學院的基礎數學教學，分為理論課教學和實驗課教學，兩種教學是獨立運行的。理論課教學是以知識傳授為主，培養中學生的理論思維方式；實驗課教學則是要求中學生把握一些基本的技術，以動手為主，培養中學生產生理論結合實際的思維，使中學生具備初步的研究和應用開發能力。那些年來物理教學出現的問題是中學生結業后在研究和應用開發上倍感無從下手，沒有思路。即使理論學的挺好，但碰到實際問題不會用科學理論的思維去剖析，也難以用適宜的理論或實驗技術去解決問題大學物理實驗常用儀器的使用的原理，而是借助用直覺去猜的辦法。在人才培養上出現“高分低能”、“知行不一”的現象，中學生沒有產生理論聯系實際的思維。針對這個問題我們對理論教學和實驗教學進行了調查和比較研究，對中國科學技術學院200名理工科結業生進行問卷測試，要求中學生填寫已學過的數學理論課程章節和已做過的化學實驗名稱，各填寫20項，統計結果見表1。理論課的記憶率為77.8%，實驗課的記憶率為22.1%。若果按中學生做過的38項化學實驗統計，實際記憶率僅為11.7%。數據結果表明目前學院實驗教學的教學質量和培養人的療效與理論教學相比存在著巨大差別，中學生普遍覺得實驗教學好多是“走過場”。因此我們對理論教學和實驗教學過程解剖進行比較剖析。下邊是一個理論教學的中學生學習鏈：
(預習)→(課堂教學)→(備考)→(作業練習)→(考試)，
理論課學習，中學生可借助教科書課前預習，提升聽課的療效，課后可借助筆記和教科書進行備考，消化課程內容，再通過作業訓練鞏固和檢驗自己的學習成果。作為班主任教學的兩個環節，課堂教學可充分發揮效率，考試可客觀、準確地掌握教學質量關口。
表1中國科學技術學院關于學院數學教學的問卷調查結果
但是，實驗教學不存在理論教學這樣的條件。實驗教學的中學生學習情況為：
(預習)→(課堂實驗)→(備考)→(作業練習)→(考試)，
中學生難以借助書本進行實驗預習、復習和操作訓練。實驗教學內容僅僅局限在課堂3—4小時，3—4小時內中學生要了解實驗原理、儀器的使用方式和原理，但是完成實驗基本上是不可能的。多年來院校實驗教學“走過場”已成為普遍現象。中學生在課堂實驗上難以消化實驗教學的內容，因而也提不出哪些問題，這樣的課弄成誰都能帶，教學門檻很低。另一方面，面臨成百上千中學生，數學實驗考試也難以著力有效地進行，憑印象打分，成績因班主任而異，考試沒有客觀一致的標準。這樣的考試對班主任也沒有衡量和約束能力，所以實驗班主任只存在教學量的壓力，而沒有教學水平高低的壓力。難以客觀評估教學療效也是導致大面積實驗教學常年低水平循環的主要誘因。低水平的教學循環帶來的影響除了是培養人才的療效低下，并且使實驗班主任隊伍退化。針對過去院校常年存在的那些問題和困難，北方科技學院在建校之初，化學實驗教學從第一屆中學生開始在變革上就邁出了重大的腳步。
(1)把大面積增強實驗教學質量作為教學變革的第一目標
北方科技學院在化學實驗教學中心建設上，軟硬件建設并行，采用產學研合作模式開發出系列教學軟件，建設了一系列與課程對應的仿真實驗，與實驗對應的仿真實驗預習系統以及基于仿真實驗的實驗操作考試系統。
中學生課前必須先在網上完成實驗的預習，預習改變了過去抄書完成預習報告的形式，采用基于仿真實驗的預習系統了解實驗原理，儀器的原理及使用，完成實驗的操作過程。預習系統有基于實際操作規則(非操作次序)的班主任專家衡量系統，會對中學生的預習做出衡量，強調錯誤，容許中學生反復預習直至獲得滿意的分數。這樣中學生在上課前已基本把握了實際的教學內容，對實驗儀器的使用達到胸有成竹，然后在課堂上中學生獨立完成真實實驗并與班主任進行交流。班主任課堂上只需答疑解惑，中學生有充足的時間消化實驗教學內容，收獲感大大提升，迸發了中學生的學習熱情。
考試系統由仿真實驗、教師專家系統、實驗試卷庫組成，班主任可以自由組卷，中學生的考試分數由計算機手動評選，實現了實驗教學的評估有客觀一致的標準，對中學生是公正的，不同班主任的教學質量可比較，加上每學期一次的中學生問卷(后附)調查，對班主任的教學和水平進行評估，推動了實驗班主任隊伍的業務提高，北方科技學院結束了過去院校常年存在的實驗教學低水平循環的現象。近幾年中學生對化學實驗教學給與了很高的評價。表2和表3分別為北方科技學院中學生對學院化學實驗課程的評教分數以及評教所用的問卷。
表2北方科技學院化學實驗課程中學生評教分數
表3北方科技學院中學生評教問卷(實驗課)
(2)營造創新人才培養的多樣化實驗教學環境
結合當前信息管理技術的發展，我們把現有的基礎化學實驗室都建成了開放式服務實驗室，在完成公共選修實驗、選修實驗之余，全天候向中學生開放。中學生可在網上預約進實驗室的時間，預約成功后學生刷卡步入實驗室進行自主實驗，實驗在內容上也對中學生開放，中學生可按照實驗室條件自選題目以滿足不同層次中學生求知、探索和創新的欲望。幾年來，中學生做的項目有：“雙限氣溫報案器的設計與制做”、“光盤化學參數檢測及其應用”、“液體物性參數的檢測和研究”、“搭建磁阻效應裝置檢測弱磁場硬度”、“用內阻應變傳感設計與制做便攜式電子稱”等。這種課題以中學生自發學習和組團獨立完成為主，班主任在參考文獻以及課題方向上做啟發式指導，初審中學生的方案與題目，以論文答辯的方式作為實驗課程的考評形式之一。班主任與中學生在線上、線下進行多種方式的討論，產生多樣化的教學模式。
(3)以素養教育為目標，改進化學實驗課程內容與教學方式
數學學是以實驗作為基礎的學科，它的概念和規律都是在實驗中產生的，愛因斯坦把數學理論稱之為“理想實驗”的結果。在我們的理論教學中對概念的引進缺少對概念產生之前的認識和實驗背景的講解，中學生不曉得概念是如何形成和進化而至，使中學生產生對理論的方式化理解，把概念絕對化。在實驗教學中常常只讓中學生動手，沒有理論剖析。這些理論教學缺思想，實驗教學無理論的教學療效是即使中學生理論學的挺好，并且遇見實際問題不會用理論思索只會猜。出現了“中國教育只出將才不出帥才”、“優秀人才都集中在純理論估算，實驗科學探求、高科技開發優秀人才極少”的現象。目前基礎數學課程中的好多實驗，是獲得過諾貝爾獎的成果。它們在總結規律和對規律本質解釋上做出了歷史貢獻。那些內容是讓中學生了解當時科學家為何要設計這樣一個實驗，了解化學的概念和規律是如何形成進化的挺好的素材。還有些實驗為后來科技發展開辟了新的研究領域，派生出好多研究方向或產生一個新的產業。它是培養中學生科學素養、創新意識的重要內容。在我們的教學上注重作了補充、講解和討論。
現今科學的發展和各學科之間的互相交叉和滲透。新的綜合化趨勢已成為科學發展的主流，改變過去分學科的教學體系，完善以基礎實驗、綜合實驗、現代技術實驗、研究性實驗分層次的課程體系，每一層次為中學生提供一系列設計性、探究性的課題實驗。那些課題實驗是課程內容的拓展與延展，在研究性實驗課程上，降低了到科研實驗室做課題的階段，開辦了“掃描隧洞顯微術研究材料表面態密度分布”、“超快波譜研究二維半導體材料中自旋壽命”、“高溫超導體高溫輸運特點檢測”等與科研前沿緊密聯接的研究性課題，為中學生提供了聯接不同事科的實驗以及科學研究與教學實驗的平臺。
(4)從仿真實驗的定位與本質出發，強化仿真實驗在實驗教學中的作用
隨著20世紀計算機技術的高度發展大學物理實驗常用儀器的使用的原理，目前仿真實驗已成為科學研究、工程設計常用的一種實驗技巧。仿真實驗的出現是構建在對理論和實驗的深層認識和高度統一的基礎上，科學實驗是化學學家依據理論模型設計的產物，不等同我們亦稱的實踐概念。仿真實驗與真實實驗有完全相同的理論模型和本質。它的特征是操作上與真實實驗具有相同的自由度，但是正確的操作和正確的現象一致，錯誤的操作和錯誤的現象相符。在教學上由于教學的須要進行仿真實驗與真實實驗的區別只是它的原始信息是虛擬的。仿真實驗在改善我們的實驗教學環境，變革實驗環節上已起到無法替代的作用，使我們的實驗教學甩掉課堂和課時的限制，在時間和空間上得到延展和擴充，在教學上明顯提高了大面積實驗教學的質量和水平。
北方科技學院在化學實驗教學上的變革和探求，得到教育部基礎數學教學指導委員會的大力支持和認同，2013年，2016年兩次在北方科技學院開展了全省化學實驗教學研討培訓會議，使我們的變革和成果在國外院校中起到了示范和幅射作用。
本文選自《物理》2018年第6期
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