模式从预习、讲解等环节进行改革，构建一种高效的“学生为主，教师为辅自主型”的教学模式。

新教学模式根据实验前、做第1个实验和做第2～5个实验分为三个阶段：

第一阶段：学生“通过网络在线观看物化实验视频预习+教师讲解和演示实验”(适用于做实验前)。原教学模式学生是通过阅读教材预习，此方法在短时间内很难达到预期效果。由于物理化学实验所用仪器的操作步骤多且比较复杂，仅仅通过阅读教材和使用说明书难以掌握。因此，我们改革预习方式，让学生通过观看优秀的网络在线实验视频预习(教师提前选好)，如利用中国大学慕课等资源。预习之前给学生发布相关的思考题，学生完成后提出自己的见解和疑问并发给老师检查，作为平时作业的依据。这种预习方式提高了学习效率，减轻了学生的负担，学生们乐于接受。在此基础上，教师针对性讲解和演示第一次大循环的5个实验，通过讲解可以让学生更全面地掌握实验内容。

第二阶段：撰写预习实验报告+实验前学生小组讨论+学生操作+实验后学生小组总结讨论+教师签字 (适用于做第1个实验)。在做实验之前，学生根据观看网络在线实验视频，结合教师的讲解和演示来撰写预习报告，预习报告中必须写好实验原理、步骤以及注意事项，让学生在做实验前做到心中有数。为了确保实验顺利进行，小组实验前必须组织讨论，讨论实验目的、原理、直接测量的物理量、经过数据处理得到的物理量、直接测量的物理量与经过数据处理得到的物理量的关系以及直接测量物理量时注意事项是什么？通过讨论让学生知道为什么做、做什么、怎么做、做的过程中需要注意的事项，最后得到什么样的结果，这样学生对整个实验就可以做到了如指掌，心中有数。按照原教学模式，学生实验完毕后，老师看过数据，学生整理仪器打扫完毕，即可离开。对于认真做实验的学生，这样做可能比较放心，但是对于应付的学生可能会隐藏很多问题。因此，我们结合“学习金字塔理论”增加了实验后学生小组总结讨论，主要讨论实验目的是否达到？测得的数据是否可靠？若有偏差，偏差程度能有多大？是仪器误差还是测量误差，或者是别的原因造成的？给下一组同学讲解时能够提出哪些合理的建议，特别需要注意的事项有哪些？通过讨论学生们对实验的内容更加熟悉、系统和条理。增加了学生学习的自信心，形成良性循环。

第三阶段：撰写预习实验报告+做过实验的学生讲解和演示实验+实验前学生小组讨论+学生操作+实验后学生小组总结讨论+教师签字 (适用于做第2～5个实验)。当学生第二次做实验时，按照大循环每一小组应该做下一个实验，在做之前，做过实验的小组负责给未做实验的讲解。通过讲解复习、梳理、强化了所学知识，同时锻炼了语言组织和表达能力。这样客观上也要求每一组同学必须认真掌握所做实验，否则不能给下一组顺利讲解。通过这种方式不仅锻炼了学生，而且解放了教师。但是老师并不是袖手旁观当甩手掌柜，老师要留意和考察讲解小组讲解的是否正确、全面和到位，做出评判，适时纠错。

以上三个阶段既互相关联，又层层递进，组成一个不可分割的有机整体。第一阶段既注重了学生的主动学习又突出教师的主导地位；第二阶段是在自主学习的基础上进行团队学习，团队学习所占比例较大；第三阶段对学生提出更高的要求，每个小组成员既是学生，又是老师，客观上要求学生在每次做实验时必须认真用心，否者他们在教别的组时难以胜任。

上述实验教学模式经过多年的实践应用，学生们的学习态度发生了根本的变化，学习的积极性、主动性增强，由原先的要我学变为现在的我要学。学习能力大大提高，学习效果也令人十分满意。

2 新教学模式的评价和适用范围

2.1 新教学模式的评价

这种“学生为主，教师为辅自主型”的实验教学模式实施五年以来，受到广大同学们的欢迎和好评，大部分同学认为使用该模式使他们对所做实验的目的和原理更加清晰和明确，实验操作更加准确到位，组织能力和表达能力得到提高，做实验的信心得到加强；该模式节省了教师讲解实验的时间，节省的时间可以用来组织学生对实验的各个环节进行讨论和总结，加深对实验的理解；该实验教学模式突出了学生为主体、教师为主导的作用，与“学习金字塔理论”主导思想是一致的。

2.2 新教学模式的适用范围

本论文提出的“学生为主，教师为辅自主型”实验教学模式对于采取大循环的实验是适合的，但是对于某些实验却不适用。

(1)对于物理化学实验、仪器分析实验以及配套数不足的实验，可以采取本文提出的实验教学模式。但是对于无机化学实验、有机化学实验和分析化学实验则不适用，因为这些实验不采取大循环，所有小组在同一时间做同一实验。另外，对于设计性实验也不适用。

(2)该模式中运用到的学生利用网络、多媒体等方式预习实验，以及在做实验前和做实验后小组内互相讨论的学习方式，可以在其它所有实验教学中做大胆的尝试。

3 结 语

培养学生实践创新能力和综合能力是目前实验教学发展提出的要求，而这些能力是建立在学生扎实熟练地掌握基础实验的基本原理和技能基础上[6-7]。因此非常迫切和有必要建立高效实用的实验教学模式。我校针对原教学模式存在的弊端，吸取了“学习金字塔理论”中的精华，构建了“学生为主，教师为辅自主型”的实验教学模式，经过老师和同学们五年的辛苦实践应用，取得令人满意的教学效果，得到广大学生的肯定，深受师生好评。但是，该教学模式也存在一些不足。比如，实验教师如何有效控制和高效率地组织课堂教学，每个教学环节如何合理的考核等等，这些都需要我们在今后的实验教学中进一步改进和完善。