基礎(chǔ)化學實驗教學的新理念再議實驗教學之本質(zhì)

　　摘要：最近20年以來，國內(nèi)高校的本科基礎(chǔ)化學實驗教學從理念、內(nèi)容、標準，到組織機構(gòu)和評價方法，都經(jīng)歷了一系列變化和改革。立足于新的歷史機遇和時代，有必要深刻理解和厘清本科階段基礎(chǔ)化學實驗教學的本質(zhì)和角色，既不輕視和簡慢其地位、也不夸大和拔高其效用;須還基礎(chǔ)實驗教學以其本來面目，著重深挖其在傳播“第三類知識”(Know-how) 以及培養(yǎng)“元認知”能力當中的不可替代作用，才能在化學實驗教學改革大潮中不懈怠、不迷惘。

　　本文源自蘆昌盛; 王鳳彬; 劉斌; 田笑叢; 馬海鳳， 大學化學 發(fā)表時間：2021-04-13《大學化學》雜志，于1986年經(jīng)國家新聞出版總署批準正式創(chuàng)刊，CN:11-1815/O6，本刊在國內(nèi)外有廣泛的覆蓋面，題材新穎，信息量大、時效性強的特點，其中主要欄目有：化學實驗、師生筆談、自學之友等。

　　關(guān)鍵詞：實驗教學;第三類知識;元認知;教學理念;教學改革

　　1999年，國家化學學科教學指導(dǎo)委員會就化學教學改革召開會議，認為“實驗教學改革”等方面問題迫切需要解決和推進。當時國內(nèi)大多數(shù)高校，仍以“四大化學”為基礎(chǔ)，組織本科生化學實驗教學[1]。

　　之后，國內(nèi)高校開始陸續(xù)探索新的實驗教學模式[2,3]。2005年，教育部啟動了國家級實驗教學示范中心的評審，有力推動了各實驗教學中心不斷建設(shè)提升和持續(xù)教學改革的進程;2010年，有文獻總結(jié)認為，經(jīng)過10多年建設(shè)，高校普遍建立了“基礎(chǔ)實驗–中級實驗–綜合實驗–創(chuàng)新實驗–畢業(yè)論文” 的一體化教學模式[4]。

　　2009年，教育部啟動了“基礎(chǔ)學科拔尖學生培養(yǎng)試驗計劃”;在化學等5個學科領(lǐng)域先行試點，并率先在清華大學、北京大學、南京大學等11所重點高校實施(后拓展至18所)。面對國家的新要求，相關(guān)高校再次對實驗教學進行深入、細致的梳理和調(diào)整，發(fā)展出“基礎(chǔ)–綜合–研究”等類似的多層次教學設(shè)計[5]。

　　2016年，全國范圍內(nèi)建成的化學與化工類實驗教學示范中心已經(jīng)增至65個，使得化學實驗教學的改革更為系統(tǒng)化;并且出現(xiàn)了打破化學二級學科界限的新“一體化體系”(基本操作–合成方法– 綜合實驗—開放創(chuàng)新實驗)，形成3種教學體系并存的局面[6]。

　　2017年，教育部發(fā)布《化學類專業(yè)化學實驗教學建議內(nèi)容》(后文簡稱“建議內(nèi)容”) [7]，希望進一步推進實驗教學理念的改革、內(nèi)容更新和體系重構(gòu)。在對該《建議內(nèi)容》的解讀文獻中，將實驗教學目標調(diào)整為：通過實驗教學，使學生掌握化學實驗的基礎(chǔ)知識、基本理論和基本技能，并在此基礎(chǔ)上培養(yǎng)學生具有動手能力、科學素養(yǎng)、綜合解決復(fù)雜問題的能力和創(chuàng)新能力[8]。

　　回顧20多年來的改革歷程可以看到，實驗教學在理念、內(nèi)容、組織、質(zhì)量評價、體系設(shè)計等方面都獲得了長足的進步，并且寫進了《化學類專業(yè)本科教學質(zhì)量國家標準》[9]。

　　但是，十九大給高等教育和高校提出了新挑戰(zhàn)，也促進了我們對化學實驗教學改革的深層次思考，即基礎(chǔ)實驗教學的本質(zhì)是什么?

　　1 對化學實驗教學的認知現(xiàn)狀

　　教學理念的革新，具有提綱挈領(lǐng)的指導(dǎo)性地位和作用;化學實驗課程體系與教學模式的改革，同樣以教育認知和思想觀念為先導(dǎo)[2,10]。

　　改革開放之初，由于我國和發(fā)達國家在自然科學體系方面的整體差距巨大，“知識就是力量”成為隨后40年最深入人心的大眾口號和教育理念;反映在高校教學體系當中，就使得課程設(shè)計的終極目標定位在“傳播知識”。因此，20年前的高校基礎(chǔ)化學實驗教學的開展，便是按照“四大化學”這樣的知識理論體系來認知和組織。

　　在此前提下，基礎(chǔ)化學實驗課程被視作對化學基本理論和知識體系的“驗證”和“補充”，或是其“附屬”，教學目標被解讀為“鞏固化學理論”和“理論聯(lián)系實際”[11–13]。

　　隨著國家級化學實驗示范中心的建設(shè)和發(fā)展，以及《高等學校化學類專業(yè)指導(dǎo)性專業(yè)規(guī)范》、《化學類專業(yè)本科教學質(zhì)量國家標準》等文件的出臺，化學基礎(chǔ)實驗教學改革潮流逐漸從“知識導(dǎo)向型” 與“技能導(dǎo)向型”向“能力導(dǎo)向型”與“素質(zhì)導(dǎo)向型”演變，而且目前仍處于這個轉(zhuǎn)變之中。從教育認知來看，這是對“傳播知識”之外的其他目標因素的重要認知改進;不過，由于缺乏對“知識” 本身以及化學實驗教學本質(zhì)的深入思考和透徹認知，實驗課程本身往往處在“身不由己”的尷尬境地。

　　一方面，有的時候、以及在某些場合，實驗教學的地位和作用被籠統(tǒng)地稱為“不言而喻”和“無法替代”[14];但因不能準確認知、描述和定位其實質(zhì)與功能，化學實驗始終扮演化學理論的依附角色，而且事實上也大范圍、不間斷地在學生那里(廣義上也包括教師、學科專業(yè)，以及高校層次)“遇冷”[15]。因此，許多教學研討和教改思路的落腳點，放在了化學實驗教學的“趣味化”“生活化”“綜合化”“地域化”“特色化”等形形色色方面[13,14]。

　　另一方面，出于對化學學科基礎(chǔ)屬性的尊重，以及對“拔尖”和“創(chuàng)新”等概念的追捧，化學實驗課程又往往被過高評估，認為“不僅在培養(yǎng)學生的實際動手操作能力、運用理論知識解決實際問題的能力、授予學生知識和技能、激發(fā)學生的學習興趣、促進創(chuàng)造性思維的發(fā)展、樹立科學思維方式等方面有獨特作用，而且對培養(yǎng)學生實事求是的辯證唯物觀和嚴肅認真的科學態(tài)度及訓練科學方法等方面也具有重要意義。”;簡言之，就是幾乎無所不能[6,14]。這樣，就造成了無法客觀評價實驗教學質(zhì)量的自我困境，使實驗教學改革脫離本源、漸行漸遠：(1) 若教改步調(diào)急進(改革教學目標)，則傾向于得出實驗教學能夠培養(yǎng)“創(chuàng)新能力、創(chuàng)新意識、創(chuàng)新精神”的結(jié)論[12];但若果真如此，“拔尖計劃”等項目就不需要費心費力地建設(shè)，簡單按照教學計劃執(zhí)行即可，甚至學術(shù)大師、頂尖人才，以及“創(chuàng)新”本身也可以依靠制定教學計劃來實現(xiàn)。(2) 若教改步調(diào)緩和(改革教學內(nèi)容和模式)，則有可能落腳在提升實驗層次、盡早與科研接軌的做法上;如同在理論課程教學上曾經(jīng)發(fā)生過的認知一樣，有些教學單位簡單地把課程下壓(例如，把研究生的培養(yǎng)模式下行至本科階段，或者把本科生高年級的課程填入低年級學期等等)，并將之作為意義重大的改革措施和唯一方向。這種理念，甚至與“符合學生認知水平”的教學基本原則不相匹配。

　　因此，對化學實驗教學本身的認知，某種程度上成為目前教學改革的關(guān)鍵鏈條：恰如其分的認識和評價，將引領(lǐng)改革走上快車道和超車道;而模糊、或者不恰當?shù)亩ㄎ唬瑒t使得改革進退維谷、困于囧途。

　　2 對基礎(chǔ)化學實驗教學的新看法

　　事實上，“知識就是力量”的論斷，因為傳播手段突飛猛進地變革和發(fā)展，到今天已經(jīng)不太合適了。幸運地是，人類社會對知識本身的認知，隨著經(jīng)濟和文化的進步也在不斷發(fā)生演進。

　　經(jīng)濟合作與發(fā)展組織(OECD)在1996年提出的報告《以知識為基礎(chǔ)的經(jīng)濟》里，曾經(jīng)明確給出了四類知識的概念，包括“Know-what、Know-why、Know-how、Know-who”。Know-what是指事實方面的知識，Know-why是指自然和客觀規(guī)律的科學理論體系;Know-how是指做某些事情的技能、程序、工藝、訣竅等，Know-who涉及誰掌握知識及誰知道如何運作等信息。前兩類知識歸屬于可傳播的人類認知;后兩類知識歸屬于實踐經(jīng)驗的積累，通常受限于技術(shù)手段和經(jīng)濟利益而不容易被傳播和集成[16]。

　　作為一個簡單類比，當我們從“四類知識”的視角去審視化學理論課程與實驗課程的本質(zhì)時，可以試做如下分析和理解。

　　理論課的教學，明顯具有傳播“第一類”和“第二類知識”的特征;我們正是通過理論課的學習，才能高效地掌握知識理論和構(gòu)建知識結(jié)構(gòu)。因此，理論課的教學本質(zhì)，就是以知識傳播、散布、包括再創(chuàng)造(可以更多地體現(xiàn)在研究生課程中)為主的對客觀世界的人類感知和認知。

　　實驗課程的開展，其主要目的(我認為)不必是為了知識理論和體系架構(gòu)的學習;尤其是低年級(特別是新生的基礎(chǔ)化學實驗課程)的實驗教學，很難說它是為了理論課教學所做的補充(譬如經(jīng)典的無機化學實驗“食鹽的提純”以及化學原理實驗“氣體常數(shù)R的測定”)。更恰當?shù)卣f，基礎(chǔ)實驗教學是為了教會學生如何做事情的習慣、規(guī)范和方法，具有顯著的傳播“第三類知識”的特征。因此，基礎(chǔ)化學實驗課程的重點，既不只是培訓學生特定的技能，也不是如同科研試驗一樣，培養(yǎng)學生探索特定領(lǐng)域的方式和方法(這些應(yīng)該是研究生教育的目標)，而是展示給學生對于客觀、實際問題的(近似)解決方案。

　　如果對于基礎(chǔ)實驗教學的如此認知是有道理的，那么我們就可以明確地說，基礎(chǔ)實驗課程不是完全用來學習基本理論的，也不是僅僅為了培養(yǎng)基本技能的;它不是僅僅服務(wù)理論課教學而設(shè)立的輔助課程、驗證課程，也不是具有“全面功效”的科研預(yù)演。

　　3 對基礎(chǔ)化學實驗教學的新實踐

　　當剝離基礎(chǔ)實驗教學被賦予的傳播“第一類和第二類知識”的功能之后，我們還能夠開展和組織實驗課程，以及對學生做出適當評價嗎?下面，用兩個基礎(chǔ)實驗教學實例來演示我們在最近一輪教學當中的新嘗試。

　　這是一個特別典型的案例(表1)。這個實驗，對于大一新生來說，以往幾乎被認為是個標準的驗證型實驗而備受冷遇;包括我們，一度也在教學計劃中將之“雪藏”。但是，換個視角，當從傳授“第三類知識”的角度審視它時，這是個多么好的教學素材!首先，毫無疑問，實驗?zāi)康牟荒芤暈?ldquo;得到準確的氣體常數(shù)R值”，因為該常數(shù)有極高精度的公認值可以查驗。其次，該實驗也不能說成是為了“驗證理想氣體狀態(tài)方程式”(對于大一新生的理論學習和科學認知幫助不大)。因此，該實驗對于解讀和傳播“第三類知識”顯得極為直接和明晰。

　　實驗?zāi)康模粗行娜蝿?wù)，就是“如何”準確地測定氣體常數(shù)R。我們認為，實驗教學的模式，可以理解成：為了解決一個中心任務(wù)而采取的各種合理措施和正確步驟，并最終形成解決方案、以及對此方案的評價(表1)。

　　通過教師誘導(dǎo)，可以提示學生：數(shù)值的精確程度，來自測量方法和數(shù)據(jù)處理兩部分;而在測量部分，各個待測物理量的難易程度不同、誤差大小也不同。所以，實驗任務(wù)就進一步解析為如何準確獲得原本誤差較大的數(shù)據(jù)，以及如何進行數(shù)據(jù)的運算和處理?在這個過程當中，需要哪些技術(shù)和能力進行支撐?繼續(xù)往下深化、細化，則還可以提出：如何安排實驗時間、提高時間效率?有無實驗安全方面的問題?有無“三廢”問題?

　　這樣以“任務(wù)”為中心節(jié)點的實驗教學設(shè)計，具有“非標準化結(jié)構(gòu)”和“個性化解決方案”的特征。因為每一次具體的實驗課程內(nèi)容都不一樣，所以每次的“任務(wù)”類型和重點都不相同，每個操作者的觀察視角和學習收獲不再趨同，也就不再要求學生必須書寫格式一致的實驗報告(最近一輪教學實踐中，實際上我們?nèi)匀谎永m(xù)了傳統(tǒng)實驗報告的寫作要求;此外，還要求每位學生另作一份新的“實驗導(dǎo)圖”。);因而，可以“逆向”推動學生積極地投入實驗操作和總結(jié)、反思，并改變他們對該實驗現(xiàn)實意義的重新定位和思考。

　　隨著通訊方式和信息傳播速度的升級換代，學生們很容易從各種渠道獲得各式標準的“實驗報告”(可參考“百度文庫”中的范本)，極大地抵消(或者對沖)了教師為提高教學質(zhì)量而構(gòu)造和設(shè)置的教學疑難、標準，以及教學反饋，事實上使得教改“成本”不斷上升。這樣的“教”“學”競爭，已經(jīng)偏離了“相長”的理想航道;如果任其發(fā)展、不加甄別，則對于培養(yǎng)學生正確的學習觀和價值觀非常不利(即教學不能起到“打開學生心扉”的作用，不能誘導(dǎo)學生“學會學習”)，而有利于滋長利己、小資、投機等個人主義情緒;即使表面上完成了教學計劃，也不能真地評價為“成功”。

　　例如，學習者1以大量篇幅和看起來完整的部件，給出了實驗方案-1 (圖1)。但是，仔細校閱會發(fā)現(xiàn)，它只是原本實驗報告的翻版，沒有體現(xiàn)出學生在實驗中的認知過程以及實驗后的學習反思。

　　相形之下，學習者2以簡略篇幅和完全不同于標準實驗報告的思維結(jié)構(gòu)，給出了實驗方案-2 (圖2)：

　　(1) 中心任務(wù)明確：精確測定。 (2) 主要因素抓得很準：原始數(shù)據(jù)獲取以及數(shù)據(jù)處理。 (3) 能夠進行因素分析：根據(jù)測量的不確定性(或者精準程度)進行區(qū)分。 (4) 能夠針對具體因素給出對策：如何稱準質(zhì)量以及如何測準體積。 (5) 注重規(guī)范：總結(jié)和歸納實驗細節(jié)以及實驗安全。 (6) 反思自己的認知過程：能力要求、技巧及改進。

　　實驗方案-2具有明顯的主動學習特征：學生在積極、充分接收到教師教學信息之后，進行了實驗?zāi)康暮瓦^程的重新組織和構(gòu)建;并在一定范圍內(nèi)不斷檢視自己的學習認知過程，同時充分保留實驗教材中原本的基本內(nèi)容和規(guī)范。通過此方案及相應(yīng)的實驗報告，我們不能評估其獲得“第一類和第二類知識”的情況;但是，對該學生學習“第三類知識”的教學質(zhì)控，我們可以有理有據(jù)地給其以“優(yōu)等”的評判。

　　粗鹽提純的實驗，曾經(jīng)被大多數(shù)本科生教學實驗室所采用，現(xiàn)在通常被認為“陳舊”而“無趣”。但是，當我們轉(zhuǎn)換教學認知和實施新方法后，它再次煥發(fā)出光彩：這是一個比較完善的解決實際問題的實踐方案，非常有助于培養(yǎng)學生置身于真實場景中的學習認知、體驗，以及反思等習慣(表2)。從實驗方案-3 (圖3)，我們也能夠清晰地看到學習者主動學習的痕跡。(限于篇幅不再細述)

　　通過以上兩個教學實例不難發(fā)現(xiàn)，基礎(chǔ)化學實驗教學的本質(zhì)，似乎可以更準確地表述為：提供給學生各種各樣實際問題的解決方案。特別對于大學新生來講，他們的理論知識和實驗技術(shù)都處于積累階段;因材施教的教學原則就決定了，不能把“創(chuàng)新”當作是指導(dǎo)原則來組織低年級學生的實驗課程，盡管出于各種考慮我們(包括教師和教學單位)迫切地希望他們能夠快速地具備各種能力和創(chuàng)新精神。因此，有必要在國家和社會發(fā)展的新時代，重新審視前20年教學改革的發(fā)展方向和所獲成果;在我們之前容易忽視和認識不清的環(huán)節(jié)(特別是面向低年級學生的基礎(chǔ)實驗教學)，進行教學理念和思想的重鑄，使得整個教學體系更加切實可行、符合國情實際，給予教學改革更多地探索余地和上升空間。

　　此外，包括以上兩個案例在內(nèi)的上一輪改革實踐的教學對象，實際上既包括化學專業(yè)，也覆蓋了更多化學相關(guān)專業(yè)的學生(例如醫(yī)學院新生)。因此，從傳播“第三類知識”的教學理念出發(fā)，我們在“教學目標”之外，提出了“教學班級目標”的觀點：即實驗教學不僅要完成本身的課程目標(通用素養(yǎng)和一般解決方案)，還要兼顧該班級的專業(yè)，甚至是職業(yè)特質(zhì);尤其是對化學相關(guān)專業(yè)的學生，可以培養(yǎng)職業(yè)特質(zhì)為主要目的，而以培養(yǎng)必要的實驗技能和方案為次要目的。

　　以我們剛剛實踐過的南京大學醫(yī)學院本科新生班級“化學實驗基礎(chǔ)”課程為例，他們是未來的職業(yè)醫(yī)師;因此，實驗教學能帶給學生們什么樣的“第三類知識”，顯得特別值得探討。通過教師研討和教學反思，我們認為就這個班級而言，教學特點和深度要準確把握;既不能馬馬虎虎作淺顯要求，也不宜在某些環(huán)節(jié)作刻板的嚴格要求。需要針對他們未來職業(yè)特質(zhì)的需求來進行教學塑造和培養(yǎng)，包括以下幾方面：(1) 細心、大膽、手眼配合;(2) 標準化操作;(3) 數(shù)據(jù)處理;(4) 糾錯和邏輯溯源;(5) 團隊合作。

　　有了這樣的教學認知，我們在教學實踐中，在指導(dǎo)學生做事情的技能和程序的過程中，就能夠有的放矢、如臨其境;使得教學計劃既具有集成性、也具有靈活性，同時也促進了教師們不斷提升自己的教學反思水平和教學自覺。這次教學改革的思想和實踐，在課程結(jié)束時獲得了學生非常好的評價(數(shù)據(jù)略)。

　　4 “第四類知識”、元認知、與基礎(chǔ)實驗教學的關(guān)系

　　元認知(metacognition)是1976年美國心理學家J. H. Flavell在“Cognitive Development”中所提出;根據(jù)他的觀點，元認知就是個體在對自身認知過程考查的基礎(chǔ)上，進行自我反思和調(diào)控。元認知包括3方面內(nèi)容：(1) 元認知知識，即個體關(guān)于自己或他人認知活動的知識;(2) 元認知體驗，即個體的認知經(jīng)歷和體驗;(3) 元認知監(jiān)控，即個體在認知反思之中、或之后，對自身認知活動的監(jiān)控、評價和調(diào)節(jié)，以達到預(yù)設(shè)目標[18,19]。“元認知則是對認知的認知，即對該心智活動的計劃、監(jiān)控、反思以及根據(jù)解決問題的不同情境靈活機智地進行認知策略改組的心智活動[20]”。

　　如果我們把經(jīng)濟合作與發(fā)展組織(OECD)提出的“第四類知識”——Know-who——略作改動，換成“Know-myself”，可以使得我們的教學、教育理念在高等教育領(lǐng)域(尤其是本科生教育層次)變得更加完備而自洽。更進一步，是否可以再把“Know-myself”等同于粗略的“元認知”?目前為止，我們還沒有看到教育理論上作這樣的關(guān)聯(lián)和立論;但是，如果能夠這樣設(shè)想，我們就可以大膽地引申高等學校基礎(chǔ)化學實驗教學和教改的意義和方向。

　　例如，在確定基礎(chǔ)化學實驗教學本質(zhì)是“Know-how”的教學預(yù)期之上，當我們再把教學目標設(shè)定為誘導(dǎo)學生“Know-myself”，那么實驗教學本身的組織和改革就煥然一新：基礎(chǔ)實驗課程將圍繞 “解決方案”(而不是科學理論、知識點以及“技能樹”)展開;在指導(dǎo)學生利用自身學習能力以及反思和調(diào)控機制親歷問題解決的過程中，促使學生發(fā)現(xiàn)自己學習、認知、個體和社會行為等特點，并且及時反饋到實踐認知中去，進行實時調(diào)整，形成“實踐–認知–調(diào)整–再實踐”的循環(huán);在有限的時間和空間(包括實驗條件)中，最大程度地提升學生個體的元認知(元學習)能力和水平。從這個角度看，許多成熟、但是相對陳舊的基礎(chǔ)化學實驗，完全可以通過新的教學設(shè)計和教學方法獲得“脫胎換骨”的變化，成為指導(dǎo)學生“學會學習”的可靠而寶貴的資源;而基礎(chǔ)化學實驗教學改革的重要方向，完全可以借鑒元學習能力的培養(yǎng)模式，獲得理論和實踐方面的眾多參考[21]。

　　5 結(jié)語

　　站在更高一點的層次，如果將傳播“第三類知識”“第四類知識”以及“元認知”都納入實驗教學的設(shè)計理念范疇，那么我們就能夠清晰地看到基礎(chǔ)實驗課程不同于理論課程的重要特點：基礎(chǔ)實驗課程，是以“第三類和第四類知識”為載體、以提升“元認知”能力為目的、以教師和學生的個體特質(zhì)為基本單元、以自我實時調(diào)控和即時評價為特點的教學活動。正是從這個意義上講，實驗課程才具有“不可替代”的作用和地位，不必成為理論課程的附屬物。當然，將基礎(chǔ)化學實驗課程拔高到培養(yǎng)“創(chuàng)新人才”的地位也并不合適;真實而有價值的“創(chuàng)新”如何培育和發(fā)生，恐怕遠非我們這里的一點討論所能解決的問題。

　　如果這樣的思路和中心明確，那么我們就不會再糾結(jié)于基礎(chǔ)化學實驗改革是否應(yīng)該“趣味化” “綠色化”“特色化”“綜合化”“創(chuàng)新化”“高階化”等問題;這些因素和方向都可以嘗試，但是它們都不一定是最為本質(zhì)的、最有發(fā)展空間和余味的教學認知與實踐。