学科核心素养视域下“现代分析测试技术”课程育人模式探索

张宏森　刘琦　王君

摘    要：推进核心素养引导下的教育教学改革已经成为了当今基础学科教育的热点。学科核心素养视域下，“现代分析测试技术”教学改革的本质是实现教学真正服务于学生的成长和发展。通过深化学科核心知识理解，问题情景教学法实现转知成智、化识为能，夯实学科素养基础；“证据推理”和“四重表征”思维方式的培养，构建学生基于学科特点思考问题、分析问题和解决问题的方法与模式；学科精神、社会责任培养与课程教学深度融合，铸就学生精神品质，彰显价值引领在课程改革中的核心作用。

关键词：学科核心素养；现代分析测试技术；育人模式；教学改革

中图分类号：G640          文献标识码：A           文章编号：1002-4107（2024）05-00061-03

化学学科经历了从“双基”到“三维目标”，再到“学科核心素养”三个发展阶段，其变迁过程体现了从学科知识到学科本质再到学科育人的价值转变，使得化学教育真正服务于学生的成长和发展。“现代分析测试技术”课程作为化学学科的重要分支，其对于学生学科核心素养的形成和发展既具有共性贡献，又具有个性贡献。在学科核心素养视域下，基于“现代分析测试技术”课程自身的规律和特點，明晰该课程在化学学科核心素养形成和提升过程中的特定作用，才能充分发挥其育人价值。

一、知识是核心素养之“本”

“现代分析测试技术”课程教学实践中，长期秉持事实本位知识论和间接经验论，课堂教学主要以学科事实与信息传授为主。然而，随着现代分析测试技术的快速发展和互联网的普遍应用，“现代分析测试技术”课程教学环境、教学资源和教学方式都发生了深刻变革，课堂教学已经不再是学生获取现代分析测试技术知识的唯一渠道，其教学内容和教学方式的改革已势在必行。尽管事实本位知识论的负面影响日益凸显，但缺少了学科事实与信息，核心素养的培养便成为无源之水、无本之木。将知识内容积淀为学科修养，将知识形式转化为学科能力，将知识旨趣升华为学科情感。学科知识学习和理解过程本身就是学科素养积淀与形成的过程[1]。因此，“现代分析测试技术”课程教学改革不是淡化甚至否定知识在学科核心素养中的根本作用，而是面对高速发展更新“现代分析测试技术”方法和纷繁庞杂的网络资源，调整教学内容和方式，提升学生的学科核心素养。

（一）构建合理的学科知识结构

尽管学科知识飞速发展，但构成学科体系基底的学科核心知识和知识结构依旧相对稳定。学科核心知识和知识结构是该学科实质内容的集中体现，只有深入理解核心知识，构建合理的学科知识结构，才能真正提升该学科的核心素养。化学是在原子、分子水平上研究物质的组成、结构、性质、转化及其应用的一门基础学科。化学学科对于化学现象的主要研究方式是自下而上，即从原子、分子角度来诠释物质性质和变化规律。化学学科知识本质上不是让学生了解学科事实或现象，而是“看”清物质的本质。因此，物质微观结构的理解是化学核心素养的核心内容。

光谱是“现代分析测试技术”课程的重要组成部分，更是物质结构的“信使”，光谱分析是连接物质微观结构和宏观性质的纽带。近年来，随着先进科学仪器方法的发展，借助“现代分析测试技术”方法，从分子和量子角度认识反应本质的研究方法已经被普遍采用。紫外、红外、核磁分析的本质是分子中电子排布、运动以及它们相互作用的反映，是推导物质间反应的规律、预测分子的理化性质的重要依据。这部分内容在定性定量分析中直接应用性不强，且较为抽象，通常在教学中易被忽视。但基于化学学科核心素养，合理增加难度，拓展课程深度，深入理解现代分析测试技术所反映的物质微观结构特点是“现代分析测试技术”课程教学的重要内容。

（二）间接经验教学向问题情景教学转化

“现代分析测试技术”课程教学除分析物质微观结构外，还包括仪器构造、仪器特点、应用范围和设备使用。现有教学中，这些知识基本是学科事实与信息，是间接经验或现成知识，多停留在了解、记忆层面。原本充满生机与活力的仪器研发过程，进入教材之后变得静止、教条和僵化，学生缺乏参与仪器研制、完善和实际应用的亲身体验，难以深刻体会到仪器发展中所蕴含的科学思想和研究方法。学生在这种“寄生”性的过程中，独立思维能力、创新能力、判断能力、质疑能力、迁移能力很难被提高，甚至于被弱化。

教育的目的不是培养间接经验接收者，而是培养知识的思考者、创造者。教学过程不是简单的口耳相传过程，而是让学生经历知识的再现，像科学家一样去重新“发现”知识的过程[2]。“现代分析测试技术”课程教学的重点由以知识内容学习转向学科事实所蕴含的科学思想和研究方法的深层把握。在实际教学中，摒弃间接结论的灌输，代之以问题情境的探究，复演“仪器、分析方法的形成和发展的过程”：采用沉浸式情景教学方法，让学生置身于仪器研究的历史背景之中，通过提供指导性问题、讨论和团队合作等方式，“亲身经历”仪器、分析方法的诞生、发展和完善的过程；还原教材隐去的知识探索过程中的生机与活力，感受到科学探索的魅力与神奇，激发学生的学习兴趣和主动性。在这个情境过程中，学生针对仪器、分析方法在不同发展阶段面临的问题，认真分析，深入思考，提出解决问题的方法，保证认知向真实情景迁移，实现转知成智、化识为能，核心素养得到发展和提升。创设合适的教学情境，启发学生思考，使学生在掌握知识技能的同时，感悟知识的本质，积累思维和实践的经验，培养核心素养[3]。

二、思维方式是学科核心素养之“道”

学科思维方式是基于学科核心素养，思考问题、分析问题和解决问题时表现的本能、专业的思维模式。学科思维方式植根于学科内容之中，是学生世界观与方法论最直接的表现。学科思维方式对学生的终身发展具有重要而长远的影响。

（一）强化“证据推理”思维模式

科学探究通常都是从情境中发现问题，再根据原始资料或数据等对问题形成假设，通过观察和实验获得事实性证据，基于证据进行推理并对假设进行修正，最终得到科学结论[4]。科学探究过程中，基于证据提出可能的假设，通过分析推理加以证实或证伪，建立观点、结论和证据之间逻辑关系的“证据推理”扮演着重要角色。“证据推理”不仅是科学研究的基本思维方法，更是學科核心素养的主要组成部分。在实际教学和科研中，学生往往根据一个检测数据就会得出某个结论，缺少检测数据和结论两者关系的建构，大多数学生存在证据意识和推理能力薄弱的问题。强化“证据推理”思维模式，其核心是实现数据向证据的转换。分析测试获得的是数据，数据满足准确性、充分性、相关性材料成为获得事实性证据。

数据的准确性是指测试结果与实际情况的一致性程度，是数据转化为证据的前提和基础，其对于结论的可靠性和科学价值具有重要影响。为确保数据的准确性，一方面，应使用经过验证的标准方法进行测试，并经过严格的评估和验证，保证检测结果准确可靠。在缺少标准方法的情况下，需要对测试方法进行重复性、回收率、稳定性、精密度、检测限、准确度、线性范围等指标的评估和控制，以确保分析方法的准确性、可靠性和可重复性。另一方面，检测过程要在质量管理体系下完成，应采用校准、质控样品、重复测量、空白样品、样品标识和追踪等质量控制措施确保数据的准确性。

数据的充分性指能够提供全面、详尽的信息，以支持所要得出的结论，数据的数量和多样性对于得出结论的充分性至关重要。在样本选择时遵循科学的原则和方法，数据的数量能够代表所研究对象的整体特征，支持所要得出的结论。此外，检测方法需要具有多样性，从不同角度、不同条件、不同方法层面获得能够相互支持、相互验证的检测数据，才能得出更加全面和准确的结论。

数据的相关性主要是数据和结论之间的相关性。通过分析数据之间的关系和趋势，验证假设，得出结论。结论应该基于数据的分析和解释，且能够合理解释数据的趋势、关系或模式。学生往往只停留在简单地收集和呈现数据的阶段，而缺乏深入的分析和解释。这种表面化的处理方式不仅限制了他们对数据的理解，还限制了他们对所研究问题的深入思考和推断能力。在科研和教学实践中，培养学生分析证据之间的关系和趋势，根据证据的特点和逻辑规律进行推断，并能够合理解释研究结果的能力，不仅有助于学生理解科学原理，还有助于其逻辑思维能力的培养。

（二）构建四重表征的思维方式

思维可视化是一种将抽象的思维过程转化为可见形式的技术，通过使用图表、符号、文字、模型等辅助工具来展示思维中隐藏的信息，从而使思维过程更加明确和易于理解。在教学实践中，思维可视化使原本模糊不清的概念和规律变得清晰可见。基于现代分析测试技术进一步提出“宏观—微观—符号—谱图”四重表征的思维方式。“宏观表征”是物质的物理化学变化、物理性质和相应性能的表征。“微观表征”的对象是包括分子、原子、电子微观物质或其相互作用，是宏观现象所反映的微观本质。“符号表征”是以化学用语的形式表达物质的化学结构组成方式，是连接宏观和微观的“形式”纽带。“谱图表征”是以谱图的形式来表现物质结构和性质，是连接宏观和微观的“实质”纽带，是构效关系更加透彻的表述。

通过“现代分析测试技术”教学熟练掌握四种表征的相互切换来解决化学中的实际问题。例如同系物紫外教学中，物质颜色的变化（宏观）、分子轨道和带隙的差异（微观）、物质结构式（符号）和紫外吸收峰的移动（谱图）。在分析问题方面：共轭体系小的物质（符号）颜色浅（宏观）的原因是HOMO和LUMO间的能量差大（微观），吸收峰蓝移（谱图）。在解决问题方面：将紫外光吸收材料转换为可见光吸收材料（宏观）的设计思路是吸收峰红移（谱图），HOMO和LUMO间的能量差小（微观），设计具有更大共轭体系（符号）材料。通过“四重表征”思维方式的培养，提升学生的化学核心素养。

学科思维非自然形成，知识的积累未必带来学科思维方式的发展，学科思维是在学科的学习中逐步养成。倘若秉持僵化、凝固的知识观，并以灌输、训练的方式教授知识，知识的积累反而可能导致逻辑素养的衰减甚至泯灭[5]。“现代分析测试技术”课程教学过程中，通过探究式实验代替验证式实验，构建学科思维模式，提高学生学科素养。针对实际问题，从学科视角出发，鼓励学生运用学科知识提出科学假设，重点培养学生发现问题，并将问题转化为可测变量问题的能力[6]。设计实验，检测分析，培养学生收集、整理和分析数据的技能；强化“证据推理”思维模式，将数据转化为验证假设和得出结论有力的证据，通过分析推理加以证实或证伪；建立观点、结论和证据之间的逻辑关系。

三、“学科精神和社会责任”是学科核心素养

之“魂”

一个学科的发展不仅仅是知识技能、思维方式的延续和革新，更是精神、品质的传承与发展。一种教育缺少科学理想和社会责任感只能是技能训练和谋取个人利益的工具，因此“科学精神”“社会责任感”是核心素养培养的核心和灵魂。然而，大量思政内容的简单引入，容易形成“两张皮”的困境，因此结合“现代分析测试技术”课程特点，基于核心素养进行课程顶层设计，实现核心知识传授、思维方式培养与学科精神、社会责任深度融合，寓责于教，春风化雨，润物无声，方能实现知识思维和品质精神同向同行。

（一）课程科学精神培养

“现代分析测试技术”作为一门“古老而又年轻”的学科蕴含着丰富的科学精神，在教学实践中发挥着润物细无声的教育作用。现代分析测试技术植根于“古老”的分析化学，其长期积淀的科学严谨、规范准确的科学精神在现代分析测试技术中进一步彰显。误差分析、数据处理、设备校准、结果讨论、分析方法学都是对于科学严谨、规范准确的科学精神的诠释，且贯穿整个“现代分析测试技术”教学。并且，理论教学、情境教育、作业习题、实验实训共同构成了科学严谨、规范准确的科学精神养成的环境。同时，“现代分析测试技术”作为一门“年轻”的学科，不拘泥于传统束缚，勇于创新，兼容并蓄，接受各种先进的技术成果。底蕴深厚、特色鲜明的学科精神，让学生身在其中、耳熏目染，并内化为学科素养。

（二）社会责任培养

现代分析测试技术广泛应用于食品、药品、环境和能源等多个领域，在社会责任方面可以挖掘大量素材。因此，大多课程都把社会责任作为课程思政的重要内容，但实际效果有待進一步提升。其原因一方面，是社会责任的教育过于空泛，仅是价值观的说教或观念的灌输，学生缺少感知、咀嚼、反思、认同的过程，缺乏发自内心的认同感。另一方面，大量社会责任内容的填加没有和具体的教学内容有效结合，事件背景介绍过多，甚至于将课程思政转化为思政课程。

在教学实践中，社会责任融入课程教学“无形化”，学生感知“有形化”，其重点提升学生社会贡献认识和情感认同度。教学内容选取色谱分析奶粉中三聚氰胺的含量，原子吸收法测试饮用水中重金属是否超标，质谱检测水果中农药残留等热点事件作为教学案例、课后习题。教学方式采用学生作为实际测试人员的情境教学法，除了常规的计算求解外，还要求出具测试结论，并注明对测试结果承担责任。首先，热点问题减少背景知识的介绍，避免“喧宾夺主”；其次，可以深化学生对于现代分析测试技术社会贡献的认知，引发学科认同和归属感，激发学生学习热情；最后，热点事件情境教学强化了学生社会责任情感与态度的体验，学生深切感受到“一笔之差”不但关乎产品质量，甚至于生命安全。

四、结语

基于学科核心素养视域下，课程的教学改革实质是由关注课程内容向关注学生的成长和发展的转换。多年后，具体的仪器和方法的知识可能会被忘却，但学习过程中所获得的学科智慧、形成的学科思维、沉淀的学科精神、升华的学科情感将伴其一生。

参考文献：

[1]  潘洪建.基于“三维知识”教学的学科素养提升[J].教育研究，2017（7）.

[2]  徐广华，孙宽宁.基于知识转化的学科实践表达[J].教育研究与实验，2023（4）.

[3]  史宁中.推进基于学科核心素养的教学改革[J].中小学管理，2016（2）.

[4]  杨玉琴，倪娟.证据推理与模型认知：内涵解析及实践策略[J]化学教育（中英文），2019（40）.

[5]  张华.论核心素养的内涵[J].全球教育展望，2016（4）.

[6]  罗秀玲，李铭冰，肖信.论“证据推理”素养及其培养[J].课程·教材·教法，2020（40）.

[责任编辑  韩晓雨]

收稿日期：2023-10-30

作者简介：张宏森，哈尔滨工程大学材料科学与化学工程学院高级工程师，博士

基金项目：哈尔滨工程大学教改项目“分析化学课程校企合作建设模式探索与实践”（2023年）；哈尔滨工程大学第二批研究生立项建设课程改革重点改革项目“现代分析测试技术”（2022年）；哈尔滨工程大学教改项目“学科核心素养导向下，现代分析测试技术线上线下混合教学模式的探索”（JG2022Y043）