□麻昌愛(ài)
淺談高職生化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)
□麻昌愛(ài)
化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力是化學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ闹匾M成部分。在實(shí)踐教學(xué)中開(kāi)設(shè)探究性實(shí)驗(yàn)和綜合課題研究實(shí)驗(yàn),對(duì)學(xué)生進(jìn)行系統(tǒng)的技能訓(xùn)練,有利于提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新能力。
實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力;理論與實(shí)踐
高職高專(zhuān)教育的目標(biāo)是培養(yǎng)高等技術(shù)應(yīng)用性專(zhuān)門(mén)人才,畢業(yè)生應(yīng)具有基礎(chǔ)理論知識(shí)適度、技術(shù)應(yīng)用能力強(qiáng)、知識(shí)面較寬、素質(zhì)高等特點(diǎn)。對(duì)于化學(xué)化工類(lèi)的高職教育來(lái)說(shuō),在學(xué)生走上工作崗位之前對(duì)他們進(jìn)行綜合實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練,不僅培養(yǎng)他們從事實(shí)踐工作的一般技能,而且還要著重培養(yǎng)他們的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和創(chuàng)新能力,以適應(yīng)新世紀(jì)對(duì)新型技術(shù)人才的要求。我們?cè)诮虒W(xué)實(shí)踐中,對(duì)低年級(jí)的學(xué)生注重實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)知識(shí)和基本技能的教學(xué),在高年級(jí)中開(kāi)設(shè)探究性實(shí)驗(yàn)和綜合課題研究,對(duì)學(xué)生進(jìn)行系統(tǒng)的技能訓(xùn)練,突出學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng),取得了較好的教學(xué)效果。
(一)化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力的本質(zhì)特征
化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力是化學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ闹匾M成部分。化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是指實(shí)驗(yàn)者在實(shí)施化學(xué)實(shí)驗(yàn)之前,根據(jù)一定的化學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵?,運(yùn)用有關(guān)的化學(xué)知識(shí)和技能,對(duì)實(shí)驗(yàn)的儀器、裝置、步驟和方法所進(jìn)行的一種規(guī)劃和嘗試?;瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是化學(xué)實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備階段的一項(xiàng)十分重要的工作,具有較強(qiáng)的綜合性、靈活性和創(chuàng)造性[1]?;瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的綜合性,是指進(jìn)行化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)必須以一定的知識(shí)和實(shí)驗(yàn)技能為基礎(chǔ)。換句話說(shuō),它既包含著對(duì)有關(guān)知識(shí)的掌握,也包含著對(duì)有關(guān)操作技能的掌握。如果沒(méi)有化學(xué)知識(shí)和實(shí)驗(yàn)技能的綜合運(yùn)用,是根本不可能進(jìn)行化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的?;瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的靈活性,是指對(duì)于要解決的問(wèn)題,根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)條件,可以設(shè)計(jì)出不同的方案,即是在相同的條件下,也可以進(jìn)行不同的設(shè)計(jì)?;瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的創(chuàng)造性,是指通過(guò)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),可以充分發(fā)揮設(shè)計(jì)者的聰明才智,讓他們運(yùn)用自己所學(xué)知識(shí),創(chuàng)造性地構(gòu)思、設(shè)計(jì)解決問(wèn)題最佳的途徑和方法。
(二)化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力的功能
化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)在培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素質(zhì),促進(jìn)學(xué)生的全面發(fā)展等方面具有其本身獨(dú)特而重要的功能。第一,化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)可以激發(fā)學(xué)生的化學(xué)學(xué)習(xí)興趣。學(xué)生根據(jù)自己所學(xué)的化學(xué)知識(shí),獨(dú)立地或在教師啟發(fā)下,設(shè)計(jì)出各種實(shí)驗(yàn)方案,成功地解決化學(xué)問(wèn)題,從而產(chǎn)生成功后的喜悅,激發(fā)起更大的學(xué)習(xí)熱情,成為進(jìn)一步學(xué)習(xí)的強(qiáng)勁動(dòng)力。第二,化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)可以培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用知識(shí)的研究能力和創(chuàng)造能力。設(shè)計(jì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)方案需要學(xué)生靈活地和創(chuàng)造性地運(yùn)用所學(xué)的化學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)和基本技能,因而可以培養(yǎng)他們解決化學(xué)問(wèn)題的能力和創(chuàng)造能力。第三,化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能很好地培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度和科學(xué)思維,以及化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)需要的各種科學(xué)方法,形成嚴(yán)肅認(rèn)真、一絲不茍、實(shí)事求是的創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力。第四,化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)在化學(xué)科學(xué)研究中具有極其重要的作用,它直接關(guān)系到實(shí)驗(yàn)效率的高低,乃至實(shí)驗(yàn)的成敗??茖W(xué)、合理、周密、巧妙的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),往往能導(dǎo)致化學(xué)科學(xué)的重大發(fā)現(xiàn)[2]。
探究性化學(xué)實(shí)驗(yàn),簡(jiǎn)單說(shuō)就是指面對(duì)現(xiàn)實(shí)問(wèn)題或化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中出現(xiàn)的疑難問(wèn)題,通過(guò)設(shè)計(jì)一系列的實(shí)驗(yàn)并付諸實(shí)踐,根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象或?qū)嶒?yàn)結(jié)果進(jìn)行嚴(yán)密推理來(lái)分析解決問(wèn)題的一種實(shí)驗(yàn)方法[3]。它能使學(xué)生通過(guò)自主參與類(lèi)似于科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究的學(xué)習(xí)活動(dòng),獲得自身體驗(yàn),逐步形成善于質(zhì)疑、樂(lè)于探究、勤于動(dòng)手、努力求知的態(tài)度,從而促進(jìn)學(xué)生形成良好的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)習(xí)慣和創(chuàng)新意識(shí),培養(yǎng)了學(xué)生創(chuàng)新精神和化學(xué)實(shí)踐能力,提高了學(xué)生的科學(xué)素質(zhì)。
(一)探究性化學(xué)實(shí)驗(yàn)的一般程序
探究性化學(xué)實(shí)驗(yàn)可按以下一般程序進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)[3]。
圖1 探究性化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)程序圖
(二)確定化學(xué)實(shí)驗(yàn)問(wèn)題的一般策略
提出一個(gè)好的化學(xué)實(shí)驗(yàn)問(wèn)題,往往比解決一個(gè)化學(xué)實(shí)驗(yàn)問(wèn)題更重要。這主要是因?yàn)榛瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)問(wèn)題不僅是化學(xué)實(shí)驗(yàn)認(rèn)知的起點(diǎn),而且它還是化學(xué)實(shí)驗(yàn)認(rèn)知探索的方向和內(nèi)容;它不僅可以激起主體對(duì)實(shí)驗(yàn)探索的強(qiáng)烈愿望而且還是實(shí)現(xiàn)自我價(jià)值的強(qiáng)大動(dòng)力。因此,確定化學(xué)實(shí)驗(yàn)問(wèn)題就成了探究性化學(xué)實(shí)驗(yàn)的第一步。
確定的化學(xué)實(shí)驗(yàn)問(wèn)題應(yīng)有明確的目的性和指向性,要使問(wèn)題具有明確的、具體的應(yīng)答區(qū)域。問(wèn)題的發(fā)現(xiàn)和提出,可以是平時(shí)實(shí)驗(yàn)中遇到的問(wèn)題,可以是學(xué)生感興趣的與當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展有關(guān)的問(wèn)題。問(wèn)題既可以是學(xué)生自己提出的,也可以是教師根據(jù)需求提出的。例如我們根據(jù)廣西盛產(chǎn)木薯淀粉,提出對(duì)木薯淀粉進(jìn)行改良、深加工的研究;又如我們?cè)谑称窢I(yíng)養(yǎng)與檢測(cè)專(zhuān)業(yè)的《食品分析與檢驗(yàn)》的實(shí)驗(yàn)中,發(fā)現(xiàn)食品中淀粉含量的測(cè)定,通常使用的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)第二法——酸水解法中,將淀粉在酸性條件下加熱水解成單糖,單是將樣品加酸后于沸水浴中回流就需2h,耗時(shí)長(zhǎng)、效率低。我們提出是否可以采用微波輻射的方法來(lái)促進(jìn)淀粉的水解,以縮短測(cè)定時(shí)間,提高工作效率。
(三)突出實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中的思路分析
化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)一般包括實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮驮?、?shí)驗(yàn)用品、實(shí)驗(yàn)步驟和操作方法等。
培養(yǎng)學(xué)生的化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力,首先要訓(xùn)練學(xué)生一種科學(xué)的思路分析,使得化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中的實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)操作程序和方法,與化學(xué)理論知識(shí)和化學(xué)實(shí)驗(yàn)方法論相一致,同時(shí)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)還要遵循科學(xué)性、可行性、安全性、簡(jiǎn)約性等原則[2]。在化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的過(guò)程中,要根據(jù)提出的實(shí)驗(yàn)問(wèn)題,運(yùn)用已具備的化學(xué)知識(shí)或?qū)嶒?yàn)技能,構(gòu)思出解決問(wèn)題的方案。然后根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的論證試驗(yàn),經(jīng)過(guò)試驗(yàn),提出新的問(wèn)題,進(jìn)一步改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方案,再進(jìn)行論證試驗(yàn)。如此往復(fù),找出科學(xué)的、合理的的實(shí)驗(yàn)方案。
例如,上述提出的食品中淀粉含量測(cè)定方法的改進(jìn)問(wèn)題。這個(gè)實(shí)驗(yàn)問(wèn)題的目的和指向十分明確,就是如何采用微波輻射的方法來(lái)促進(jìn)淀粉的水解,將淀粉水解成單糖,然后按還原糖測(cè)定,以縮短測(cè)定的時(shí)間。實(shí)驗(yàn)小組通過(guò)查找相關(guān)資料,了解到近年來(lái)微波技術(shù)在現(xiàn)代分析化學(xué)中得到了許多的應(yīng)用,主要涉及在試樣干燥、試樣消解、微波萃取、微波霧化等。微波加熱是通過(guò)分子極化和離子導(dǎo)電兩個(gè)效應(yīng)對(duì)物質(zhì)直接加熱,微波技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)反映在高效、快速,操作控制較簡(jiǎn)單,及無(wú)化學(xué)污染等。根據(jù)微波加熱的特點(diǎn),可以初步判定,微波輻射應(yīng)該對(duì)淀粉的水解過(guò)程有促進(jìn)作用。
(四)指導(dǎo)學(xué)生探尋化學(xué)實(shí)驗(yàn)的最佳條件
設(shè)計(jì)出初步的實(shí)驗(yàn)方案,還要指導(dǎo)學(xué)生探尋化學(xué)實(shí)驗(yàn)的最佳條件。任何化學(xué)實(shí)驗(yàn)都離不開(kāi)實(shí)驗(yàn)條件,只有對(duì)實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行嚴(yán)格、合理、有效的控制,才能得到理想的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。因此,探尋、控制實(shí)驗(yàn)的最佳條件是化學(xué)實(shí)驗(yàn)的靈魂,是實(shí)驗(yàn)成敗的關(guān)鍵。
尋找最佳實(shí)驗(yàn)條件的方法有多種,概括來(lái)講主要有全面比較法、優(yōu)選法、簡(jiǎn)單比較法和綜合比較法(或稱正交實(shí)驗(yàn)法)[2]。在教學(xué)中,我們重點(diǎn)向?qū)W生介紹正交實(shí)驗(yàn)法。正交實(shí)驗(yàn)法是用正交表來(lái)安排多因素實(shí)驗(yàn),并通過(guò)計(jì)算、分析來(lái)尋找最佳條件的一種方法。
1.首先是正交表的選用。正交表是一些現(xiàn)成的表格,按照正交表安排實(shí)驗(yàn),可以使實(shí)驗(yàn)具有較強(qiáng)的代表性。通常是根據(jù)實(shí)驗(yàn)因素和水平數(shù)的多少來(lái)選擇正交表。
2.安排實(shí)驗(yàn)。例如影響微波輻射淀粉酸水解程度的因素有A——微波功率火力、B——輻射時(shí)間、C——鹽酸濃度。它們分別取表1所示的三種水平。
表1 影響微波輻射淀粉酸水解程度的因素和水平
為了探尋最佳實(shí)驗(yàn)條件,可選用L9(34)正交表來(lái)安排實(shí)驗(yàn)。把A,B,C對(duì)應(yīng)三列的“1”、“2”、“3”換成具體的水平,如表2所示。然后按表2安排9次實(shí)驗(yàn)。
表2 正交試驗(yàn)方案
3.結(jié)果分析,探尋最佳實(shí)驗(yàn)條件。9次實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。為了比較哪個(gè)實(shí)驗(yàn)水平淀粉的轉(zhuǎn)化率最高,可對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果做相應(yīng)的計(jì)算,并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析,找出最佳實(shí)驗(yàn)條件。如把每列中所有對(duì)應(yīng)于水平“1”的指標(biāo)相加,然后取平均值得K1,其余水平的指標(biāo)處理方法與此相同,得K2和K3,這些K值,表示跟各因素對(duì)應(yīng)的幾個(gè)水平的淀粉平均水解率。極差R是每列中K值分布的最大間距,即Kmax-Kmin,標(biāo)志著該因素對(duì)指標(biāo)影響的大小。
表3 正交試驗(yàn)方案及實(shí)驗(yàn)結(jié)果
由表3中的K值可以看出,該實(shí)驗(yàn)的最佳實(shí)驗(yàn)條件為:A1B3C1,即微波功率810W,微波時(shí)間22min,鹽酸濃度6mol·L-1。由極差值(R)可以看出,三因素對(duì)淀粉水解率(Y)的影響主次順序?yàn)椋篊>B>A,即鹽酸濃度>輻射時(shí)間>微波功率。
從實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可知,用加熱方法使淀粉水解需要2h,而改用微波輻射只需22min,大大縮短了水解的時(shí)間。
(五)創(chuàng)設(shè)良好實(shí)驗(yàn)環(huán)境,強(qiáng)化化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)訓(xùn)練
實(shí)驗(yàn)環(huán)境包括實(shí)驗(yàn)手段、教師引導(dǎo)方法、實(shí)驗(yàn)群體的態(tài)度和水平等?;瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)手段是構(gòu)成化學(xué)科學(xué)認(rèn)識(shí)活動(dòng)的不可缺少的要素,也是學(xué)生認(rèn)識(shí)化學(xué)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和操作,建立化學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Σ豢扇鄙俚臉蛄骸=虒W(xué)中應(yīng)盡量給學(xué)生提供完備的實(shí)驗(yàn)儀器以增加學(xué)生動(dòng)手機(jī)會(huì)、拓寬想象空間。教師的引導(dǎo)是學(xué)生掌握化學(xué)實(shí)驗(yàn)操作方法和技巧、完成實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。如在選擇和確定實(shí)驗(yàn)題目、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案的確定、資料的收集篩選等方面,教師都應(yīng)給予必要的指導(dǎo)。實(shí)驗(yàn)小組成員之間分工協(xié)作,取長(zhǎng)補(bǔ)短,相互鼓勵(lì),融恰的合作關(guān)系,求真嚴(yán)謹(jǐn)?shù)淖黠L(fēng)有利于學(xué)生發(fā)揮各自的主觀能動(dòng)性,共同來(lái)面對(duì)困難和挑戰(zhàn)。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中教師要注意引導(dǎo)學(xué)生營(yíng)造嚴(yán)謹(jǐn)又充滿激情的實(shí)驗(yàn)氛圍。
加強(qiáng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)研究,并不意味著忽視實(shí)驗(yàn)基本操作和基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的教學(xué),相反,應(yīng)該加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)知識(shí)和基本技能的教學(xué),因?yàn)閷W(xué)生只有掌握一定的基礎(chǔ)知識(shí)、基本技能和科學(xué)方法以后,才有基礎(chǔ)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)偏重于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力、探究能力和創(chuàng)新能力。在實(shí)踐中,我們對(duì)化學(xué)化工類(lèi)高職學(xué)生的化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程設(shè)置進(jìn)行系統(tǒng)的編排。一年級(jí)強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)知識(shí)和基本技能的教學(xué)。二年級(jí)結(jié)合資格證考試,有針對(duì)性地對(duì)實(shí)驗(yàn)技能進(jìn)行訓(xùn)練,并增開(kāi)部分探究性實(shí)驗(yàn),初步嘗試實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的過(guò)程。三年級(jí)結(jié)合畢業(yè)設(shè)計(jì),組織學(xué)生開(kāi)展綜合性的課題研究,對(duì)學(xué)生進(jìn)行 “發(fā)現(xiàn)問(wèn)題——提出問(wèn)題——設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案——實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)驗(yàn)證——結(jié)果與討論”系統(tǒng)的訓(xùn)練,強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng),提高學(xué)生的實(shí)踐能力水平,在課題研究的基礎(chǔ)上,撰寫(xiě)研究論文,參加廣西高校化學(xué)化工類(lèi)學(xué)生論文大賽和實(shí)驗(yàn)技能競(jìng)賽。由于我們?cè)趯?shí)驗(yàn)教學(xué)中既強(qiáng)調(diào)基礎(chǔ)技能的訓(xùn)練,又注重實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力和實(shí)踐能力的培養(yǎng),在每年的論文大賽和實(shí)驗(yàn)技能競(jìng)賽中都取得相當(dāng)好的成績(jī),這又大大地激發(fā)學(xué)生參加實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練和課題研究的積極性。同時(shí)我們還十分注重學(xué)生資格證的考試,近三年來(lái),化學(xué)化工類(lèi)的畢業(yè)生100%取得一張技能資格證書(shū),80%以上取得兩張技能資格證,初步實(shí)現(xiàn)“一書(shū)雙證”的教學(xué)目標(biāo)。由于學(xué)生有較好的技能基礎(chǔ)和較強(qiáng)的實(shí)踐能力,每年畢業(yè)生就業(yè)率均達(dá)100%。
面對(duì)新時(shí)代對(duì)創(chuàng)新型人才的需求和挑戰(zhàn),創(chuàng)新教育這一新的教育形態(tài)己經(jīng)成為當(dāng)前世界各國(guó)教育改革的主旋律?;瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)在培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力等方面有著自己獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),而化學(xué)實(shí)驗(yàn)成敗的關(guān)鍵又取決于化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),無(wú)論是教師,還是學(xué)生都應(yīng)該靈活掌握化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的原則和方法。但目前還存在著實(shí)驗(yàn)教材內(nèi)容陳舊、教師重視不夠、實(shí)驗(yàn)條件不足、實(shí)驗(yàn)教學(xué)評(píng)價(jià)制度不完善等不利因素,這就意味著高職院校的教學(xué)改革是急迫而長(zhǎng)期的歷史重任。
[1]王克勤,馬建峰,李萬(wàn)領(lǐng).培養(yǎng)學(xué)生化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力的教學(xué)策略和方法[J].中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考,2002(03).
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責(zé)任編輯 時(shí)紅兵
麻昌愛(ài)(1957-),男,廣西橫縣人,廣西南寧地區(qū)教育學(xué)院副教授,研究方向?yàn)榛瘜W(xué)課程與教學(xué)論。
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1001-7518(2010)14-0076-02