宋洁，周守勇，徐继明，赵朴素，皮武
淮阴师范学院化学化工学院，江苏 淮安 223300
世界范围内的国力竞争说到底是人才的竞争，当前，实现中华民族的永续发展尤其需要“提高高等教育质量，要加强创新型、应用型、技能型人才的培养”[1]。“创新”是重要的科学精神之一，对于化学学科而言，实验课又是实施全面化学教育的一种最有效的教学形式[2]，科学的精神、分析问题、解决问题的应用能力需要通过高效的实验训练才能达成。既要传授化学知识和技术，更要训练科学方法和思维，还要培养科学精神和品德，是“全面的化学教育”观对化学教学的要求[3]，同样是创新型、应用型、技能型人才培养的指导思想。
物理化学实验属于基础实验，主要是验证性实验[4]，一般流程为：学生课前完成预习，教师课上讲解并指导学生完成实验，学生课后处理实验数据并完成实验报告，最后教师批改实验报告评定成绩。这种“照方抓药”的传统教学模式很难满足高质量人才培养的需求[5]。其弊端主要有：1)课程结构简单，与能力训练要求不匹配；
2)教学内容滞后，与科技发展脱节；
3)教学方法陈旧，训练成效难以提高；
4)评价方法单一，难以量化和反馈等。因此，有必要重构传统物理化学实验的教学模式。通过调整课程结构[6,7]、整合优质资源[8,9]、优化教学方法[10,11]等途径，在有限的课时内提升实验课堂训练的成效，促进“知识容器型人才”向“创新应用型人才”的转变，是化学实验教学改革研究的方向。
从认知心理学角度分析，物理化学实验知识包含陈述性知识、程序性知识和策略性知识三大类[12]，前两者分别指实验原理和实验技能，策略性知识是将感性认识上升为抽象知识的“思维诀窍”[13]，即“学会学习”的本领，它是创新应用能力的核心，需要在尝试、应用、巩固等场景中反复训练而习得，单一的验证性实验难以达成，这也是造成传统基础实验训练不深入、效果不理想的关键因素之一。
如图1所示，以电动势测定实验为例，通过资源整合和内容调整后，将传统基础实验分解并拓展为仿真实验、基础实验、探究实验、综合实验一体化的融合实验，再根据实验内容的特点，对应地将策略性知识分解为感悟尝试策略、反思应用策略、迁移巩固策略、课后拓展策略。在实验各环节，显化的策略性知识更容易被评价和反馈，从而有效落实创新能力的训练。
图1 仿真嵌入式物理化学融合实验模式示意图
与传统实验相比，融合实验采用结构化的模块，提高了训练的总体要求；
前端嵌入仿真实验，对教学内容进行补充和更新；
在实际教学中，教师退位让权，保持启发式教学法的觉察；
通过评价指标的建立，实现产出评价的当堂反馈；
此外，将自主知识产权的自制仪器及科研成果应用于实验中，融思政教育于实验过程中，按照全面的化学教育观的要求实施改革并实践。
1.1 仿真实验——感悟、尝试策略
通常讲解实验原理时，一般采用电路图加文字表述的方法。学生比较难理解对消法测定可逆电池电动势时“既要保持电路畅通，又要保持电流为零”。为此，利用NOBOOK虚拟仿真平台搭建了对消法测量可逆电池电动势原理的虚拟实验。除了教师课堂演示外，学生也可以从选元件、连接电路到测定过程全程模拟实操，直观感受测定过程中如何通过滑线变阻器的调控电流为零，直至彻底弄通电动势测定的原理，感悟尝试电动势测定认知策略，为后续实验奠定基础。游戏化的仿真操作体验有助于降低认知难度，从而有效激发学生的学习兴趣。
1.2 基础实验——反思、应用策略
融合实验中的基础实验仍然是“电动势测定”教学的核心内容，需要依次完成以下任务：理解实验原理、制备电极、组装电池并学会测定可逆电池的电动势。采用教师自制测定装置进行实验(ZL201510030349.4；
ZL201010149763.4)，学生对实验过程的反思和总结认为：前面仿真实操的加入，对原理的理解更加深入，应用操作的策略更加得心应手；
自制仪器的组装更便捷，使得测量结果准确，同时节约了不少时间。
1.3 探究实验——迁移、巩固策略
探究实验有2个，分别是：1)比较两套自制仪器组装电池的电动势并讨论；
2)比较两组电池作电源的工作情况并讨论。如表1所示，探究实验环节不仅能够考查前面实验环节的产出目标(1-5项)(表1)，同时还涉及科学研究态度、辩证思维、团队协作等重要的科学思维和品德(6-8项) (表1)。后续综合实验拓展中还包含可持续发展理念，材料应用简介。鼓励有兴趣的同学继续参加相关研究。探究实验能够很好地训练和考查知识的迁移和巩固策略，锻炼学生分析解决实际问题的知识应用能力。
表1 融合实验产出评价目标及认知策略分解表
1.4 综合实验——课后拓展策略
综合实验来源于师生共同研究的“创新”和“应用”成果。1)教师自制仪器中的隔膜材料来源于农业废弃物秸秆，将其应用于教学中，有效激发了学生自主创新的意识和信心。2)学生利用秸秆降解废液组装成电池，降解废液的同时，产生电能，树立了低碳环保的理念，在第11届全国大学生节能减排社会实践与科技竞赛中获得二等奖。3)师生的科研及获奖成果编制成综合实验，用于知识拓展和科普宣传，为感兴趣的同学提供延伸探索的课题。
全面的化学教育中提出实验教学方法要用启发式，不要用注入式[3]。新时代大学生除了需要掌握专业课的基本知识和技能外，还需锻炼沟通、合作、管理等关系的协调能力。物理化学实验课的开设在大三阶段，学生已修完专业基础课程及实验，已具备基本的专业知识和实验技能，具有与教师讨论、探究实验的愿望与能力。从教学内容来看，电动势测定实验的技术难度和风险指数都不算高，具备教学方法改革的良好条件。在社会有需求、学生有能力、改革有条件的前提下，如何充分激发学生的自驱力，真正实现“学生在课堂的中心位置”，是值得探讨的重要议题。
2.1 课堂角色关系重构——“教师让位、学生中心”
如图2所示，传统课堂上，教师需要负责实验准备、实验示范和讲授以及安全督察等工作，学生的主要任务是完成规定的实验即可。在融合实验中，从12名参加实验的学生中选出材料员(1-2名)、学生小助教(2-3名)、学生安全员(1-2名)，他们需要完成自己的实验任务外，还要在教师的协助下，分别负责课前实验准备、课中组织总结讨论，以及全程安全督察等原先全部由教师来完成的工作任务。教师实质性的让位、让权充分调动了学生的主观能动性。
图2 课堂教学形式转变示意图
2.2 师生关系重构——“多重角色、竞争合作”
在传统实验中，教师是施者，学生是受者，师生、生生之间的关系单一，关系重构后，教师“让教”、学生“自教互教”，教师与学生、学生与学生之间形成了多重关系。
从学生的角度来看，根据埃里克森人格发展理论[14]，大学生所处的年龄阶段特别注重自己在别人眼中的形象，以及他在社会集体中所占的情感位置，大学生在各自岗位上的课堂表现更加积极，尤其是获得教师和同伴的需要和认同后，自信心不断增强。有研究表明，志愿服务和社会实践对大学生角色的社会化作用明显[15]，课堂多重关系增加了沟通机会，有助于学生未来的社会适应。
从教师的角度来看，关系重构后，教师需要改变观念、态度和交流方式。首先从权威立场中撤出，和学生一起讨论，而不是立刻给出答案，促进学生更多地思考和探索。当实验中出现失败和错误时，教师的态度要包容，引导鼓励学生自己找出答案。以温和且坚定的方式与学生平等交流，从能说会道转变为能忍会让，并时刻觉察和协调多角色间的关系。课外，教师要花更多的时间投入研究和改革，同时需要进行更多的学习、实践和反思。
3.1 融合实验课时安排
大纲规定的教学时数是5课时，每节课45分钟。在实验任务要求及总课时不变的基础上，融合实验各环节的安排如图3所示。实验讲解课时不变，用仿真实操代替原理讲解。新的电动势测定仪器及自制电动势测定装置替换老的仪器和装置，共计节约40分钟，用于后续探究实验及产出评价，总结讨论部分拓展了综合实验的简介，总结部分由小助教、安全员和教师共同完成。多层次的总结能够更加全面有效地锻炼学生的沟通表达能力。实践证明，该方案时间和任务安排合理，教学效果良好。
3.2 融合实验课堂思政
电动势测定实验中丰富的思政元素为课堂思政的实施提供良好的条件。表2列举了电动势测定实验的部分思政素材。选材贴切的主题、过渡自然的表述有助于产生师生共鸣，在实际教学中取得了良好的效果。
图3 电动势测定实验的课时分配及任务安排对照图
表2 课堂思政元素实施情况
3.3 融合实验教学改革成效
1)融合实验——构建高效课堂。
传统基础实验的训练内容及方法单一。融合实验的前端嵌入仿真实验，能够帮助学生更好地理解抽象概念和原理等陈述性知识，基础实验完成之后增加了探究性实验，能够强化并反馈程序性知识的掌握情况，课后的综合拓展实验，能够为学有余力的学生提供深入探索的机会。在融合实验的教学情境中，学生参与度和积极性明显提高，达成度指标的完成情况更好。
2)自制教具——探索教改之路。
近二十年来，教师以科研项目为依托，开展以“实验装置改进”为目标的实验改革，获得了多项自主知识产权的自制教具，并在实验教学的过程中不断改进。以电动势测定装置为例，如图4所示，自编实验教材中使用了改进的第二代装置，之后继续研制了第三代、第四代装置，均获得国家发明专利授权，在教学中应用得到良好反馈。
图4 电动势测定装置改进过程示意图
3)教学相长——促进人才培养。
教师通过教改课题、大创项目等形式组织学生共同研究，将成果申报学生自主知识产权、撰写论文，在教学应用中持续改进，师生共同努力，取得了系列创新成果(表3)。2021年，根据创新成果整合设计而成的电动势测定融合实验获得了专家和同行的认可，荣获“全国高校教师教学创新大赛”三等奖。
表3 电动势测定融合实验研究中师生产出创新成果一览表
融合实验始终以全面地化学教育观为指导，以“学生为中心，教研相结合”为理念，对传统实验的课程结构、教学内容、教学方法和评价手段进行了改革，强化知识的理解和技能的应用，更加注重知识的迁移和创新能力的训练，把策略性知识习得的过程分化于实验的不同阶段，通过明确的评价指标当堂考查产出目标及策略性知识的完成情况，在实践中边教边改，取得了良好的教学效果，同时也发现了新的问题：1)仿真实验自主研发技术的局限，部分实验暂时无法实现仿真化，应加大开发投入和力度；
2)探究性、综合性实验的推广受到实验设备条件及学时的限制，应申请协调和保障；
3)教师投入的教学精力有限，设法调动实验教学改革的积极性。
参照上述融合实验的理念与模式，以教师自制教具和探究实验开发为核心，根据不同实验的特点，对物理化学实验的大部分项目都进行了改革，已经取得显著效果。如：溶液表面张力的测定、燃烧热的测定、乙酸乙酯的皂化反应等实验。从已有改革实践来看，该实验教学改革的创新模式通过在实验设计和实施环节上的多元赋值与高效释放，同时注重实验效果的及时评价，对于化学实验改革具有较大参考价值，经过不断发展和完善，一定能在更大程度上促进创新型、应用型、技能型人才的培养。
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