基礎化學實驗教學的新理念再議實驗教學之本質

　　摘要：最近20年以來，國內高校的本科基礎化學實驗教學從理念、內容、標準，到組織機構和評價方法，都經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化學實驗教學的本質和角色，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“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 發表時間：2021-04-13《大學化學》雜志，于1986年經國家新聞出版總署批準正式創刊，CN:11-1815/O6，本刊在國內外有廣泛的覆蓋面，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。當時國內大多數高校，仍以“四大化學”為基礎，組織本科生化學實驗教學[1]。

　　之后，國內高校開始陸續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提升和持續教學改革的進程;2010年，有文獻總結認為，經過10多年建設，高校普遍建立了“基礎實驗–中級實驗–綜合實驗–創新實驗–畢業論文” 的一體化教學模式[4]。

　　2009年，教育部啟動了“基礎學科拔尖學生培養試驗計劃”;在化學等5個學科領域先行試點，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，相關高校再次對實驗教學進行深入、細致的梳理和調整，發展出“基礎–綜合–研究”等類似的多層次教學設計[5]。

　　2016年，全國范圍內建成的化學與化工類實驗教學示范中心已經增至65個，使得化學實驗教學的改革更為系統化;并且出現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—開放創新實驗)，形成3種教學體系并存的局面[6]。

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

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

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

　　1 對化學實驗教學的認知現狀

　　教學理念的革新，具有提綱挈領的指導性地位和作用;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[2,10]。

　　改革開放之初，由于我國和發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，就使得課程設計的終極目標定位在“傳播知識”。因此，20年前的高校基礎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“理論聯系實際”[11–13]。

　　隨著國家級化學實驗示范中心的建設和發展，以及《高等學校化學類專業指導性專業規范》、《化學類專業本科教學質量國家標準》等文件的出臺，化學基礎實驗教學改革潮流逐漸從“知識導向型” 與“技能導向型”向“能力導向型”與“素質導向型”演變，而且目前仍處于這個轉變之中。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，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屬性的尊重，以及對“拔尖”和“創新”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、激發學生的學習興趣、促進創造性思維的發展、樹立科學思維方式等方面有獨特作用，而且對培養學生實事求是的辯證唯物觀和嚴肅認真的科學態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) 若教改步調急進(改革教學目標)，則傾向于得出實驗教學能夠培養“創新能力、創新意識、創新精神”的結論[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，簡單按照教學計劃執行即可，甚至學術大師、頂尖人才，以及“創新”本身也可以依靠制定教學計劃來實現。(2) 若教改步調緩和(改革教學內容和模式)，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發生過的認知一樣，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鍵鏈條：恰如其分的認識和評價，將引領改革走上快車道和超車道;而模糊、或者不恰當的定位，則使得改革進退維谷、困于囧途。

　　2 對基礎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展，到今天已經不太合適了。幸運地是，人類社會對知識本身的認知，隨著經濟和文化的進步也在不斷發生演進。

　　經濟合作與發展組織(OECD)在1996年提出的報告《以知識為基礎的經濟》里，曾經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驗的積累，通常受限于技術手段和經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建知識結構。因此，理論課的教學本質，就是以知識傳播、散布、包括再創造(可以更多地體現在研究生課程中)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的學習;尤其是低年級(特別是新生的基礎化學實驗課程)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R的測定”)。更恰當地說，基礎實驗教學是為了教會學生如何做事情的習慣、規范和方法，具有顯著的傳播“第三類知識”的特征。因此，基礎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，培養學生探索特定領域的方式和方法(這些應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基本技能的;它不是僅僅服務理論課教學而設立的輔助課程、驗證課程，也不是具有“全面功效”的科研預演。

　　3 對基礎化學實驗教學的新實踐

　　當剝離基礎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，實驗目的不能視為“得到準確的氣體常數R值”，因為該常數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。

　　實驗目的，即中心任務，就是“如何”準確地測定氣體常數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，可以提示學生：數值的精確程度，來自測量方法和數據處理兩部分;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，實驗任務就進一步解析為如何準確獲得原本誤差較大的數據，以及如何進行數據的運算和處理?在這個過程當中，需要哪些技術和能力進行支撐?繼續往下深化、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”為中心節點的實驗教學設計，具有“非標準化結構”和“個性化解決方案”的特征。因為每一次具體的實驗課程內容都不一樣，所以每次的“任務”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，實際上我們仍然延續了傳統實驗報告的寫作要求;此外，還要求每位學生另作一份新的“實驗導圖”。);因而，可以“逆向”推動學生積極地投入實驗操作和總結、反思，并改變他們對該實驗現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量而構造和設置的教學疑難、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，已經偏離了“相長”的理想航道;如果任其發展、不加甄別，則對于培養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，仔細校閱會發現，它只是原本實驗報告的翻版，沒有體現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構，給出了實驗方案-2 (圖2)：

　　(1) 中心任務明確：精確測定。 (2) 主要因素抓得很準：原始數據獲取以及數據處理。 (3) 能夠進行因素分析：根據測量的不確定性(或者精準程度)進行區分。 (4) 能夠針對具體因素給出對策：如何稱準質量以及如何測準體積。 (5) 注重規范：總結和歸納實驗細節以及實驗安全。 (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，進行了實驗目的和過程的重新組織和構建;并在一定范圍內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容和規范。通過此方案及相應的實驗報告，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”的教學質控，我們可以有理有據地給其以“優等”的評判。

　　粗鹽提純的實驗，曾經被大多數本科生教學實驗室所采用，現在通常被認為“陳舊”而“無趣”。但是，當我們轉換教學認知和實施新方法后，它再次煥發出光彩：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現，基礎化學實驗教學的本質，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都處于積累階段;因材施教的教學原則就決定了，不能把“創新”當作是指導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新精神。因此，有必要在國家和社會發展的新時代，重新審視前20年教學改革的發展方向和所獲成果;在我們之前容易忽視和認識不清的環節(特別是面向低年級學生的基礎實驗教學)，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的上一輪改革實踐的教學對象，實際上既包括化學專業，也覆蓋了更多化學相關專業的學生(例如醫學院新生)。因此，從傳播“第三類知識”的教學理念出發，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(通用素養和一般解決方案)，還要兼顧該班級的專業，甚至是職業特質;尤其是對化學相關專業的學生，可以培養職業特質為主要目的，而以培養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學院本科新生班級“化學實驗基礎”課程為例，他們是未來的職業醫師;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，也不宜在某些環節作刻板的嚴格要求。需要針對他們未來職業特質的需求來進行教學塑造和培養，包括以下幾方面：(1) 細心、大膽、手眼配合;(2) 標準化操作;(3) 數據處理;(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，在課程結束時獲得了學生非常好的評價(數據略)。

　　4 “第四類知識”、元認知、與基礎實驗教學的關系

　　元認知(metacognition)是1976年美國心理學家J. H. Flavell在“Cognitive Development”中所提出;根據他的觀點，元認知就是個體在對自身認知過程考查的基礎上，進行自我反思和調控。元認知包括3方面內容：(1) 元認知知識，即個體關于自己或他人認知活動的知識;(2) 元認知體驗，即個體的認知經歷和體驗;(3) 元認知監控，即個體在認知反思之中、或之后，對自身認知活動的監控、評價和調節，以達到預設目標[18,19]。“元認知則是對認知的認知，即對該心智活動的計劃、監控、反思以及根據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]”。

　　如果我們把經濟合作與發展組織(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聯和立論;但是，如果能夠這樣設想，我們就可以大膽地引申高等學校基礎化學實驗教學和教改的意義和方向。

　　例如，在確定基礎化學實驗教學本質是“Know-how”的教學預期之上，當我們再把教學目標設定為誘導學生“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;在指導學生利用自身學習能力以及反思和調控機制親歷問題解決的過程中，促使學生發現自己學習、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，進行實時調整，形成“實踐–認知–調整–再實踐”的循環;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化學實驗，完全可以通過新的教學設計和教學方法獲得“脫胎換骨”的變化，成為指導學生“學會學習”的可靠而寶貴的資源;而基礎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模式，獲得理論和實踐方面的眾多參考[21]。

　　5 結語

　　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計理念范疇，那么我們就能夠清晰地看到基礎實驗課程不同于理論課程的重要特點：基礎實驗課程，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為基本單元、以自我實時調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，將基礎化學實驗課程拔高到培養“創新人才”的地位也并不合適;真實而有價值的“創新”如何培育和發生，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于基礎化學實驗改革是否應該“趣味化” “綠色化”“特色化”“綜合化”“創新化”“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的、最有發展空間和余味的教學認知與實踐。