面向21世纪物理化学实验“三层次教学法”探析

21世纪是一个知识、信息迅猛发展的时代, 它要求当代理工科大学生应该在具备广博的知识的基础上, 形成良好的创新能力和较强的实践能力。物理化学实验是一门理论性和实践性强、技术难度高的独立设置的实验课程, 在化学、化工类人才的培养体系中担负着桥梁和枢纽的主要作用。进入21世纪, 面对我国大学教育从精英教育走向大众教育的转变, 如何实现国务院制定的《面向21世纪教育振兴行动计划》等诸多问题, 探索和研究物理化学实验课的内容设置、教学方法、教学手段等如何主动适应21世纪新的要求, 满足新世纪高素质、刨新型人才培养的需要等问题, 是我们迫在眉捷的任务。

1 目前物理化学实验教学中存在的问题

首先, 实验教学内容存旧, 基本上反映不出学科的发展现状及学科前沿, 实验项目设置设计缺乏层次, 不利于学生循序渐进地掌握实验知识、技能以及了解学科的发展前沿。其次, 教师创设的是一种以传授为导向的学习环境, 教学形式单一, 现代教育技术手段应用不够, 导致课堂信息容量小、学生学习困难、实验结果不准确等问题。第三, 物理化学实验是借助物理、数学的方法完成化学测试表征的任务, 具有难度大、仪器操作复杂、数据处理难度高等特点。目前实验数据处理手段落后, 数据处理费时、费力且误差大。第四, 扩招后生源质量呈多层次化, 在实验学时不增多的情况下, 采用传统的教学方法学生常感到难以掌握。

2 物理化实验教学改革探索

2.1 物理化学实验内容的分层递进构建

针对上述在教学中存在的困难, 我们依据学生心理认知规律和物理化学实验的特点把物理化实验教学分为三个层次进行。

提高型实验项目设计一般遵循以下几个原则: (1) 因地制宜原则。 (2) 形式多样性原则:设计性实验的形式应该是多样化的, 可以是一个完整的实验, 也可是某一具体实验手段。实验内容可以是探索新的实验方法、条件以获得更好的实验结果, 也可以是在基础实验项目上增加新的实验内容, 或者是为使实验更快捷、准确而设计或改进实验装置、方法等。 (3) 因材施教原则。进入21世纪, 我国大学教育由精英教育转向大众教育, 学生能力差异大, 因此提高型实验项目的设计要针对学生能力的差异设计, 即便是完成同一实验项目, 亦有必要对不同学生提出不同的要求。可以分为“研究性质的提高型实验”和“迁移应用性质的提高型实验”两个层次设计。 (4) 前瞻性原则。提高型实验项目的设计在条件允许的情况, 应尽可能结合学科发展前沿设计, 以使学生了解本学科发展动态。

2.2“三层次教学法”教学实施方案探索

2.2.1 充分利用计算机、多媒体和网络通信技术

通过现代信息技术提供的学习环境进行学习是一种全新的学习方式 (E-Learning) 。在E-Learning环境中, 学生由知识内容的被动灌输者转变为主动学习者, 教师学由知识内容的传授者转变为学习环境的创建者。这是一种全新的、先进的教学模式, 我们在物理化实验课改中借鉴了这一教学模式。首先制作物理化实验教学网站创设网络学习环境, 网站内容应包含:物理化学实验技术 (含仪器实物图片、结构图、原理图) , 基础实验原理、步骤和连接装置示意图, 参考提高型实验项目, 交互式虚拟实验室, 计算处理实验数据原理、方法和步骤, 实验习题等内容。在物理化学实验室组建局域网并接入校园网, 周时将每个实验桌上的实验仪器与计算机连接。这样, 学生既可利用计算机进行数据采集、处理, 也可利用计算机查找资料和网络学习。

2.2.2 实验技术及仪器部分内容教学的实施方案探索

这一部分处于“三层次教学方法”的底层, 是后续物理化学实验得以顺利进行的基础。惯常的做法是把这一部分内容分散到各具体实验项目中进行, 有以下弊端:一是学生对物理化学实验技术难以形成比较全面的认识;二是由于时间短, 学生对复杂仪器的结构、原理和操作理解和掌握困难。对于这部分内容, 主要利用建好的网络资源让学生以自学为主, 用较少的学业时 (具体学时按专业等具体情况而定) 对难点、重点技术和复杂仪器采用精讲精练的形式进行。

2.2.3 基础实验教学实施方案探索

基础实验部分内容的教学在“三层次教学法”起着承上启下的作用, 它是对第一层次教学内容的直接运用和深化, 同时为进入第三层次的教学打下坚实的基础。我们在教改过程中, 结合现代信息技术为学生创造有利的学习环境, 凸显学生的主体地位, 培养学生的操作技能。采用如下的教学程序实施教学:

教学中计算机技术和多媒体技术的应用, 改变了以往“实验前老师讲解实验目的、原理、步骤、注意事项, 然后学生按部就班的操作陈规”, 通过文字、图像、声音以及动画结合教师的适时讲解和指导等多种形式传递教学信息, 大大缩短了讲解时间, 激发了学生的主动学习和探究的兴趣, 减少了学生的操作错误, 降低了学习的难度, 提高了课堂教学效果、效率。

实验数据的计算机采集和处理 (Excel和Origin) , 使复杂的物理化实验数据处理快速、准确, 同时避免了少数学生篡改实验数据的现象, 有利于学生养成实事求是、严谨科学态度, 也有利于培养学生利用计算机解决问题的能力。

2.2.4 提高型实验教学方法探析

提高型实验包含设计性实验、综合性实验等, 合理设计、有效实施提高型实验, 能使学生掌握初步的科研设计方法, 培养学生的创新能力。根据同行经验和我们的教学实践, 设计了如下的实施方案:确定实验主题→查阅文献资料→拟定实验方案→实验→结论→交流讨论 (如有必要可进一步控究) →撰写论文或实验报告。教师要对学生的实验情况进行监控和进行必要的指导, 及时发现问题和引导学生解决问题, 做到既不越俎代庖也不能放任自流。提高型实验的开设使学生的学习由被动模式转变为主动模式, 提高了学生的对实验仪器、实验方法的综合运用能力以及解决问题的能力, 也有利于提高学生收集资料、查阅文献、分析研究和处理实验数据以及发现规律的能力, 培养了学生的创新能力, 达到了预期的实验教学目的。

3 结语

根据物理化学实验内容特点分成三个层次实施教学, 符合学生的认知水平和能力的发展顺序, 使学生循序渐进地由单一的实验技能、实验技术、实验方法过渡到综合实验技能的掌握和综合实验能力、初步设计研究能力的形成。实验教学中引入计算机、多媒体等现代教育技术, 激发了学生的主动学习和探究的兴趣, 缩短了课堂教学时间, 提高了课堂教学效率, 收到了较好的效果。通过引入计算机计术, 采用Excel和Origin等简单易学的软件处理实验数据, 使复杂的物理化实验数据处理变得快捷而准确, 亦有利于提高学生使用计算机解决化学问题的能力。

摘要：根据学生的认知水平和能力发展顺序, 将物理化学实验分成三个层次实施教学。教学活动中革新教学手段, 充分利用计算机、多媒体和网络等现代信息技术, 尝试采用Origin等简单易学的软件处理实验数据, 提高了物理化实验的教学效果、效率, 凸显了学生的主体地位, 促进了学生创新能力和综合素质的提高。

关键词：物理化学实验,三层次教学法,教学改革