基础化学实验教学的新理念再议实验教学之本质

　　摘要：最近20年以来，国内高校的本科基础化学实验教学从理念、内容、标准，到组织机构和评价方法，都经历了一系列变化和改革。立足于新的历史机遇和时代，有必要深刻理解和厘清本科阶段基础化学实验教学的本质和角色，既不轻视和简慢其地位、也不夸大和拔高其效用;须还基础实验教学以其本来面目，着重深挖其在传播“第三类知识”(Know-how) 以及培养“元认知”能力当中的不可替代作用，才能在化学实验教学改革大潮中不懈怠、不迷惘。

　　本文源自芦昌盛; 王凤彬; 刘斌; 田笑丛; 马海凤， 大学化学 发表时间：2021-04-13《大学化学》杂志，于1986年经国家新闻出版总署批准正式创刊，CN:11-1815/O6，本刊在国内外有广泛的覆盖面，题材新颖，信息量大、时效性强的特点，其中主要栏目有：化学实验、师生笔谈、自学之友等。

　　关键词：实验教学;第三类知识;元认知;教学理念;教学改革

　　1999年，国家化学学科教学指导委员会就化学教学改革召开会议，认为“实验教学改革”等方面问题迫切需要解决和推进。当时国内大多数高校，仍以“四大化学”为基础，组织本科生化学实验教学[1]。

　　之后，国内高校开始陆续探索新的实验教学模式[2,3]。2005年，教育部启动了国家级实验教学示范中心的评审，有力推动了各实验教学中心不断建设提升和持续教学改革的进程;2010年，有文献总结认为，经过10多年建设，高校普遍建立了“基础实验–中级实验–综合实验–创新实验–毕业论文” 的一体化教学模式[4]。

　　2009年，教育部启动了“基础学科拔尖学生培养试验计划”;在化学等5个学科领域先行试点，并率先在清华大学、北京大学、南京大学等11所重点高校实施(后拓展至18所)。面对国家的新要求，相关高校再次对实验教学进行深入、细致的梳理和调整，发展出“基础–综合–研究”等类似的多层次教学设计[5]。

　　2016年，全国范围内建成的化学与化工类实验教学示范中心已经增至65个，使得化学实验教学的改革更为系统化;并且出现了打破化学二级学科界限的新“一体化体系”(基本操作–合成方法– 综合实验—开放创新实验)，形成3种教学体系并存的局面[6]。

　　2017年，教育部发布《化学类专业化学实验教学建议内容》(后文简称“建议内容”) [7]，希望进一步推进实验教学理念的改革、内容更新和体系重构。在对该《建议内容》的解读文献中，将实验教学目标调整为：通过实验教学，使学生掌握化学实验的基础知识、基本理论和基本技能，并在此基础上培养学生具有动手能力、科学素养、综合解决复杂问题的能力和创新能力[8]。

　　回顾20多年来的改革历程可以看到，实验教学在理念、内容、组织、质量评价、体系设计等方面都获得了长足的进步，并且写进了《化学类专业本科教学质量国家标准》[9]。

　　但是，十九大给高等教育和高校提出了新挑战，也促进了我们对化学实验教学改革的深层次思考，即基础实验教学的本质是什么?

　　1 对化学实验教学的认知现状

　　教学理念的革新，具有提纲挈领的指导性地位和作用;化学实验课程体系与教学模式的改革，同样以教育认知和思想观念为先导[2,10]。

　　改革开放之初，由于我国和发达国家在自然科学体系方面的整体差距巨大，“知识就是力量”成为随后40年最深入人心的大众口号和教育理念;反映在高校教学体系当中，就使得课程设计的终极目标定位在“传播知识”。因此，20年前的高校基础化学实验教学的开展，便是按照“四大化学”这样的知识理论体系来认知和组织。

　　在此前提下，基础化学实验课程被视作对化学基本理论和知识体系的“验证”和“补充”，或是其“附属”，教学目标被解读为“巩固化学理论”和“理论联系实际”[11–13]。

　　随着国家级化学实验示范中心的建设和发展，以及《高等学校化学类专业指导性专业规范》、《化学类专业本科教学质量国家标准》等文件的出台，化学基础实验教学改革潮流逐渐从“知识导向型” 与“技能导向型”向“能力导向型”与“素质导向型”演变，而且目前仍处于这个转变之中。从教育认知来看，这是对“传播知识”之外的其他目标因素的重要认知改进;不过，由于缺乏对“知识” 本身以及化学实验教学本质的深入思考和透彻认知，实验课程本身往往处在“身不由己”的尴尬境地。

　　一方面，有的时候、以及在某些场合，实验教学的地位和作用被笼统地称为“不言而喻”和“无法替代”[14];但因不能准确认知、描述和定位其实质与功能，化学实验始终扮演化学理论的依附角色，而且事实上也大范围、不间断地在学生那里(广义上也包括教师、学科专业，以及高校层次)“遇冷”[15]。因此，许多教学研讨和教改思路的落脚点，放在了化学实验教学的“趣味化”“生活化”“综合化”“地域化”“特色化”等形形色色方面[13,14]。

　　另一方面，出于对化学学科基础属性的尊重，以及对“拔尖”和“创新”等概念的追捧，化学实验课程又往往被过高评估，认为“不仅在培养学生的实际动手操作能力、运用理论知识解决实际问题的能力、授予学生知识和技能、激发学生的学习兴趣、促进创造性思维的发展、树立科学思维方式等方面有独特作用，而且对培养学生实事求是的辩证唯物观和严肃认真的科学态度及训练科学方法等方面也具有重要意义。”;简言之，就是几乎无所不能[6,14]。这样，就造成了无法客观评价实验教学质量的自我困境，使实验教学改革脱离本源、渐行渐远：(1) 若教改步调急进(改革教学目标)，则倾向于得出实验教学能够培养“创新能力、创新意识、创新精神”的结论[12];但若果真如此，“拔尖计划”等项目就不需要费心费力地建设，简单按照教学计划执行即可，甚至学术大师、顶尖人才，以及“创新”本身也可以依靠制定教学计划来实现。(2) 若教改步调缓和(改革教学内容和模式)，则有可能落脚在提升实验层次、尽早与科研接轨的做法上;如同在理论课程教学上曾经发生过的认知一样，有些教学单位简单地把课程下压(例如，把研究生的培养模式下行至本科阶段，或者把本科生高年级的课程填入低年级学期等等)，并将之作为意义重大的改革措施和唯一方向。这种理念，甚至与“符合学生认知水平”的教学基本原则不相匹配。

　　因此，对化学实验教学本身的认知，某种程度上成为目前教学改革的关键链条：恰如其分的认识和评价，将引领改革走上快车道和超车道;而模糊、或者不恰当的定位，则使得改革进退维谷、困于囧途。

　　2 对基础化学实验教学的新看法

　　事实上，“知识就是力量”的论断，因为传播手段突飞猛进地变革和发展，到今天已经不太合适了。幸运地是，人类社会对知识本身的认知，随着经济和文化的进步也在不断发生演进。

　　经济合作与发展组织(OECD)在1996年提出的报告《以知识为基础的经济》里，曾经明确给出了四类知识的概念，包括“Know-what、Know-why、Know-how、Know-who”。Know-what是指事实方面的知识，Know-why是指自然和客观规律的科学理论体系;Know-how是指做某些事情的技能、程序、工艺、诀窍等，Know-who涉及谁掌握知识及谁知道如何运作等信息。前两类知识归属于可传播的人类认知;后两类知识归属于实践经验的积累，通常受限于技术手段和经济利益而不容易被传播和集成[16]。

　　作为一个简单类比，当我们从“四类知识”的视角去审视化学理论课程与实验课程的本质时，可以试做如下分析和理解。

　　理论课的教学，明显具有传播“第一类”和“第二类知识”的特征;我们正是通过理论课的学习，才能高效地掌握知识理论和构建知识结构。因此，理论课的教学本质，就是以知识传播、散布、包括再创造(可以更多地体现在研究生课程中)为主的对客观世界的人类感知和认知。

　　实验课程的开展，其主要目的(我认为)不必是为了知识理论和体系架构的学习;尤其是低年级(特别是新生的基础化学实验课程)的实验教学，很难说它是为了理论课教学所做的补充(譬如经典的无机化学实验“食盐的提纯”以及化学原理实验“气体常数R的测定”)。更恰当地说，基础实验教学是为了教会学生如何做事情的习惯、规范和方法，具有显著的传播“第三类知识”的特征。因此，基础化学实验课程的重点，既不只是培训学生特定的技能，也不是如同科研试验一样，培养学生探索特定领域的方式和方法(这些应该是研究生教育的目标)，而是展示给学生对于客观、实际问题的(近似)解决方案。

　　如果对于基础实验教学的如此认知是有道理的，那么我们就可以明确地说，基础实验课程不是完全用来学习基本理论的，也不是仅仅为了培养基本技能的;它不是仅仅服务理论课教学而设立的辅助课程、验证课程，也不是具有“全面功效”的科研预演。

　　3 对基础化学实验教学的新实践

　　当剥离基础实验教学被赋予的传播“第一类和第二类知识”的功能之后，我们还能够开展和组织实验课程，以及对学生做出适当评价吗?下面，用两个基础实验教学实例来演示我们在最近一轮教学当中的新尝试。

　　这是一个特别典型的案例(表1)。这个实验，对于大一新生来说，以往几乎被认为是个标准的验证型实验而备受冷遇;包括我们，一度也在教学计划中将之“雪藏”。但是，换个视角，当从传授“第三类知识”的角度审视它时，这是个多么好的教学素材!首先，毫无疑问，实验目的不能视为“得到准确的气体常数R值”，因为该常数有极高精度的公认值可以查验。其次，该实验也不能说成是为了“验证理想气体状态方程式”(对于大一新生的理论学习和科学认知帮助不大)。因此，该实验对于解读和传播“第三类知识”显得极为直接和明晰。

　　实验目的，即中心任务，就是“如何”准确地测定气体常数R。我们认为，实验教学的模式，可以理解成：为了解决一个中心任务而采取的各种合理措施和正确步骤，并最终形成解决方案、以及对此方案的评价(表1)。

　　通过教师诱导，可以提示学生：数值的精确程度，来自测量方法和数据处理两部分;而在测量部分，各个待测物理量的难易程度不同、误差大小也不同。所以，实验任务就进一步解析为如何准确获得原本误差较大的数据，以及如何进行数据的运算和处理?在这个过程当中，需要哪些技术和能力进行支撑?继续往下深化、细化，则还可以提出：如何安排实验时间、提高时间效率?有无实验安全方面的问题?有无“三废”问题?

　　这样以“任务”为中心节点的实验教学设计，具有“非标准化结构”和“个性化解决方案”的特征。因为每一次具体的实验课程内容都不一样，所以每次的“任务”类型和重点都不相同，每个操作者的观察视角和学习收获不再趋同，也就不再要求学生必须书写格式一致的实验报告(最近一轮教学实践中，实际上我们仍然延续了传统实验报告的写作要求;此外，还要求每位学生另作一份新的“实验导图”。);因而，可以“逆向”推动学生积极地投入实验操作和总结、反思，并改变他们对该实验现实意义的重新定位和思考。

　　随着通讯方式和信息传播速度的升级换代，学生们很容易从各种渠道获得各式标准的“实验报告”(可参考“百度文库”中的范本)，极大地抵消(或者对冲)了教师为提高教学质量而构造和设置的教学疑难、标准，以及教学反馈，事实上使得教改“成本”不断上升。这样的“教”“学”竞争，已经偏离了“相长”的理想航道;如果任其发展、不加甄别，则对于培养学生正确的学习观和价值观非常不利(即教学不能起到“打开学生心扉”的作用，不能诱导学生“学会学习”)，而有利于滋长利己、小资、投机等个人主义情绪;即使表面上完成了教学计划，也不能真地评价为“成功”。

　　例如，学习者1以大量篇幅和看起来完整的部件，给出了实验方案-1 (图1)。但是，仔细校阅会发现，它只是原本实验报告的翻版，没有体现出学生在实验中的认知过程以及实验后的学习反思。

　　相形之下，学习者2以简略篇幅和完全不同于标准实验报告的思维结构，给出了实验方案-2 (图2)：

　　(1) 中心任务明确：精确测定。 (2) 主要因素抓得很准：原始数据获取以及数据处理。 (3) 能够进行因素分析：根据测量的不确定性(或者精准程度)进行区分。 (4) 能够针对具体因素给出对策：如何称准质量以及如何测准体积。 (5) 注重规范：总结和归纳实验细节以及实验安全。 (6) 反思自己的认知过程：能力要求、技巧及改进。

　　实验方案-2具有明显的主动学习特征：学生在积极、充分接收到教师教学信息之后，进行了实验目的和过程的重新组织和构建;并在一定范围内不断检视自己的学习认知过程，同时充分保留实验教材中原本的基本内容和规范。通过此方案及相应的实验报告，我们不能评估其获得“第一类和第二类知识”的情况;但是，对该学生学习“第三类知识”的教学质控，我们可以有理有据地给其以“优等”的评判。

　　粗盐提纯的实验，曾经被大多数本科生教学实验室所采用，现在通常被认为“陈旧”而“无趣”。但是，当我们转换教学认知和实施新方法后，它再次焕发出光彩：这是一个比较完善的解决实际问题的实践方案，非常有助于培养学生置身于真实场景中的学习认知、体验，以及反思等习惯(表2)。从实验方案-3 (图3)，我们也能够清晰地看到学习者主动学习的痕迹。(限于篇幅不再细述)

　　通过以上两个教学实例不难发现，基础化学实验教学的本质，似乎可以更准确地表述为：提供给学生各种各样实际问题的解决方案。特别对于大学新生来讲，他们的理论知识和实验技术都处于积累阶段;因材施教的教学原则就决定了，不能把“创新”当作是指导原则来组织低年级学生的实验课程，尽管出于各种考虑我们(包括教师和教学单位)迫切地希望他们能够快速地具备各种能力和创新精神。因此，有必要在国家和社会发展的新时代，重新审视前20年教学改革的发展方向和所获成果;在我们之前容易忽视和认识不清的环节(特别是面向低年级学生的基础实验教学)，进行教学理念和思想的重铸，使得整个教学体系更加切实可行、符合国情实际，给予教学改革更多地探索余地和上升空间。

　　此外，包括以上两个案例在内的上一轮改革实践的教学对象，实际上既包括化学专业，也覆盖了更多化学相关专业的学生(例如医学院新生)。因此，从传播“第三类知识”的教学理念出发，我们在“教学目标”之外，提出了“教学班级目标”的观点：即实验教学不仅要完成本身的课程目标(通用素养和一般解决方案)，还要兼顾该班级的专业，甚至是职业特质;尤其是对化学相关专业的学生，可以培养职业特质为主要目的，而以培养必要的实验技能和方案为次要目的。

　　以我们刚刚实践过的南京大学医学院本科新生班级“化学实验基础”课程为例，他们是未来的职业医师;因此，实验教学能带给学生们什么样的“第三类知识”，显得特别值得探讨。通过教师研讨和教学反思，我们认为就这个班级而言，教学特点和深度要准确把握;既不能马马虎虎作浅显要求，也不宜在某些环节作刻板的严格要求。需要针对他们未来职业特质的需求来进行教学塑造和培养，包括以下几方面：(1) 细心、大胆、手眼配合;(2) 标准化操作;(3) 数据处理;(4) 纠错和逻辑溯源;(5) 团队合作。

　　有了这样的教学认知，我们在教学实践中，在指导学生做事情的技能和程序的过程中，就能够有的放矢、如临其境;使得教学计划既具有集成性、也具有灵活性，同时也促进了教师们不断提升自己的教学反思水平和教学自觉。这次教学改革的思想和实践，在课程结束时获得了学生非常好的评价(数据略)。

　　4 “第四类知识”、元认知、与基础实验教学的关系

　　元认知(metacognition)是1976年美国心理学家J. H. Flavell在“Cognitive Development”中所提出;根据他的观点，元认知就是个体在对自身认知过程考查的基础上，进行自我反思和调控。元认知包括3方面内容：(1) 元认知知识，即个体关于自己或他人认知活动的知识;(2) 元认知体验，即个体的认知经历和体验;(3) 元认知监控，即个体在认知反思之中、或之后，对自身认知活动的监控、评价和调节，以达到预设目标[18,19]。“元认知则是对认知的认知，即对该心智活动的计划、监控、反思以及根据解决问题的不同情境灵活机智地进行认知策略改组的心智活动[20]”。

　　如果我们把经济合作与发展组织(OECD)提出的“第四类知识”——Know-who——略作改动，换成“Know-myself”，可以使得我们的教学、教育理念在高等教育领域(尤其是本科生教育层次)变得更加完备而自洽。更进一步，是否可以再把“Know-myself”等同于粗略的“元认知”?目前为止，我们还没有看到教育理论上作这样的关联和立论;但是，如果能够这样设想，我们就可以大胆地引申高等学校基础化学实验教学和教改的意义和方向。

　　例如，在确定基础化学实验教学本质是“Know-how”的教学预期之上，当我们再把教学目标设定为诱导学生“Know-myself”，那么实验教学本身的组织和改革就焕然一新：基础实验课程将围绕 “解决方案”(而不是科学理论、知识点以及“技能树”)展开;在指导学生利用自身学习能力以及反思和调控机制亲历问题解决的过程中，促使学生发现自己学习、认知、个体和社会行为等特点，并且及时反馈到实践认知中去，进行实时调整，形成“实践–认知–调整–再实践”的循环;在有限的时间和空间(包括实验条件)中，最大程度地提升学生个体的元认知(元学习)能力和水平。从这个角度看，许多成熟、但是相对陈旧的基础化学实验，完全可以通过新的教学设计和教学方法获得“脱胎换骨”的变化，成为指导学生“学会学习”的可靠而宝贵的资源;而基础化学实验教学改革的重要方向，完全可以借鉴元学习能力的培养模式，获得理论和实践方面的众多参考[21]。

　　5 结语

　　站在更高一点的层次，如果将传播“第三类知识”“第四类知识”以及“元认知”都纳入实验教学的设计理念范畴，那么我们就能够清晰地看到基础实验课程不同于理论课程的重要特点：基础实验课程，是以“第三类和第四类知识”为载体、以提升“元认知”能力为目的、以教师和学生的个体特质为基本单元、以自我实时调控和即时评价为特点的教学活动。正是从这个意义上讲，实验课程才具有“不可替代”的作用和地位，不必成为理论课程的附属物。当然，将基础化学实验课程拔高到培养“创新人才”的地位也并不合适;真实而有价值的“创新”如何培育和发生，恐怕远非我们这里的一点讨论所能解决的问题。

　　如果这样的思路和中心明确，那么我们就不会再纠结于基础化学实验改革是否应该“趣味化” “绿色化”“特色化”“综合化”“创新化”“高阶化”等问题;这些因素和方向都可以尝试，但是它们都不一定是最为本质的、最有发展空间和余味的教学认知与实践。