有意义学习策略在大学化学实验教学中的应用研究_徐红.pdf

年月 第 卷 第期 作者简介徐红（），女，讲师，硕士。通信作者徐红，：。有意义学习策略在大学化学实验教学中的应用研究徐红，李泽全，法焕宝（重庆大学 化学化工学院，重庆 ）摘要 有意义学习策略具有强调学生主体地位、突出教学情景设计、重塑学生认知结构等特点，能够促进所习得知识的有效迁移和实践应用，指导问题的解决，强化学生对化学思维和解决问题方法的整体认知。对比教学的结果显示，实施有意义学习策略，可以明显提升学生对实验认识的深度和广度，提高实验参与度以及实验操作的规范性和正确率，从而显著提升大学化学实验教学效果。关键词 有意义学习；大学化学实验；迁移应用 ，（，）：，：；大学化学实验是理工科实践课程的重要组成部分，是学生进入大学后学习的第一门实践课程，在帮助学生养成良好的实验操作习惯、形成有条理性的问题解决思路和掌握解决问题的方法等方面起着基础性和关键性的作用。但是，当前的大学化学实验教学存在诸多问题，无法有效培养学生的实践能力。首先，实验内容分散，学生无法领悟蕴含在实验过程中的问题解决逻辑和基本思路；其次，实验时间有限，师生偏重于实验操作是否规范、结果是否正确，对实验设计、过程和结果的思考远远不够，使得实验教学只能培养学生的基本操作技能；再次，课程信息发掘不够，有意义学习程度不足，无法有效培养学生的实践能力，教学目标难以达成。为此，我们在实验教学中引入有意义学习策略，注重引导学生在实验过程中进行分析、评价和反思，以期促进学生的主动性、探索性学习，强化基础知识、综合技能的培养，提高学生分析和解决实际问题的能力。一、有意义学习理论有意义学习理论由美国教育心理学家奥苏贝尔在 世纪 年代提出。该理论从认知主义出发，在充分考虑学生学习特点的基础上，提出学生的学习要与其头脑中的适当观念建立非人为的、实质性的联系。其心理机制在于用学习者的固有经验同化新知识，促使新知识纳入学习者已有的认知结构中，实现知识的保持、迁移和创造性应用。有意义学习理论具有以下几个特点：一是强调学习者主观能动性的发挥。在教学中，教材的知识结构、教师的逻辑结构、丰富的教学资源等都不等同于学生的认知结构。学生只有主动加工、深入理解学习材料的内涵后，才能逐步将外在的、符号化的信息纳入自己的认知结构，并进行灵活迁移和应用。二是强调教师对教学情景的设计。有意义学习理论认为，脱离情景的学习材料对学生来说是抽象的符号，如果将这些符号直接灌输给学生，则他们获得的是不具有实践效用的信息碎片，难以迁移和应用。所以，教师需要创设客观条件，从教学内容、教学材料、教学形式等方面进行结构化设计，包括学生已知的不清晰或不流畅的概念、学生未知的具有高度概括性和统摄性的观念、能够有效运用的实践场景以及适合师生互动构建知识的动态过程。实验作为理论知识的综合应用环节，对学生而言是一个复杂的问题情境，对教师而言是引导学生深度学习的良好素材。三是强调知识建构的发展性。有意义学习理论认为，人的认知结构是开放的、有缺口的、不完备的，达不到系统化的高度。因此，教师在教学中需要创设提取和应用相关知识的情景，引导学生融会贯通，让旧知识成为新知识的固着点和增长点，让静态的知识向动态的程序性知识过渡，进而成为活动的经验结构，完成从学科知识到能力再到学习策略的转变。二、实施有意义学习策略的要求（一）对教师的要求一是引导学生以宏观视角建构化学实验。大学化学实验每次课学时，包含个实验项目，覆盖了教学目标中要求的知识点、技能点。从课程内容上看，大学化学实验包含制备与纯化、分析与表征、性质参数测定和废水处理等无机分析化学的基本实验操作和方法，对学生的要求逐级提高。这些隐性的信息无法让学生直观感受，需要教师站在系统的高度，将课程目标中包含的实验分析方法提炼出来，以“先行组织者”的形式提前传递给学生，方便学生在具体实验项目的学习中归纳、体会、理解，最后形成对化学实验思维和问题解决方法的理解。二是引导学生站在微观层面解构化学实验。学生在化学实验学习中，不仅要掌握实验条件的控制、实验参数的测定、科学的记录和数据处理方法，还要站在实验设计者的角度思考以下问题：如何把抽象的参数用可测的数值表达出来？如何选择参数测量方法？测量的原理是什么？选择这种方法需要哪些条件？实验条件如何满足？如何控制实验条件使其按照既定的方向进行？如何减小实验误差？教师在教学中，需要将实验内容设置成问题，启发和组织学生进行讨论，引导学生从大脑中提取学过的理论来指导实践，同时促进理论知识的保持与应用迁移。三是利用信息技术拓展教学时空。化学实验课堂时间有限，要实现学生的有意义学习，教师需要拓展实验课程的时空，把课前拓展、引导问题讨徐红，等 有意义学习策略在大学化学实验教学中的应用研究论、预习、基本操作演示和课后反思总结等环节放到课外，在课上仅保留预习检查、讨论、学生实操和教师针对性指导等环节，这样既能增加实验的有效时间，又能提高学生的自主学习能力。（二）对学生的要求有意义学习策略的成功实施需要教师创造客观条件，更需要学生主动参与且全身心投入。从课前预习、课堂操作到课后反思讨论，学生要根据教师提出的问题，查阅资料、参与网上讨论、进行总结和反思，完成对整个实验的深入学习。与传统实验教学相比，有意义学习策略下的实验教学能够发挥学生的主观能动性，从而取得更好的教学效果。三、有意义学习策略在大学化学实验教学中的实践笔者在 学年秋季将有意义学习策略应用于大学化学实验课程教学中。为了客观了解教学效果，笔者选择同专业的另一个班级作为对照。对照班采用“演示讲授”教学法。两个班级学生数量均为 人。下面以“五水硫酸铜的表征”实验为例，说明有意义学习策略的实施过程。（一）统摄性资料作为“先行组织者”二价铜的表征实验属于分析表征中的常量分析类实验。这类实验主要围绕“量”的分析，进行条件控制和定量计算。其中，条件控制是采用一定技术、手段、方法使滴定分析按照预期目标发生，它是定量分析的前提；定量计算则包括结果的计算和评价，包括对结果的准确度和精密度进行评估。在本实验之前，学生已经完成了“醋酸电离常数测定”“水硬度测定”“空气中氮氧化物的测定”等分析实验，因此教师引导学生进行回顾和总结，能使其更好地把握和理解本实验的条件。（二）统摄性资料与具体任务关联在进行实验预习时，学生要把统摄性材料与具体的实验项目关联起来，如在表征二价铜前如何把硫酸铜固体制备成液体试样？为提高反应的精度，如何控制实验条件来避免离子水解、物质氧化和挥发及干扰离子的影响？教师引导学生站在实验设计者的立场思考，通过提取头脑中的相关知识，结合当前的实际情况解答上述问题。实验项目一般是由多个步骤和多种操作综合而成，角度不同，得到的结果也不一样，所以学生的讨论内容具有一定的广度和深度。统摄性资料与具体的实验任务相关联，不但可以加深学生对实验的理解，而且可以使学生拓展学习更多知识。（三）提出引导性问题大学化学实验的教学对象是大一学生，他们基础薄弱，需要教师以问题的形式进行引导。学生通过对具体操作和原理进行分析，并将理论知识与具体实验过程结合起来，才能将静态的理论知识转变为动态的程序性知识。表是教师在实验预习环节和实验反思环节提出的引导性问题。（四）组织实施教学过程在实验预习环节，教师把学习资料和要求、玻璃仪器的使用视频、关键步骤的操作视频、预习问题等上传到 平台，并在讨论区发起提问，同时要求学生完成实验预习报告。课堂教学分为预习检测、实验报告纠偏、操作示范、教师讲授四个环节。教师先利用前 分钟在平台上发布预习测验，测验成绩在 分以上的学生可以进入实验环节，成绩不合格的学生另选时间参与测验，直到合格后方可进入实验室。接着，教师检查上一个实验的报告，重点对实验的总结性问题进行确认和纠偏，引导学生从宏观上把握化学实验方法，同时从微观层面进行总结和反思，理解化学实验思维。然后，学生以小组为单位讲述实验过程，示范仪器的规范使用方法，同时接受其他小组纠错。示范和纠错表现均纳入综合评价。最后，教师针对学生的讲述和平台上的讨论进行简单总结。在实验环节，教师随时注意观察学生的操作过程，并对学生遇到的问题进行有针对性的指导，引导学生发现问题、分析问题和解决问题。在实验报告中，实验方案部分主要阐述“是什么”“为什么”，重点考查学生对于“为什么”的思考；实验结果注重定量计算的规范性、表达的准确性和数据的精确性；总结和反思部分重点关注学徐红，等 有意义学习策略在大学化学实验教学中的应用研究表实验预习环节和实验反思环节的引导性问题实验环节课前思考课后总结和反思实验预习回顾前面的实验内容，从化学原理、实验操作、条件控制、数据分析等角度归纳三个滴定分析及仪器分析实验的主要操作，并比较其异同 调查当前市售净水装置，了解水中总氯含量及溶解性离子浓度的分析方法及化学原理结合参考教材比较常用分析方法的适用条件，仪器、原理和主要操作等 结合参考教材总结实验条件控制需要考虑的主要方面实验条件控制如何配置试样实验中加入磷酸、的目的各是什么实验用碘量瓶滴定，普通锥形瓶是否可以，为什么为什么要把二价铜和碘化钾混合溶液放在阴暗处保存 分钟为什么开始滴定时不加淀粉溶液指示剂什么时候加合适 实验最后加入硫氰化钾的目的是什么结合前面的实验，总结固体样品、液体样品和气体样品的处理流程本实验为提高实验精度，分别进行了哪些操作，对应的物质是什么，涉及的物理化学性质有哪些 从设计实验的角度出发，总结分析为提高实验精度，需要考虑哪些方面，关注物质的哪些物理化学性质 本课程共三个项目涉及滴定操作，谈谈它们的共同点和不同点数据处理实验中共几次用硫代硫酸钠滴定，单质和滴定液中的二价铜含量如何计算 样品中二价铜含量该如何计算你对实验过程是否满意？需要改进和值得提倡的做法有哪些生对实验设计意义的深入分析和对同类问题的比较归类，要求学生反思自己的预习过程和实验过程，指出值得肯定和需要改进的地方。实验报告的分析和讨论是静态的，多数学生以完成任务的心态完成实验过程的梳理和个人评价。平台讨论区的讨论则是教师和学生共同完成的对实验的全面分析，包括教师课前提出的问题、学生对实验的困惑和看法等。在实验班教学的同时，对照班实施传统的“预习实验报告”的教学过程。学生在阅读实验教材后撰写实验预习报告；教师在课堂上讲授和示范，并指导学生完成实验操作；学生在下一次实验开始前提交实验报告。上述每一个环节都要求学生思考“是什么”“为什么”“怎么做”。四、有意义学习策略的实施效果分析实践表明，有意义学习策略的实施显著提高了实验教学效果，提升了学生思考和分析问题的能力。学生的实验参与度明显提高，主动解决问题的意识得到增强，对实验知识的理解和掌握程度也有了一定提高。（一）学生参与度明显提高有意义学习的最终目的是促进学生从宏观和微观两个层面深化对实验的理解与反思，把实验教材中符号化的静态知识转化为动态的经验性知识，提高分析和解决问题的能力以及知识的迁移应用能力。为了深入了解学生对实验的理解程度，我们从预习报告、实验报告和学习平台三个渠道统计了学生提出的问题及参与的解答，如表所示。徐红，等 有意义学习策略在大学化学实验教学中的应用研究表两个班级学生提出问题及解答问题的统计统计内容课前预习分析讨论具体内容预习报告中每出现一类新问题计 分，有问题分析计 分；分析正确 分；平台上提出关于实验（程序性的问题不计分）的新问题计 分；回答问题计 分；回答问题正确计 分，重复或相似说法不计分分析讨论中出现新的视角计 分；符合逻辑计 分；分析正确计 分；平台讨论中提出关于实验的新 问 题 计 分；回 答 问 题 计 分；回答问题正确计 分，重复或相似说法不计分实验班统计结果平均分项目 分项目对照班统计结果平均分项目分项目从统计结果可以看出，运用有意义学习策略后，学生在课前预习和分析讨论环节的参与度更高，提出的问题和参与回答的问题更多。这说明有意义学习策略能够激发学生的学习主动性，增强学生对实验的关注度，扩展学生思考问题的角度，提高学生学习的有效性。（二）学生解决问题的意识得到加强从学生回答问题的深度、实验步骤内化情况、分析讨论的深度和广度等方面进行分析发现，相比对照班学生，实验班学生提出和回答的问题涉及面较广，既有对相关化学原理的分析、对操作过程的关注，又有对实验操作的反思、对实验优化的思考。学生提出的问题涉及平衡问题、分子间作用力及物质结构等理论知识，以及实验条件、操作条件的控制等实践知识。虽然观点不一定正确，但是体现了学生尽可能关联原有知识来理解和解决实验中的问题。相对于实验班的同学，对照班的同学则更多关注操作的规范性和标准等细节问题。（三）学生的学习成绩有一定的提高评价是指对学生的实验完成情况进行客观评定，它的引导性和发展性作用不容忽视。为了弱化对实验结果正确性的追求，强化实验的计划性、对实验的理性思考以及实验后的反思，两个班均在实验开始前就公布课程评价方法和评价内容，在同一个平台上参与讨论，采用同样的评价标准。两个班的实验评价内容和成绩如表所示。表两个班的实验项目形成性评价内容占比及实验成绩参考内容课前预习课中操作实验结果分析讨论纪律卫生总分评价占比 具体内容参与平台讨论；回答课前问题；预习报 告 重 要 信 息 抓 取；实验预测与过程思考 实 验 规 范 操 作；问题处置与分析 结 果 正 确 ；数 据 图 表 化 表现参与平台讨论；实验报告反思；讨论中提出有价值的问题或 正 确 总 结 归 纳；参 与 小 组 讨论个人实验台处理、废物处 理；出 勤 情 况；修改抄袭实验报告，最终成绩以及格或不及格计算实验班平均得分 对照班平均得分 从两个班的平均得分情况来看，实验班的平均成绩比对照班高 分。从具体项目来看，两个班课前预习和分析讨论部分的得分差距较大。从实验操作来看，实验班平均得分高于对照班。另徐红，等 有意义学习策略在大学化学实验教学中的应用研究外，实验班和对照班在实验结果和纪律卫生方面的得分没有明显差别，这表明仅根据实验结果和学生表现无法客观评价学生的实验参与情况和学习效果。五、教学反思有意义学习策略的实施给学生提供了分析问题、解决问题和总结提高的机会，使学生能够在问题和框架的引导下深化对实验的思考、理解和掌握，显著提升了学生的参与度和学习效率。我们利用学习平台对两个班级的 名学生进行问卷调查，调查结果显示，实验班中对大学化学实验课感到满意的学生占比为，其中感到“非常满意”的学生占比为；相比之下，对照班感到满意的学生占比为，其中感到“非常满意”的学生占比为。在学生的反馈中，实验班出现频率高的三句话分别是“对化学实验有了更深理解”“问题能够帮助我理解实验”“自己反思做得不够”；而对照班的反馈多是“化学实验有意思”“操作规范有利于提高实验的准确度”“实验过程比较烦琐”。在教学实践中我们也发现，有意义学习除了与教师的引导、督促有关之外，更多地依赖学生的主动思考、主动参与和课后总结反思。学生需要学习的课程多，可支配时间有限，他们在进行总结反思时习惯依赖老师的提示和讲解。因此，如何提高实验教学效率，在实验结束后及时进行讨论式总结和反思，是我们下一步努力改进的方向。（责任编辑：李丽妍）参考文献：张树永 本科化学类专业化学实验教学体系改革的思路与实施建议 大学化学，（）：冯忠良，伍新春，等教育心理学北京：人民教育出版社，：高剑南，王祖浩化学教育展望上海：华东师范大学出版社，：贺斌提取式学习最近研究进展及其对有意义学习的影响 来自 科学 的文献 现代远程教育，（）：李泽全，余丹梅大学化学实验北京：科学出版社，：陶然，赵文秀，董树国，等分析化学知识内容的模块化功能划分大学化学，（）：（上接第 页）学习时间和空间，取得了良好的课程教学效果。（责任编辑：李丽妍）参考文献：钟登华新工科建设的内涵与行动高等工程教育研究，（）：吴爱华，侯永峰，杨秋波，等加快发展和建设新工科主动适应和引领新经济高等工程教育研究，（）：张逸，戢峻，熊芸，等高校教师队伍培养与化工专业一流课程建设广东化工，（）：陈浩，王玉勤新形势下高校思政教育浅析广东化工，（）：张逸，戢峻，熊芸，等“双碳”目标下化工分离工程案例教学探索与实践广东化工，（）：刘海军“双碳”要求“双控”，“两高”抉择“两难”中国石油和化工，（）：刘家祺传质分离过程北京：高等教育出版社，徐红，等 有意义学习策略在大学化学实验教学中的应用研究