谷慧　张培盛　周秀林　陈述　向皞月

［摘 要］文章对分析化学实验传统单一线下教学面临的主要问题进行了分析，并提出了将STEM教育理念融入分析化学实验教学的改革措施。课题组精选和创作了丰富且较为全面的分析化学实验线上可视化教学资料，开展了线上线下混合式教学改革，建立了较为全面的过程性考核体系。该教学模式的实施结果表明，其大大提高了教师教、学生学的效率，增强了教学效果，可为其他高校开展分析化学实验教学改革及其他实验课程的教学改革提供借鉴。

［关键词］分析化学实验；STEM教育理念；教学改革；线上线下

［中图分类号］ G642 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 2095-3437（2023）20-0036-05

1986年，美国国家科学委员会于《尼尔报告》中提出STEM教育理念，旨在融合科学 （Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）和数学（Math） 4门学科的知识与方法，帮助学生将多学科知识融会贯通，增强学生解决问题的能力，使其成长为创新应用型人才[1]。经过30余年的发展，STEM教育理念已逐渐成为一种影响全球工程教育的理念[2]。2018年，《中国STEM教育2029创新行动计划》明确提出将STEM教育理念纳入国家战略发展政策，并在1000所学校中开展STEM教育实践探索，以期为国家培养一批面向未来的创新型人才。目前，我国的哈尔滨工业大学在这方面走在了前列，其与美国密歇根州立大学签署了战略框架协议并组建了STEM联合研究中心，以引进与整合国际优质教育资源，探索创新型人才培养模式。分析化学实验是化学相关专业必修的基础实践课程，以精准定量为核心要素，是帮助学生从定性思维过渡到定量思维的桥梁课程。因此，将STEM教育理念融入分析化学实验教学从而探索新的教学模式，对于人才培养从理论型向综合创新型转化具有重要意义。

一、问题的提出

分析化学实验的授課对象一般是大一大二学生，先修课程有无机化学实验、分析化学理论，后续课程有物理化学实验、有机化学实验等其他实验课程。先修课程的无机化学实验以定性实操为主，强调现象实验，因此部分学生对“量”的概念还停留在高中阶段。然而，我们生活在一个讲究“量”的物质世界中，生活中我们离不开“定量”，精准定量思维对于生产与研发来说至关重要。所以，让学生从原本的定性思维（或者说粗糙定量思维）转化为精准定量思维是分析化学实验教学的基本宗旨。

分析化学实验追求精准定量，对实验的细节要求非常苛刻。经过多年的教学实践，分析化学实验教学团队（以下简称本团队）发现传统实验教学[3]主要存在以下几方面问题：一是学生在不了解分析化学实验的器材和标准操作的前提下，仅通过单一的文字叙述式实验讲义进行实验预习，无法抓住实验的重难点，预习效果较差；二是传统单一的线下教学模式受时间、空间的限制，教师在一对多的实验教学场地中难以向每个学生精准展示实验的操作细节，学生也无法精准吸收，常常导致定量不准确的问题；三是学生在实验课堂上只是机械式地完成实验操作，缺乏与相关理论知识的联系，这容易导致学生只能粗糙地掌握实验技能，仅仅实现了最低层次教学目标的达成；四是分析化学实验课程教学评价形式单一，教师仅凭学生课堂实验操作情况及课后报告进行评价，学生与教师的反馈单边化。如何能够在有限的学时内最大限度地提高学生内化实验教学内容的效率，并迅速发生知识迁移上升为实验技能的发展，是目前分析化学实验课程要解决的最重要问题。

STEM教育理念具有跨学科性的特点[4]，分析化学实验教学培养学生将分析化学实验与其他相关学科知识相融合的能力，有助于学生建构关于“量”的知识体系；将STEM教育理念中情境性、体验性的教学设计[5]引入分析化学实验有助于学生形成“量”的科学思维，培养学生严谨和实事求是的科学态度；STEM教育理念提倡设计性教学[6]，在分析化学实验中引入设计性趣味实验，可以使学生掌握的基本实验技能向提升归纳、独立分析和解决问题的高阶性技能转化，大大增强学生的探索和开拓意识，促进他们创新能力的发展[7]。

二、基于STEM理念的分析化学实验教学改革措施

（一）精选和创作教学内容

1.拍摄教学视频，提供线上学习资源

分析化学实验内容一般以定量滴定为主，传统的教学模式中，学生只是机械地操作完成每个滴定实验，很难将不同课程中所学的知识与实验技能进行交叉融合、形成知识网络，这导致课程教学目标难以达成，且与人才培养需求严重脱节。以STEM教育理念的学科知识融合为导向，本团队拍摄了比较全面的分析化学实验线上课程教学视频并上传到智慧树平台（见图1），将教学内容可视化，使实验内容更生动、直观、形象。这些教学资源可供学生反复学习，使教学突破了时间和空间的限制，让学生在实验前吃透实验内容，大大提高了课堂教学效率。

本团队拍摄的实验内容共分为三个模块（见表1）。模块一主要包括分析化学实验的基本理论与技能，是学习该课程的基础；模块二主要为专题实验操作，每一个专题实验操作又包括理论讲解和实验操作解析，帮助学生实现从“以理论为主”到“理论实践一体化”的转变，并在此过程中形成严谨的工作作风和实事求是的科学研究态度；模块三是模块一和模块二的升华，贴近生活与生产，贯穿课堂教学与课余自主探究两条主线，重在培养学生的专业学习积极性及创新实践技能。经过三个模块的学习，学生将理论与实操融会贯通，形成“量”的知识体系与科学思维，具备应用性和实用性较强的实验技能。

2.结合专业背景，调整实验教学内容

STEM教育理念对于教学内容的设计以跨学科性为导向，根据学生的专业背景，从专业需求出发，精选教学内容，紧扣其他专业课程，从而满足多元化专业人才培养的目标。如湖南科技大学应用化学专业以电化学为专业特色，因此本课程增设了醋酸电位滴定及酸常数测定的仪器分析方法实验，该实验不仅能帮助学生巩固酸离解平衡的理论知识，还让学生了解到除了指示剂，还可以用电位来进行滴定分析。在该实验教学过程中，要将其与本专业电化学原理与电化学设备等核心课程相联系，使学生在实验的过程中形成电化学、分析化学的知识网络。基于该实验，后续又进一步增设了用电位滴定法测定食醋中醋酸的含量的创新应用实验，紧扣电化学专业特色；针对制药工程专业的学生，增设了钡盐中钡含量的测定实验，学生可将该实验的基本原理和技能运用到药物硫酸钡（Ⅱ）型混悬剂中钡含量的测定中。这些实验的开设既激发了学生学习本专业知识的热情，又提高了学生的探索与开拓能力。

（二）改革教学方法

1.开展线上线下混合式教学

实验教学采用传统的单一线下教学模式时，存在部分教师教不好、学生学不会的弊端。基于STEM教育理念，本团队多年来在分析化学实验教学中坚持开展线上线下混合式教学。我们将分析化学实验教学过程分为三个环节：课前、课中和课后（见图2）。课前，教师根据教学目标，发布线上教学资源（包括实验理论讲解、操作视频、注意事项、数据处理、课前小测验及知识拓展资料等）。通过开展线上线下混合式教学，教师可以灵活组织教学内容，突破传统课堂以教材定内容的弊端。同时，教师可以充分利用互联网资源辅助教学，教学资源更丰富，有利于学生多方面地理解教学内容，启发学生利用教学内容进行应用创新型实验设计。课中，教师根据每一个实验的特点，设计情境和问题并引入教学中，带动学生思考问题，激发学生学习热情，解析实验中的重难点，使学生快速掌握实验技能、完成实验操作并验证实验结果。开展线上线下混合式教学后，学生完成课堂实验的效率大大提高了。经过充分的预习，学生在分析化学实验课程中具有极大的自信心去与教师探讨应用创新型实验的相关问题。课堂上，教师与学生确定应用创新型实验的实施方案，评估实验中可能遇到的问题并分析其解决方法。课后，学生在教师的指导（线上远程指导或线下见面指导）下完成应用创新型实验，并形成完整的综合性实验报告，提交给指导教师进行评价。

2.完善评价机制，建立过程性考核体系

实验考核是保障实验教学效果的重要环节，具有引导作用。以往分析化学实验课程的考核主要由预习报告、课堂实验操作和课后实验报告三部分组成（见图3a），课程评价模式较为单一。而开展线上线下混合式教学后，线上平台能够为教师提供有效、双向、多循环的反馈平台，使过程性评价真正落地实行。在线上，教师重在考查学生对实验理论的掌握情况，其可循式印迹有利于教师及时掌握学生的学习状态与进度，增强师生双边交流反馈。在线下，教师不仅要考查学生对实验技能的掌握情况，还要着眼于对学生独立分析解决问题的能力和创新思维的培养。线上成绩占比60%，由课前签到（5%）、章节视频+课堂互动（20%）、作业及章节测试（20%）、线上期末考试（15%）组成；线下成绩占比40%，由课堂实验操作（15%）、应用创新型实验（20%）及实验报告（5%）组成（见图3b）。该考核方式注重多方面地进行过程性考核，考查学生对分析化学实验理论知识的内化、拓展、迁移及应用能力，侧重考核学生的高阶思维能力和综合素养。

三、基于STEM理念的分析化学实验教学效果

（一）以学生为中心，实现了课堂教学效果的显著增强

基于STEM教育理论，教师在教学活动中进行了详细的课堂教学设计，将情境和问题引入教学，在使学生保持适度学习紧张感的同时，锻炼学生的自主学习能力与实验技能。同时，制作线上可视化教学视频，利用互联网为学生提供多方面的教学资源，能使实验教学不再受空间和时间等客观因素的限制。该教学改革实施后，课堂教学效果有了明显增强，2019—2022年不同学期，化学、制药工程和应用化学专业参与线上线下混合式教学的学生的综合成绩相比于同时期同专业仅参与单一线下教学的学生的成绩整体得到了明显提升，低分阶段人数大幅度减少（见图4）。另外，在国家级及湖南省级竞赛中，学生所创作的与分析化学相关的科技作品水平明显提升，获奖次数显著增加，证实了学生综合能力大幅度提高这一成果。

（二）以评价促教学，教学效果得到了督导专家和学生的高度认可

督导专家认为分析化学实验课程采用线上线下混合式教学是针对单一式线下教学问题的重大改革，能大大提高学生的主动性、探索性和创新性，学校督导专家对其评价结果为优秀。同时，学生对课程教学改革给予了高度评价。通过回访学生我们发现，有的学生认为，以往开展实验课时，由于自己在聆听理论讲解时注意力不够集中，时有实验操作失败的情况发生；而采用启发式教学后，教师督促学生紧跟课堂节奏、让学生100%参与互动，学生知识内化的能力和效率明显提升。有的学生表示：“我在预习观看实验视频的时候，会针对自己感兴趣的知识查阅一些资料，把不懂的知识记下来，再在课堂上与老师一起讨论，这种教学模式给了我明确的学习方向。”这说明学生的学习主动性大大提高了。

四、结语与展望

结合STEM教育理念跨学科性、情境性和体验性较强的特点，本团队在分析化学实验教学中一改以往重知识教育轻科学思维养成、重灌输式教育轻自主学习创新、重理论教学轻实践培养的教学方式，开展线上线下混合式教学，并完善评价机制，建立过程性考核体系。经过三年的教学实践，本团队仔细对比分析了同时期同专业参与单一线下教学和线上线下混合式教学的学生的成绩及竞赛表现，发现以STEM教育理念为引领的分析化学实验课程教学使学生不仅能掌握分析化学实验技能，还能将技能转化为应用创新能力。相关经验可为其他高等院校开展分析化学实验课程教学改革及其他实验教学改革提供有益的参考。

随着国家科研成果的日新月异，分析化学实验课程的教学亦须与时俱进，课程改革也将常态化。本团队认为未来分析化学实验教学改革可从以下四个方面推进：一是结合国际学科研究前沿内容对分析化学线上线下教学内容进行及时更新，培养学生的创新思维；二是结合往届学生的学情与反馈，改进教学模式与教学过程，不断优化分析化学实验教学模式；三是将有益的经验推广到其他实验课程教学中，使学生深入掌握实验内容，升华形成紧实、密集的知识网络；四是实现“校校联合、校地联合、师师联合、师生联合”的资源共享。

［ 参 考 文 献 ］

［1］ 陈凯，夏晶，陈悦.《中国 STEM 教育白皮书》的文本挖掘[J].基础教育，2019，16（3）： 25-38.

［2］ 叶荔辉.基于STEM教育理念的PBL教学模式设计与实践研究[J].电化教育研究，2022，43（2）：95-101.

［3］ 汤宏胜，冯婷，张天龙，等.基于STEM教学理念的分析化学实验教学新模式探索：以“自来水硬度测定”为例［J］.大学化学，2022， 37（4）： 32-36.

［4］ 宋歌，王祖浩.国际科学教育中的跨学科素养：背景、定位与研究进展［J］.全球教育展望，2019，48（10） ：28-43.

［5］ 任蓉.基于STEM教育理念的工程管理专业本科教学研究［J］.河南财政税务高等专科学校学报，2022，36（2）： 88-90.

［6］ 季然，杨曉辉，李燊，等.STEM 教育理念的初中物理单元教学设计：以“浮力”为例［J］.赤峰学院学报（自然科学版），2022，38（3）： 98-102.

［7］ 党雪平，叶勇，文为，等.面向高阶思维培养的自主型实验教学模式的设计与实践［J］.化学教育（中英文），2022，43（10）： 74-79.

［责任编辑：刘凤华］