以设计为核心的学习模式在化学实验教学中的应用

苗 慧，刘 杰，杨 松，崔玉民，王 鑫，马克龙

（阜阳师范大学 化学与材料工程学院，安徽 阜阳 236037）

实验教学是高等教育教学体系的重要组成部分[1]。化学实验课程重在锻炼学生在教师提供的学习情境中对所学知识的综合运用与迁移，及实验过程中不断学习、思考和解决问题的能力。合适有效的教学方法可以增加学生的学习热情，培养学生的创新思维，锻炼学生的实验操作能力，还能促使学生将所学的专业知识、技能与生活相联系，用以解决现实生活中的实际问题。传统“以教师为中心，以课堂为中心”的实验教学使得学生过分依赖教师[2]，而自身很少主动参与探究，主动思考问题、发现问题的能力得不到较好的培养[3-6]。如果学生都是按照教师演示，跟着教师的“模板”被动学习，很少自主思考探讨，做实验时缺少交流与讨论，则发现问题、分析问题和解决问题能力培养目标难以达成，因此，多种有效的教学模式应用于实验教学被广泛研究[7-8]。设计型学习是一种基于项目的探究学习方法，学生通过反复探究的方式完成教师提出的设计型学习的挑战，来学习所需的知识与技能[9]。为更好达成化学实验在培养学生科学素养的目标，本文以有机药物提取实验为例，运用基于设计的学习模式（design-based learning模式），以学生为中心[10]，激发学生学习兴趣，优化实验过程，提高化学实验的教学效果[11]。

1 DBL在实验教学中的应用

DBL模式是基于建构主义理论和以问题解决为目的的探究型教学模式，以“发布任务—准备与实验—产出成果”三个阶段的学习为主线应用于实验教学[12-14]。DBL模式化学实验教学流程图如图1。教师辅助或引导实验教学，学生根据发布的任务明确实验目标、查阅文献，然后讨论设计实验方案、收集准备原料，最后制备产品并撰写报告进行交流展示。在此过程中学生自主对相关知识进行重新的整理深化，结合情境设计实验方案，并通过对方案的循环修改而不断思考与提高，最终落实实验任务并促成自身能力的提升。

图1 DBL模式化学实验教学流程图

1.1 任务

教师发布任务，鼓励学生主动参与实验设计与探究，学生跟着自己的思维模式去思考并学习。DBL模式中，任务应根据培养目标及学生知识水平提出，注重基于化学学科主题的整体设计，而不应只局限于局部[15]，学生在完成任务过程中起主导作用，注重对实际操作能力的锻炼，培养学生主动参与任务的积极性，有效提高教学效果。

1.2 准备与实验

任务发布后，学生分小组迅速分工准备与实验相关的内容。基于设计的学习模式在实验准备阶段给予学生较多的发挥空间，也是学生能力培养的重要阶段。

知识与实验工具的准备。学生学习并熟练使用各种渠道进行文献检索与查阅，自主学习掌握实验相关知识，并预测、分析、解决实验中可能出现的问题。教师开放实验室并提供可能用到的实验仪器，并对仪器进行管理与讲解；学生进行原材料的收集与制备。整个过程中，教师需要适量为学生提供设计任务案例等相关知识方面的支持。

实验方案的预设。教师根据学情发布实验任务，构建实验情景，给出多种可选择的实验建议方案的轮廓。学生结合自己的知识自主选择实验方案，自主设计实验任务并完成实验。在这个过程中，锻炼了学生自主思考能力，培养学生解决复杂状况的能力。学生准备过程中，教师只需提供适量的帮助和维持实验制度的管理，而学生则需要按照教师提供实验任务的目标，自主组成学习小组并合作交流探究完成学习任务。

合作与交流。强化小组合作交流的学习方式，在完成分组后，各小组迅速分配好组员的工作，并开始决定实验方向，讨论制定初步设计实验计划。在教师的指导下，各小组展示本组的实验方案与实验思路，提出设计任务时碰到的难题，通过小组讨论或听取其他小组的意见或建议解决。在学习过程中，提升学生团队合作的意识，能够分享交流自己的想法，加强学生的逻辑思维、解决问题以及语言表达能力。

评价反思与循环论证。DBL模式应用于实验课程教学的特点在于不会以设计出一次性任务方案为终点，而是在学生展示自己的实验设计成果后，在师-生、生-生之间展开交流与讨论，接受评价与指导，查阅文献解决具体问题，对实验设计加以完善之后进入多次循环再设计过程。这样不停循环论证以获得更加完善的方案。学生在不断思考与讨论，接受教师和组员的指导和评价，对自己的设计方案不断修改、完善的过程中有效的提升了创造性和批判性思维。学生可以充分的将书本上的知识运用到实践中，加深对已获得知识的理解和重构，从而激发出对实验课程的热情。

试验与操作。学生完成经过深度参与、精心准备的实验方案后，准备实验试剂与仪器，开展试验与操作，进一步熟悉实验流程，学习实验技能和方法，完成知识内化的同时，拓展各方面的能力。

1.3 成果

在DBL模式的实验教学任务完成后，学生通过探索得出满足任务要求的成果。各实验小组通过实验探究得到优化的有机药物芦丁提取试验路线，完成教师的课题任务。在实验过程中，学生通过自主学习、合作学习、探究学习等方式掌握了实验探究本领，学会了各种实验技巧，不再依靠教师提供的“模板”进行实验，掌握了学习的主动性，取得了好的学习效果。

2 基于DBL模式的实验项目

基于DBL模式应用于实验教学分为“发布任务—准备与实验—产出成果”三个主要阶段。基于DBL模式的实验流程如图2。首先由教师发布实验任务。本文以有机药物提取实验为具体任务，提出“寻找身边熟悉的植物并设计化学实验提取其主要成分”为学习课题，以一个开放性课题鼓励学生对周边事物进行观察思考，提升学生的探索兴趣，培养科学创新能力。学生通过对校园周边的观察，发现校园种植了许多槐树已经开花，在教师指导下，学生查阅文献获知槐花米中含有药物成分芦丁，以槐花米为原料进行提取药物芦丁实验。学生通过文献检索与学习，了解了提取芦丁的方法及影响收率的因素，进行了实验方案的设计，采集了校园周边的槐花米，并进行了芦丁提取实验探究，依据实验的结果，撰写了实验报告并进行了交流展示。整个模式以设计为核心，设计任务来源于实际生活，而完成这一任务的过程，便是将学生掌握的知识技能重新整合利用的过程。

基于教师提出“寻找身边熟悉的植物并设计化学实验提取其主要成分”为学习课题，学习小组通过查阅相关文献资料后决定以校园中生长的槐树为目标，以小组成员采集槐树上的新鲜槐花米为原材料，通过晒干处理得到实验所用材料。在教师的适当引导下，展示自己的实验思路，小组讨论实验方案的优缺点，吸取每个实验思路的优点，并通过多次互相讨论论证，明确实验方向和实验任务分配，最终确定各组实验的具体方案。

图2 基于DBL模式的实验流程

各小组依照实验方案进行实验，以不同影响因素为研究变量，对比不同条件下药物芦丁的产率及产物纯度，得到最佳实验路线，解决了最初提出的问题。基于DBL模式应用于化学实验，以“从槐花米中提取药物芦丁”课题为导向，学生在讨论制定详细的实验方案并将方案实施过程中，了解实验相关知识，并熟练掌握实验用到的各种仪器，并由实验成果确定了以槐花米为原料提取药物芦丁的最佳实验路线，达成了教学目标。

3 基于DBL模式的实验教学评价

基于DBL模式的实验教学，注重对学生解决实际问题能力的培养，以学习设计为核心教学目标[16]，让学生不断对所学知识进行梳理和构建，从而掌握新的知识与技能。在教学过程中培养学生的批判性思维、逻辑性思维和创造性思维，以及解决复杂问题的能力。在实验过程中，教师发布一些开放性课题任务来提升学生对实验课程的参与兴趣，鼓励学生大胆创新与尝试，学生在设计和完成课题的过程中，积累自主学习探究的能力。以学生为主体的实验探究过程中，学生居于主导地位，从而能够很好的培养学生的动手能力、发现问题和解决问题能力，以及团队合作、独立意识等优良品质。教学实践证明，这种以设置开放性问题为导向设计性实验，能够促进学生自主学习、交流探讨，结合实际确定实验材料、实验方法，深化对实验的认识，最终达到实验目标[17-19]。

4 小结

以有机药物分离提取实验项目为例，探讨了DBL在化学实验教学中的应用，提出了DBL模式应用于化学实验教学的详细流程。在以设计为核心的学习模式应用于分组实验教学中，学生能够了解如何从文献中获得自己需要的知识并将知识整理设计成实验方案，能够自主学习设计实验并在探究过程中占据主动性，能够学习掌握相关仪器操作、数据处理软件等实验仪器或工具的使用方法，能够积累从事科学研究的知识与经验，从而提高其科学素养和创新能力。