以学生为中心的物理化学实验教学探究*

李 钧，张 波，杨 燕

(聊城大学化学化工学院，山东 聊城 252000)

物理化学实验是一门独立的、综合性的基础化学实验课程，其目标是通过物理化学实验的学习，让学生可以掌握实验的基本方法和技能，培养思维能力、动手能力、观察能力和处理实验数据、对实验结果进行分析和归纳的能力，同时加深学生对物理化学、结构化学中基本原理、概念的理解。物理化学实验普遍具有实验原理抽象、操作仪器复杂、数据处理繁琐的特点。目前我国地方高校物化实验课程的讲授大多仍采用以教师讲授为主、学生机械模仿的灌输式实验教学授课方式，这种教学方式不能很好地调动学生学习的积极性，也不利于培养学生的创新意识和动手能力，不能满足新工科背景下对应用型、创新型人才培养的要求。

“以学生为中心”的教学理念来源于美国教育家John Dewey的Child-centred和瑞士教育家Jean Piaget提出的“student-centered”的教育思想，对培养敢于质疑、勇于创新的人才有明显的效果。以学生为中心的教学理念坚持把学生放在教学过程的主体地位，让学生独立思考、探索知识，激发学生学习的积极性，注重培养学生的自主学习和自主创新能力[1]。在许多新型的教育理念和教学方法，如OBE[2]、BOPPS[3]、PBL[4]中均强调学生在教学中的主体地位。在物理化学实验教学设计中把以学生为中心的教育理念作为进行实验教学改革探索与实践的主旨，对培养学生的创新精神和实践能力具有重要的现实意义。

1 传统的物理化学实验教学模式存在的问题

物理化学实验传统教学模式大体分为三个阶段：课前，授课教师准备实验试剂及调试仪器设备，学生撰写预习报告；课上，授课教师对实验内容进行讲解，对实验步骤进行示范演示，学生根据老师的讲解和演示进行操作，得到测量数据；课后，学生实验结束后完成实验报告，教师根据实验报告进行成绩评定。按照以学生为中心的教学理念，本文拟从以下三个方面讨论传统的物理化学实验教学中存在的问题。

1.1 内容抽象，学习主动性低

物理化学实验是通过实践对物理化学和结构化学课程中理论知识进行巩固和强化，有时还涉及一些数理知识，因此原理部分理论性较强。在传统教学中的实验预习环节，学生只根据实验教材进行预习，感觉到实验内容抽象又枯燥，难以提起兴趣。另外，物理化学实验用到很多精密的电子仪器，学生在预习时无法实际接触到的实验仪器，难以理解实验步骤中每一步的具体要求和意义。以上这两方面使得学生在课程第一环节即缺乏参与度，从而形成挫败感，因此学生在书写预习报告时成为实验教材或课件内容的搬运工，由于缺乏理解，难以进行思考和探索。由于预习效果较差，学生进入实验室后既要理解实验原理，又要掌握仪器的操作，难免会感到顾此失彼，难以兼顾，只能糊涂地进行操作。对于实验中遇到的问题既不知道如何解决，也不知道如何向老师寻求帮助，只被动等待老师来指导解决的尴尬状态。由于对实验原理和实验步骤的“似懂非懂”，实验结束后只能机械地进行数据处理，不知道如何进行分析，草草地完成实验报告。

1.2 模式单一，学生兴趣度低

首先，课前预习阶段，如上所述，传统实验教学中只能依赖教材书写预习报告，预习形式单一。学习主动性较强的同学可能会自己搜索一些网络学习资源作为参考，但是可能存在实验仪器与实际课上使用仪器不一致的问题。其次，课上授课方法单一。教师讲解实验原理和实验操作步骤，学生被动地接受教师讲授的内容，然后按部就班的重复老师讲授的操作，这种灌输式的学习无法激发学生主动思考问题的能力、缺乏对实验的思考与深入分析。

再者，课后考核方式单一。以本校学生为例，物理化学实验最终成绩由实验报告、期末实验操作和思考题三部分组成。学生的实验报告均按照实验目的、实验原理、实验仪器与试剂、实验内容、数据记录与处理、实验总结、思考题等固定的模板来写，缺乏区分度，无法真正考核学生的知识掌握和运用能力。期末考试的实验操作考核也是从学习过的实验中抽取某一个来进行简单演示，而思考题往往是从教材或者题库中的题目随机抽选，学生通常在考试前已经知晓答案，然后通过死记硬背通过考试，同样不能真正的反映学生对知识的理解和掌握情况。

1.3 缺乏互动，学生参与度低

传统的实验教学模式下的三个教学阶段中学生只能在上课时间接触到授课教师。课前预习阶段，由于师生之间缺乏沟通，学生无法及时知晓所要进行实验的教学目标，教师精于备课程内容，而忽视了学生的学习难点。授课过程中，教师只顾单方面的向学生灌输知识，缺乏与学生之间的互动、交流，不能及时了解学生对知识的理解和掌握情况，导致“学生听不懂老师在讲什么，老师不了解学生对知识的接受程度”这种尴尬现象的产生。因此，当学生在实验中遇到问题时，教师无法找到学生产生这些问题的根源。课后学生处理分析数据时，遇到问题无法及时向老师反馈，不能得到及时指导。“教”与“学”无法互通，师生无法共情导致整个实验教学过程中，学生的参与度比较低，教学效果差。

2 以学生为中心的实验教学改进措施

随着学生和教育工作者对学习和教育认知的提升，这种传统的教师起主体作用的教育方式和教学方法越来越受到诟病。以学生为中心突出学生是每一堂课的主角，学生自己掌握学习的主动权，教师积极引导和辅助学生自主学习，充分和学生互动，调动学生的积极性和参与度，注重采用启发式、讨论式等方法进行讲授和沟通，对于培养非标准化、有独创能力的学生具有重要意义。

2.1 混合教学，丰富实验授课方式

在以学生为中心的实验教学中，采用线上线下、课堂内外相结合的混合式教学方法。在课前实验预习阶段，教师借助雨课堂、钉钉平台或微信、QQ群，发布实验教学任务，明确实验目标。并上传录制的实验操作步骤和仪器使用的微视频，帮助学生理解实验。针对学生在预习阶段无法动手操作的问题，可借助虚拟仿真实验平台进行虚拟实验(如图1所示)，加深学生对即将进行的实验的理解，提高学生的自主学习能力，改善预习效果。通过借助虚拟实验提升教学效果已在很多高校中得以验证[5]。学生将自己预习和虚拟操作过程中遇到的问题，在平台或讨论群中进行反馈，作为线下授课时教师对重难点问题进行针对性讲解的依据。通过借助虚拟仿真平台进行实验预习，可以提高学生对理论知识的理解和对实验的兴趣，在线下实际操作时降低实验失败率，增强学生做实验的自信心和成就感。线下课程结束后学生可再次回到平台或者讨论群中进行问题讨论，同时也可在虚拟仿真操作平台上进行后续的实验改进与探索。例如，探究改变实验参数对实验结果的影响。此外，实验报告不拘泥于固定的模板，鼓励学生把对实验结果的讨论和实验方案的改进设想写入实验报告。

图1 物理化学实验(蔗糖水解反应速率常数测定) 虚拟仿真操作示例Fig.1 Example of virtual simulation operation of physical chemistry experiment (determination of sucrose conversion rate constant)

2.2 引导启发，提高学生求知欲望

采用启发式教学可以让学生克服传统实验教学中对抽象的原理理解不深，对实验过程消极照搬的被动学习现象。实验教学开始前让学生带着问题去学习，例如在纯液体饱和蒸气压的测定实验中，让同学们思考：海拔高的地区和海拔低的地区水烧开时的沸点有什么不同？再让学生联系日常生活：用高压锅能够缩短煮饭时间的原理是什么？通过对实际案例的分析，让学生加深对克劳修斯-克拉伯龙方程的理解。通过问题导入的形式促进师生、生生间的互动，活跃课堂气氛，激发学生进行实验的兴趣。

实验结束后在遇到共性问题时，启发学生进行知识点的联系，同类实验的比较。例如在化学动力学模块，通常设计乙酸乙酯的皂化反应、蔗糖的水解反应和丙酮碘化三个不同的实验，引导学生思考：为什么都是求解反应速率常数，却分别采用了三种不同的方法测定反应物或产物浓度随时间的变化？通过分析整理共性问题，启发学生把知识融会贯通，在处理其他动力学反应时能够举一反三。通过引导启发式教学实现教师是学生学习的促进者，教学是师生交往、积极互动、共同发展的过程。

2.3 因材施教，鼓励学生探索创新

以学生为中心需要授课教师站在学生的角度看待教学问题，加强师生之间的互动交流，及时跟踪掌握学生的学习动态，积极引导增强学生学习的主动性，激发学生进行实验的兴趣和热情。在以学生为主体的实验教学中还需要考虑学生的差异性，对学生因材施教，既要对基础差的学生进行学习信心培养，也要满足求知欲较强的学生对实验技能的需求。对于后者可设置一定挑战性实验项目，鼓励其利用物理化学实验中的仪器设备进行开放型实验，例如，利用旋光法测定日常生活中蜂蜜的有效成分，通过测定蜂蜜水分解前后的旋光度，结合总糖含量，计算蔗糖、葡萄糖和果糖的含量[6]。

图2 以学生为中心的教学设计图Fig.2 The diagram of student-centered instructional design

3 以学生为中心的教学面临的挑战

开展以学生为中心的新型实验课堂同时也面临着许多困难与挑战。对授课教师而言，需要弱化教师在教学中的权威性，营造让学生感到放松，敢于表达的课堂氛围；需要了解不同学生对知识的掌握程度，按照学生的差异因材施教，准备出每个学生都能参与的教学设计；需要把学生的兴趣点和教学的目标连接起来，调动学生学习的热情。此外，还需要具有能接受教学内容有限，教学效果不会立竿见影，但相信会对学生有积极影响的良好心态。总之，以学生为中心的教学并没有弱化教师的责任和教学能力，相反是对教师提出了更高的要求。

4 结 语

在以学生为中心的物理化学实验教学过程中，通过丰富授课方法、开展引导启发式教学、尊重学生的个性化学习等方面贯彻把学习者放在主体地位的教学理念。教师努力成为学生学习过程中的引导者、辅助者、支持者，与学生形成互相合作、教学相长的学习环境，对于调动学生学习主动性和参与度，改善教学效果，提高人才培养质量具有重要意义。就学生发展而言，主动性学习有利于自我价值的实现；从教育意义方面，强调学生的主体地位有利于学生未来适应社会对应用型和创新型人才的需求。