基于仪器分析实验的设计研究

来源:用户上传      作者: 杨晓燕　颜流水　王　玫　刘　艳

　　【摘要】基于仪器分析实验的设计研究是在基于问题学习法在《仪器分析》的应用研究课题背景下，将整合教育研究与设计开发的全新学习方法应用于仪器分析的实验教学中，文章详细介绍了该课题研究的实践过程与应用成效。
　　【关键词】基于设计的研究；设计性实验；仪器分析；开放实验室；
　　【中图分类号】G424.1【文献标识码】B【论文编号】1009―8097 (2008) 07―0107―03
　　
　　随着用人单位和社会对人才基本技能日益重视和整个社会教育理念的更新，高校教育改革日益以重视素质教育，强调创新意识和能力发展，培养学生独立思考和自主获得的品质为核心[1]，更加关注实践教学改革及实验室建设，积极开展多种多样的实践教学改革活动。源于“设计实验”的“基于设计的研究”[2] 作为一种整合教育研究与设计的方法，不失为国内高校实验教学改革提供了一个全新的思路。目前，基于设计的研究作为一种研究范式在西方日益得到人们的关注，国内关注有限，相关研究文献较少，涉及将该范式具体应用于国内项目的文献只有两篇[3]。本文就2007年我校本科教学基于问题学习法在《仪器分析》中的应用研究课题中进行的教改试点，谈点体会。
　　
　　一 研究背景
　　
　　1 仪器分析实验教学现状
　　仪器分析是化学、化工、环境、制药、食品等学科的专业必修基础课之一，其以物质的物理性质和物理化学性质为基础，采用特殊仪器对物质进行分析测定，它是一门多学科相互渗透、相互促进的边缘学科，汇集了化学、物理学、仪表电子学、数学和计算机科学等学科的最新成就。仪器分析实验是仪器分析课程的重要组成部分，由单纯提供分析测试数据上升到从原始的分析测试数据或现场分析测试信号中，最大限度地获取有价值的静态和动态物质信息，以解决自然科学各个研究领域中的关键问题。目前，仪器分析实验具有仪器台数少、实验采用循环式、实验与理论不同步、学生对昂贵精密仪器有畏惧心理等特点；实验教学侧重操作技能，忽视学生综合利用知识进行实验设计与分析解决实际问题能力的培养；实验过程中教师负责实验内容的组织安排、现场指导与实验报告批改，学生则相应地进行实验预习、现场实验和编写实验报告；这种实验教学方式不利于调动学生实验积极性，培养学生实际动手能力和综合分析能力的效果不甚理想。
　　2 基于设计的研究方法
　　基于设计的研究方法于1992年由学习科学研究者Ann Brown和Allan Collins首创，它以设计学习环境和发展理论为目标，旨在通过形成性研究过程，采用“逐步改进”的设计方法，把最初的设计付诸实施，检测效果，根据来自实践的反馈不断改进设计，直至排除所有缺陷，形成一种更为可靠而有效的设计[4]。该方法是根据学生要解决的任务或问题、相关的学习材料和学习工具、参与活动的规则以及教师对这些要素的组织等设计学习情境，适时根据情境改变和来自实践的反馈变更或修正设计，研究情境改变过程中的关键性要素与设计，以及实施结果，将设计贯穿于整个研究之中，同时又将研究获得的结论反馈于设计，检验设计的合理性与有效性，是一种通过设计、研究来进行学习的新方法。
　　
　　二 基于仪器分析实验的设计研究实践
　　
　　基于设计的研究作为一种新涌现的研究范式，由于方法论尚未成熟，采用该范式的工作者缺乏统一的研究方法体系的指导，往往不得不在众多的可能性当中进行摸索 [3、5]。在基于仪器分析实验的设计研究中，教师应该作为研究者，以与仪器分析密切相关的具有现实应用价值的实际问题来设计学习情境；而学生作为实践者，在教师设计的真实学习情境中进行实验设计与研究，并在设计实验的实施、分析与再设计过程中，不断地积累和提高自己的创新与设计能力。
　　1 情境设计
　　情境的设计要源于解决实践中的具体问题，具有很强的目的性，且解决问题的过程又是对理论的创造性应用。针对我校环境专业学生就业与发展趋势，结合校工程训练中心江西赣江机械厂电镀车间装饰生产线的环境监测问题，教师以设计性实验为背景，设计了如表1所示的学习情境。
　　
　　
　　2 情境实施
　　（1） 营造积极激励的学习氛围
　　学生设计实验与验证实验不同，它不单纯以实验方法的正确性和实验结果的准确性来衡量实验的成功与否，而是强调实验方案的拟定、实施与数据处理过程，以及对实验中遇到问题的分析、解决与再设计过程。实验教学中教师不是给予学生现成的真理，而是给学生创设一个激励性的环境、创设一个可以发挥想象力的空间，引导学生探索真理，诱导学生的创造力，唤醒学生创造潜能。因此，教师在情境设计中应给予学生实验设计提示，引导学生利用网络与图书馆检索文献，了解分析对象的性质及分析方法。在本实验中就是要依据影响铬离子与氟离子测定的影响因素，选择合适的采样方法，根据所采样品的特性设计样品前处理方法，通过各采样点废水浓度的差异，确定分析方法，选择适宜的分析仪器和定量方法。
　　对于学生的实验设计方案，只要基本方法和原理性正确，都应给予积极鼓励，教师不对学生的设计方案作太多的改动，只对明显的错误提出疑问，建议学生去修改和完善，允许学生带着疑问甚至是 “小错误”进入实验室，让学生在实践中发现问题，探索解决问题的方法。
　　（2） 开放实验室，培养学生探索未知的好奇心
　　传统的实验教学以验证实验为主，教师事先将实验项目所需的试剂、器皿和仪器设备准备妥当，在规定的教学计划学时数内，讲授实验原理、实验步骤、实验注意事项乃至实验成败的关键所在等内容，学生则按照既定的实验步骤获取实验数据。该教学方法虽能使学生在较短的时间里迅速掌握大量的科学文化知识和技能，但不能调动学生的积极性与主动性，无法锻炼与培养学生的实验设计思维与独立分析解决实际问题的能力。
　　基于设计的研究是一种在真实生活情境中进行研究和设计工作的新方法[6]，是面向实践且具有强烈实践特色的应用研究，其具有迭代循环与过程导向性。基于仪器分析实验的设计研究中，学生需要根据自己设计的实验方案准备药品、试剂与仪器，实施设计方案，详细记录实验过程、分析与再优化实验设计，在有限的实验教学课时内，无法完成设计、实施、评价、再设计、理论形成等环节的多次迭代循环，难于提升对知识的理解能力和实验设计能力，因此，教学中应采用开放实验室的方法，让学生根据自己的实际情况灵活自主地安排实验时间，通过预约进行实验。在本此6个班、46个小组的实验教学中，每个小组至少经历设计-实施-再设计过程三次，在设计-实施-再设计的重复迭代过程中，学生的实验思路逐渐清晰，实验操作不断熟练。实验结束后，多数同学发现自己还能设计更好、更快捷的方法，学生探索未知的兴趣和好奇心得到培养。
　　（3） 撰写科技论文，提高科学研究素养
　　素质教育是高校教育的目标，也是科技发展、社会进步的必然要求，实验教学中科技论文写作是提高学生科研素质的有效手段。因为它是科学技术研究的一种手段，也是科学技术研究工作的重要组成部分。
　　撰写科技论文不是对解决某实际问题的方法、过程和技术的简单陈述，而是对实验、观察或用其他方式所得到的结果进行归纳、分析与总结，从而形成一定的科学见解，并用事实和理论对自己提出的科学见解或问题进行符合逻辑的论证与分析，甚至使之进一步上升为理论。因此，学生在经历了设计、执行、分析、再设计的持续循环后，通过撰写科技论文，能进一步加深对所学理论的理解，思维更加严密，科学素养得到提高。

　　
　　三 应用成效
　　
　　2007-2008学年第一学期，基于仪器分析实验的设计研究在05级环境工程、应用化学、材料化学3个专业6个班的本科实验教学中进行了试点，实验任务与要求提前3周下发给学生，小组设计报告在实验前一周上交检查，检查合格后即可进入开放实验室内进行一周研究，教师监控并记录学生的实验过程与实验数据，引导学生探究科学问题，教会学生如何利用计算机进行数据处理，以定量分析曲线线性相关系数达到0.995、回收率在90%-110%为基本标准要求学生。实验研究结束后，学生按照教师给定的科技论文写作基本格式，两周内完成论文，教师批注修改后，以班为单位进行小组论文答辩，介绍自己的设计研究过程与成果，并回答其他小组的疑问。
　　因为学生在此以前从未独立做过设计性实验，实验任务刚下发时，他们感到很难，不知如何设计。于是，教师立即给予引导，帮助学生理顺设计思路，鼓励学生大胆尝试。第一轮的实验教学发现：学生科技论文写作与讲解能力普遍差，故在第二、第三轮的教学中增设了科技论文写作与论文演讲的内容，规范了论文格式，并上传3-5篇有教师修改批注的学生论文到师生公共信箱中作范文，引导学生撰写科技论文，提高其写作积极性。
　　实验后学生的反馈意见普遍反映，该实验教学模式自主探索氛围浓，学生实验积极性高，不仅能有效加深对理论知识的理解，而且实验综合应用能力和文献检索得到明显加强，同学们深刻意识到“科学是严谨的，来不得半点马虎”。 虽然同学在实验过程中往往会经历许多失败与挫折，但经过小组同学的团结协作，最终还是能够获得成功。因此，每个同学实验结束后内心都充满了成就感，也有效地培养了团队精神。同学在实验总结中写道：这次实验好比作登山，实验前的准备包括查资料、写实验设计报告等就好比山脚下的登山准备，实验-修正-再实验过程好似登山的艰难，实验结束也只来到了半山腰，只有圆满完成了科技论文写作才意味登上了山顶，这时就能见到美丽的日出与日落。
　　
　　四 结束语
　　
　　基于仪器分析实验的设计与研究是将基于设计的研究方法应用于仪器分析实验教学的初步尝试，虽然取得明显的成效，但如何进一步完善和推广还需要许多实践性探索和教育理念方面思考，我们将继续努力做下去，争取取得更好的成绩。
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　　参考资料
　　[1] 周云,张四纯,李景虹,李兆陇.仪器分析开放实验室的教学与管理[J].实验室研究与探讨.2007,26(2):129-131.
　　[2] 杨南昌. 基于设计的研究：正在兴起的学习研究新范式[J].中国电化教育.2007,5.
　　[3] 陈维超,贾积有.基于设计的研究及其在“希赛可”项目中的具体应用[J].现代教育技术.2008,18(1):24-27.
　　[4] 梁文鑫,余胜泉.基于设计的研究的过程与特征[J].理论探讨.2006,159(7):19-21.
　　[5] Anderson, T. Design-based research and its application to a call centre innovation in distance education. Canadian Journal of Learning and Technology, 2005, 31(2):69-84.
　　[6] 吕林海.论基于设计的研究的主旨、特征及案例简析[J].教育科学.2007,23(5):19-22.
　　
　　Course Design Based on Instrument Analysis Experiment
　　YANG Xiao-yan YAN Liu-shui WANG Mei LIU Yan
　　(Dept. of Environmental Toxicology, School of Environment and Chemical Engineering，Nanchang Hangkong University, Nanchang，Jiangxi, 330063, China)
　　Abstract: Experiment design based on Instrument Analysis course is a new learning method which integrated problem design and education research. This problem-based learning method was used in experimental teaching for Instrument Analysis course. This paper described its practice process and effects.
　　Keywords: Design-Based Research; Designing Experiment; Instrument Analysis; Open Laboratory

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