开放性实验在无机化学教学改革中的探索和实践

摘要开放性教学以人本主义教学理念为指导思想，强调以人的发展为本。在开放性教学模式下，教师应更加注意学生的个人知识探索，引导学生从多种角度思考问题、考虑不同的可能性，促进学生思维的散发，提高教学的效率和质量。无机化学实验教学随着教学改革的深入研究也进入了探索阶段，但仍存在许多问题。结合无机化学实验的特点以及化学教学中的地位和作用，可以从教学内容和教学环节入手，实施开放性无机化学实验教学，正确处理认知与实践之间的关系，促进学生取得良好的学习效果。关键词：开放性实验；无机化学；教学改革；实践AbstractTheteachingideaofhumanismistheguidingideologyofopenteaching.Itemphasizespeople-orienteddevelopment.Teachersshouldpaymoreattentiontotheexplorationofstudents'personalknowledgeintheopenteachingmode,andguidestudentsthinkaboutproblemsfromdifferentangelsandconsiderdifferentpossibilities.Whichcanpromotethedisseminationofstudents'thinkingandimprovetheefficiencyandqualityofteaching.Withthein-depthstudyofteachingreformtheteachingofinorganicchemistryexperimenthasalsoenteredtheangel,buttherearestillmanyproblems.Combiningthecharacteristicsofinorganicchemistryexperimentsandthestatusandroleinchemistryteaching,wecanstartwiththeteachingcontentandteachinglinkstoimplementopeninorganicchemistryexperimentteaching.Whichcancorrectlyhandletherelationshipbetweencognitionandpractice,andpromotestudentstoachievegoodlearningresults.Keywords:openexperiment;inorganicchemistry;teachingreform;practice 目录TOC\o"1-3"\h\u1引言 开放性实验在无机化学教学改革中的探索和实践1引言1.1研究背景应试教育大潮流下，无机化学教学多以理论教学为主，而忽视了实验教学。从当前的教学观点来看，教学模型需要不断完善。学校不仅是教育的场所，学生不仅应具有扎实的理论知识，而且还应具有分析和解决问题的能力，以适应当今激烈的竞争环境。实验是无机化学的重要组成部分，许多理论和定义都是从实验中获得的，并且实验的研究和测试能够决定化学理论能否应用。化学实验的有效进行能够帮助学生掌握化学知识，练习他们的实验操作技能以及发展发现和解决问题的能力。当前，高等教育改革的重点是要强化实践教学环节，传统的验证性实验作为无机化学实验教学的主要模式，主要采取由学生自主预习实验­教师讲解实验要点-教师示范实验操作的流程，引导学生掌握必备的实验技能，实现理论与实践的结合[1]。这种照猫画虎的被动模式限制了学生的想象力和创造能力，不利于学生各种能力的发展。另一方面，学生对无机化学实验课不够重视。一部分学生认为中学时已经学习过了无机化学实验，里面的内容大部分都已经掌握了，对于这么简单而又重复的内容不需要再重复学习，还认为实验课只是对理论课一个辅助，考试时又不会考实验实操，因此在进行实验时，只是纯粹的按照书上所说进行，一步一个指令，完全没有自己动脑思考，实验做完就马上遗忘了，不能很好地掌握实验技能，难以达到教学大纲中对无机化学的要求。对于部分农村学校来说，由于教学条件有限，实验时学生进行动手操作的机会不是特别多[2]。在大学的无机化学实验课中，学生需要亲自动手完成实验，并且独立撰写实验报告，有些学生一时难以适应这种模式，增加了实验教学的难度。此外，由于缺乏明确的学习目标，对化学实验课缺乏主动性与积极性，导致大部分学生缺乏学习的热情，对各门课程的成绩只是满足于及格的程度，应付实验、抄袭实验的情况层出不穷[3]。针对上述存在的问题，必须对无机化学实验教学进行改革，改集中式实验教学为开放性实验教学，不仅能补充课内教学，还能充分发挥学生积极性和创造性。1.2研究现状基于人本主义教学理念的开放性实验因其能够帮助学生自主学习、培养学生创新能力、调动学生学习积极性，成为近年来研究实验教学改革的热点。明尼苏达大学机械工程系的项目设计课程通过提供专业的练习机会，让学生在体验开放性设计的过程中完成新产品的研发。这个过程中所有的方案设计和产品研发都由学生自主完成，项目指导老师仅针对学生提出的问题以及设计中的不足作出指导，并不直接提供详细的解决方案，使学生发现问题和解决问题的能力得到很好的锻炼。日本高校注重学生实践能力和创新能力的培养，实验教学多为设计性、综合性的实验。此外，日本大学还进行了实验室和实验时间的开放，基础实验室面向所有专业的学生开放，在课外时间学生能根据自己的安排自主选择实验时间；专业实验室面向本专业高年级学生、研究生和教师完全开放，不限制实验时间。随着改革开放的进行，开放式实验的探索在我国逐渐展开。1979年黄嘉瑜教授首次提出在高校实验教学中开展“开放实验”的倡议。1994年，中山大学生命科学院的王金发教授开始探索“开放式”的实验教学模式，随后又创立了“开放式、研究性”的实验教学模式。西安电子科技大学的电工电子实验中心为了培养学生的基本自主学习能力和基本工程素养，把开放式教学作为实验教学的重点，实行“分层培养、启发创新”的教学思路。1.3研究意义本文对传统的实验教学模式进行改革，注重学生个性发展，以突出学生实践能力、促进学生知识、能力、素质及创新意识发展为目标，提高学生解决实际问题的能力，并且开放性实验将实验室、实验内容面向学生全面开放，促使学生的综合素质和创新意识得到发展，让学生在亲自参与实验的过程中感受实验的乐趣;改变了学生的学习方式，学生在开放性实验中由被动学习变为我要学、我会学，从而培养学生自主学习的能力。开放性实验教学由学生自主选择实验项目和实验时间，实验方案的设计、实验的操作、药品的用量等等也均由学生独立完成，教师在整个过程中只是起到一个辅助作用，对学生的要求提高了，从而实现教学观念和学风的转变。此外，在开放性实验中，教师由原来的教学主体转变为课堂教学的引导者、组织者、调控者，由单一的只关注实验结果转变为全方位关注学生的全面发展、能力的培养、学习过程的评价等等。最近几年，高校对开放性实验教学的探索和实践逐渐深入，也取得了一些进展，但对高中阶段的开放性无机化学实验的探索还少有涉及，仍存在一些问题尚待解决。本文将采用文献分析法和理论分析法对高中阶段的无机化学实验教学现状进行分析，积极探索开放性实验在无机化学教学中的应用，希望以此为参考，促进无机化学实验教学的发展。2开放性实验的概述2.1开放性实验的定义开放性实验把学生作为教学过程的主体，是由学生自主确定实验项目，学生根据自己所选择的实验项目查阅参考文献，设计出合理可行的实验方案，教师对学生提出的问题以及设计的实验方案作出回答和指导的一种实验方法。开放性实验要求学校开放实验时间、开放化学实验室，让学生自由选择实验时间，为学生搭建实验探究的平台。教师和学生应在传统实验探究的基础上深入研究，寻求新的实验方法、制作新的实验器材，从而对实验进行创新并将其在实验室中呈现出来，让学生能够亲自动手进行实验探究[4]。2.2开放性实验的特点高中实验通常可以分为以下几种：教材中的新课引入实验，传统的演示实验和学生分组实验，以及各种试题中出现的创新实验等等。而开放性实验的基本内容可以是以教材为基础的创新性实验，以试题为基础的综合性实验，还可以是为探究生活中的有趣现象而设计的趣味性实验。这些实验都是在传统的实验基础上进行的改革和创新，有别于传统的实验，因此要求教师制作出新的实验器材并配以相应的实验说明[5]。(1)教师所制作的实验模型是为学生创设特定的情境，学生在实验说明的指导下自主进行实验，独立完成实验操作，对于学生在实验过程中遇到的问题，教师应给予适当的指导，引导学生自主找出问题所在，从而解决问题。整个实验以学生的行为为主体，教师只是作为一个辅助，切勿颠倒主次；在发现问题、解决问题的过程中开放学生的思维、培养学生的能力。(2)制作好的实验模型既要适用于学生课堂使用，又要适用于学生在开放性实验室中使用，从而使实验探究实现课内和课外的有机结合，不仅能实现空间上的开放，还能实现时间上的开放。(3)在开放性实验中，学生进行实验探究时如果产生新的想法可以随时与教师交流，在交流的过程中优化实验设计，甚至可以重新设计新的实验进行探究等等。这个过程不仅能开放学生的想象力和创造性，还能培养学生分析问题和解决问题的能力。(4)开放实验室实行开放式管理，在课余时间开放，学生可以自主选择实验时间，有利于学生的自主探究。2.3开放性实验的优点2.3.1突出了学生的主体地位，激发了学生的学习兴趣高中实验由于时间有限，教师为了提高实验效率多以教师演示，学生模仿的模式开展实验教学。开放性实验与传统的集中式实验教学模式最大的不同在于传统的实验教学通常以教师活动为主体，而开放性实验则把学生作为实验的主体，教师引导和指导只是作为一个辅助，在开放的实验过程中培养创新能力和综合能力。在开放性实验中，学生能从自己的兴趣出发，结合理论知识选择自己感兴趣的、符合能力范围的实验课题，最大程度的发挥了每个学生的优势，让所有学生的才华都得以展现，从而选拔出精通某个领域的学生参与到更高层次的科研活动中去；同时，开放性实验打破了集中式实验教学中学生只能被动选择教师所提供的实验指导书上所规定的实验项目的固有模式，实现了实验项目的开放。开放性实验教学以学生为中心，鼓励学生积极思考，提出质疑，并给出建设性的指导，让学生发现问题和解决问题的能力得到锻炼。开展开放性实验后，学生不仅能设计实验方案、独立进行实验操作，更重要的是能够自主查阅文献资料，主动去学习，在实验的过程中学生主动获取知识突出了学生在实验、实践过程中的主体性。2.3.2实现实验资源的充分利用传统的无机实验一般在实验课上进行，课外闲置时间多，且上课高峰时存在排课冲突，导致实验时间利用率低[6],开放性实验则可以结合实验室课程安排时间表和自己的实验进度安排，由学生本人自由选择合适的时间，合理有效地利用好实验时间。另一方面，传统的无机化学实验只能选择教师所提供的实验指导书上所规定的实验项目，选用的实验方法和实验仪器是固定的、单一的，导致实验仪器使用率和折旧率存在显著差异。而开放性实验教学能够灵活和自由的根据自己的实验项目选择所需的实验仪器，不仅提高了仪器使用率，还能减轻实验人员的工作量，实现实验资源的充分利用。3无机化学实验教学的不足3.1实验课程内容方面实验课程内容中理论与实验脱节，存在重视实验技术教学，实验内容枯燥，强调实验现象却忽视实验安全及对环境的影响等问题。学生对无机化学实验课不够重视，在实验的过程中，不肯动脑思考，甚至不预习、看不懂实验内容，仓促地完成实验，没有尝试创新，难以达到教学大纲中对无机化学实验课的要求。部分学生高中时期受教学条件的限制，实验动手操作的机会较少，普遍操作水平较低，基础实验知识薄弱，短时间内难以适应大学实验中靠自己动手独立完成实验的要求，给实验课教学带来了一定的困难[7]。部分学生缺乏规范的实验操作和严谨的实验态度，实验中容易发生安全事故，不能很好地达到培养实验能力的目的。3.2实验课程教学方面在实验过程中，教师容易出现一些错误倾向。教学方法单一，仅侧重于基本的实验操作技能，鄙视学科素养培训、现代信息技术和媒体的作用，落后的教学方法以及不完善的实验评估系统。学校把课程内容作为实验教学的基本依据，实验课程的学生也严格按照实验教科书的步骤按部就班地进行测试和验证，实验的整个过程缺乏实验方法的设计，发散的思维，创新的思维和个性化的实验教学。实验课落后于科学技术的发展和时代要求[8]，单一验证实验教学导致实验教学水平难以提高，在单一验证性实验中，学生对实验教学提不起兴趣，导致教学目标难以实现、学生的创新能力也无法得到发展。此外，实验报告的好坏直接决定了学生的实验成绩的高低，这种单一的方式无法全面综合的评价学生对实验的掌握程度，不能很好地反映出学生在实验过程中的实践能力，观察能力和创新能力。因此，学生很难提高他们对实验学习的兴趣和热情，并且在当前的实验教学评估中很难反映出学生通过实验表现出的操作能力，科学研究能力和创新能力。4无机化学教学中实施开放性实验的方法4.1培养兴趣，让学生参与到实验探究的过程中萨其曼认为，好奇的倾向和强烈的探索精神是人类与生俱来的一种本能反应，在遇到问题就会有想要去解决的想法，这就会促使他们去摸索怎样才能解决问题的方法[9]。探究的欲望是推动学生进行研究活动的内部动因，培养兴趣能带动更多学生主动参与到实验探究中去，因此，培养兴趣有利于开放性实验的开展。萨其曼的观点对探究式教学提出了三个要求：(1)必须要有能够引起学生注意的焦点，最好是能够充分调动起学生积极性的焦点；(2)要允许学生在探究中有不同之处；(3)创设出能够激发学生思考的情境。因此，在开展开放性实验时，教师可以从日常生活中的趣味小实验入手，引导学生对这些有趣的现象背后所蕴藏的化学知识进行深入的研究，比如在学习金属钠的化学性质实验时，由“滴水点灯”趣味小实验引入，引起学生的注意焦点，学生在注意的引导下自然会思考金属钠具有什么性质，教师可引导学生在查阅资料的基础上独立设计不同形式的实验对金属钠的性质进行探索，由于每个学生设计的实验方案不尽相同，学生迫切地想要知道自己设计的实验会产生哪些现象，自然会产生想要参与实验的想法。再比如，在进行铁离子的检验实验时，学生已经掌握了往铁离子中加入硫氰化钾会使溶液变为血红色的理论知识，反应的化学方程式为:FeCl3+3KSCN=3KCl+Fe(SCN)3实验前，教师可先为学生表演“隐形墨水”小魔术：用硫氰化钾溶液作墨水在白纸上写字后晾干，用三氯化铁溶液喷雾显色，可呈现红色字迹，为学生创设了实验的情境，学生在此基础上进行联想，设计了“道士斩鬼”的实验：将纸人浸泡在硫氰化钾溶液中，取出干燥后，用沾有三氯化铁溶液的小木剑斩之，小木剑上会有鲜血流出。如此有趣的实验探究一定会给学生留下深刻的印象，并促使学生参与到实验探究中来。4.2创新教学方式，培养学生探究能力无机化学开放实验的发展不仅需要教师自身的努力，而且还需要学生的积极配合。因此，教师应逐步引导学生进行日常教学，使学生养成爱学习和探索的习惯。例如，当学生学习化学反应图像时，老师以图像和图形的形式直观地向学生显示化学反应图像的特征，把抽象的内容具体化为简单直观的实物，以便学生从图表中获取信息，处理并应用相关信息，并能够在图像和图表的数学和化学含义之间实现相应的转换[10]。教师应该多鼓励学生动手做实验，在动手实验的过程中感受实验带来的乐趣。教师应考虑学生的个体差异，妥善组织教科书的内容，制定合理有效的解决方案，从学生的实际出发，不要盲目地进行统一的教育。教师可以根据学生的认知能力状况，组成学习小组，使认知程度高的学生能够带动学习程度低的学生，从而取得较好的教学效果。在每个课程实验结束后，教师应让学生总结相关的问题和知识点，以进一步加深学生对本课关键内容的理解。5开放性实验在无机化学教学改革的应用实践5.1结合地方特色优化实验内容改变传统的验证实验，消除过时的实验内容，增加综合性，研究性并鼓励创新性实验，将单个实验设计为多个实验的联合实验，并增加内容的连续性。规范基础技能训练实验，增加实验室开放性，通过学生的创新创业精神调动学生的实验热情，培养学生的独立思考能力和创新能力，充分体现学生的主导地位，也有助于挖掘学生的潜力。其次，增设网络实验教学模块，对实验室无法开展的实验项目进行线上讲解和线上实验，解决有限的实验室条件对实验开设的限制。此外，进行小型化实验，开发模拟实验和其他方法以实现无机化学实验的绿色化。例如，在Ag+、Ba2+、Fe3+、Cu2+等离子的检验实验中，实验可以在点滴板中进行，大大节约了实验药品；在沉淀溶解部分的实验中，在不影响实验结果的前提下，可以用无毒的Ca(NO3)2和K2CO3反应代替Pb(NO3)2和KI反应，减少实验对环境的污染，实现无机化学实验的绿色化。结合地方特点，增加设计和实用的产品制备实验，对实验产品进行回收利用，取得了良好的效果。减少环境污染使学生能够树立绿色化学的概念，并增强了学生的实验成就感和对节能减排的责任感。5.2营造开放的教学与学习氛围在各个领域都取得了成就的优秀学术研究人员通常具有宝贵的自律素质和不懈的探索。这与他们自己的个性和知识基础有关,同时，也与他们所处的环境密切相关。在一个学习氛围浓郁，注重独立研究的氛围中，自然可以激发人们的主观能动性创造性，因此，营造开放的教学与学习氛围也是开展开放性无机化学教学的一大重点。“不称职的教师强迫学生接受真知，优秀的教师则教学生主动寻求真知。”营造开放的教学与学习氛围，首先要求教师改变灌输式的实验教学方式，要把教学的主场交给学生，以学生为师，实验课上让每个学生都能上台进行实验讲解。由于每个学生的知识掌握程度、思维方式和实验技能等方面存在差异，必然会导致每个学生所采取的实验方案不尽相同，针对不同的实验方案，教师可引导学生对其进行讨论、比较，让学生在讨论中得出最优的实验方案。例如，在鉴别二氧化硫气体中是否混有二氧化碳气体时，学生设计的实验方案如下：方案1：将混合气体依次通入品红溶液→酸性高锰酸钾溶液(或溴水)→品红溶液→澄清石灰水；方案2：将混合气体依次通入酸性高锰酸钾溶液→澄清石灰水；方案3：将混合气体依次通入品红溶液→澄清石灰水。由学生上台讲解了3种鉴别二氧化碳和二氧化硫混合气体的方法，学生后续通过讨论、比较，把方案1确立为最终的实验方案，在讨论的过程中引导学生主动寻求真知。当然，在实验教学的过程中融入化学史的内容也是营造开放的教学与学习氛围的一大重点。为了开放学生的自我探索精神，教师在实验教学中可以对实验的背景，包括科学家首次进行该实验的时间，实验中遇到的困难以及科学家是如何克服困难完成实验的，以及未来是否有其他科学家尝试过不同的可能性，是否得出不同的结论和结果，以及无机化学领域的一些学者不懈努力的鼓舞人心的故事进行指导，让学生在了解化学史的过程中，端正学习态度和受到方法论的启发。在实验教学中融入化学史的内容，可以为实验教学创设开放的教学情境，学生在这个过程中可以主动和被动地参与学习和研究过程，不再受限于前人的思想以及现有的结论。5.3利用现代化的技术挖掘开放性教学资源信息化趋势下，无机化学实验教学还需开发线上教学资源。网络教学，计算机辅助实验教学，微型课堂视频，虚拟实验室和网络组是当前线上教学过程中主要的实验教学资源和教学形式，并且具有开放性。网络平台和信息资源的使用可以促进学生的理解并扩大学习和研究的范围，包括时间，空间和内容等等，如运用计算机辅助实验教学，对性质类实验、制备性实验、验证性实验、常规操作类实验等先进行线上的虚拟实验教学，让学生在正式实验之前就能熟悉实验操作，提高实验效率；运用虚拟实验室进行开放性实验教学，则可以用游戏的方式让学生进行实验操作，吸引学生主动参与实验，同时，对于一些实验室中无法进行的实验，可以在虚拟实验室中进行，这样不仅可以缓解实验设备不足的情况，还能让学生在正式实验之前熟悉实验操作，提高实验效率。比如在氯气、二氧化硫、硝酸的有毒物质的制备实验中，学生在制备这些有毒物质时虽然是在通风橱中进行的，但产生的有毒物质依旧能通过通风橱进入空气中，污染环境。因此，这类有毒物质的制备实验可以采取计算机辅助实验教学或虚拟实验室进行，不仅能让学生掌握实验操作，还不会对环境造成污染。结合现代化技术开发新的教学资源是当前时代背景下不容忽视的优势，因此必须充分重视和合理应用它，以保证教学成果。5.4建立开放的实验评价体系学校把实验报告作为评价实验教学课程的唯一标准，实验报告的好坏直接决定了学生的实验成绩的高低，这种单一的方式无法全面综合的评价学生对实验的掌握程度，不能很好地反映出学生在实验过程中的实践能力，观察能力和创新能力。因此，学生很难提高他们对实验学习的兴趣和热情，并且在当前的实验教学评估中很难反映出学生通过实验表现出的操作能力、科学研究能力和创新能力。孙林等人建立了开放性实验教学的二维评价体系，对学生实验进行了全方位、多角度的评价，更好的反映出学生的操作能力和创新能力。结合二维评价体系的内容，在无机化学开放性实验中开放实验评价体系，加强对开放性实验过程的评价。在开放性实验中，不采用传统的教师直接指定实验项目的方式，而是由学生自由选取自己感兴趣的实验项目、与化学应用相结合的实验项目、与日常生活息息相关的趣味实验项目、与科技前沿紧密相关的实验项目以及具有创新性的课本实验项目进行实验。在学生选好实验项目的基础上，可以从学生实验方案设计是否合理可行、是否具有创新性内容，实验步骤顺序是否得当、实验操作是否正确、实验数据是否记录清晰、面对实验时出现的问题时是否能独立处理以及实验报告的好坏等方面对学生的实验进行实验小组成员互评、实验指导教师评价相结合的综合性评价，并把无机化学实验课程考核的评价分为创新性评价和综合性评价。其中创新性评价主要用于评价学生的实验方案是否有创新，创新性评价约占总评价的10%；综合性评价则包括实验小组成员互评和实验指导老师评价，分别占总评价的20%和70%。具体计算公式如下：总评价＝创新性评价×10%＋实验小组成员评价×20%＋实验指导老师评价×70%

6结论开放性教学理念广泛应用于当前教学领域。开放性实验教学作为无机化学教学改革的重点，有其独特的优势和开展的必要性。为了实现开放性无机化学实验教学的目标，本文考虑了当前实验教学模式中存在的问题并对开放性实验在无机化学教学中的应用进行探索，希望以此为参考，促进开放性实验在无机化学教学的发展。此外，开放性实验对实验时间和空间进行了开放，让学生能自由选择实验时间进行实验。在这个实验过程中，教师无法到实验室进行指导，因此，在开放性实验中，还需要加强对实验室的建设和安全管理，这将成为今后无机化学开放性实验教学改革的一个方向，需要对其进行深入的探索和实践。

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