学院的基础数学教学，分为理论课教学和实验课教学，两种教学是独立运行的。理论课教学是以知识传授为主，培养中学生的理论思维方式；实验课教学则是要求中学生把握一些基本的技术，以动手为主，培养中学生产生理论结合实际的思维，使中学生具备初步的研究和应用开发能力。那些年来物理教学出现的问题是中学生结业后在研究和应用开发上倍感无从下手，没有思路。即使理论学的挺好，但碰到实际问题不会用科学理论的思维去剖析，也难以用适宜的理论或实验技术去解决问题大学物理实验常用仪器的使用的原理，而是借助用直觉去猜的办法。在人才培养上出现“高分低能”、“知行不一”的现象，中学生没有产生理论联系实际的思维。针对这个问题我们对理论教学和实验教学进行了调查和比较研究，对中国科学技术学院200名理工科结业生进行问卷测试，要求中学生填写已学过的数学理论课程章节和已做过的化学实验名称，各填写20项，统计结果见表1。理论课的记忆率为77.8%，实验课的记忆率为22.1%。若果按中学生做过的38项化学实验统计，实际记忆率仅为11.7%。数据结果表明目前学院实验教学的教学质量和培养人的疗效与理论教学相比存在着巨大差别，中学生普遍觉得实验教学好多是“走过场”。因此我们对理论教学和实验教学过程解剖进行比较剖析。下边是一个理论教学的中学生学习链：
(预习)→(课堂教学)→(备考)→(作业练习)→(考试)，
理论课学习，中学生可借助教科书课前预习，提升听课的疗效，课后可借助笔记和教科书进行备考，消化课程内容，再通过作业训练巩固和检验自己的学习成果。作为班主任教学的两个环节，课堂教学可充分发挥效率，考试可客观、准确地掌握教学质量关口。
表1中国科学技术学院关于学院数学教学的问卷调查结果
但是，实验教学不存在理论教学这样的条件。实验教学的中学生学习情况为：
(预习)→(课堂实验)→(备考)→(作业练习)→(考试)，
中学生难以借助书本进行实验预习、复习和操作训练。实验教学内容仅仅局限在课堂3—4小时，3—4小时内中学生要了解实验原理、仪器的使用方式和原理，但是完成实验基本上是不可能的。多年来院校实验教学“走过场”已成为普遍现象。中学生在课堂实验上难以消化实验教学的内容，因而也提不出哪些问题，这样的课弄成谁都能带，教学门槛很低。另一方面，面临成百上千中学生，数学实验考试也难以着力有效地进行，凭印象打分，成绩因班主任而异，考试没有客观一致的标准。这样的考试对班主任也没有衡量和约束能力，所以实验班主任只存在教学量的压力，而没有教学水平高低的压力。难以客观评估教学疗效也是导致大面积实验教学常年低水平循环的主要诱因。低水平的教学循环带来的影响除了是培养人才的疗效低下，并且使实验班主任队伍退化。针对过去院校常年存在的那些问题和困难，北方科技学院在建校之初，化学实验教学从第一届中学生开始在变革上就迈出了重大的脚步。
(1)把大面积增强实验教学质量作为教学变革的第一目标
北方科技学院在化学实验教学中心建设上，软硬件建设并行，采用产学研合作模式开发出系列教学软件，建设了一系列与课程对应的仿真实验，与实验对应的仿真实验预习系统以及基于仿真实验的实验操作考试系统。
中学生课前必须先在网上完成实验的预习，预习改变了过去抄书完成预习报告的形式，采用基于仿真实验的预习系统了解实验原理，仪器的原理及使用，完成实验的操作过程。预习系统有基于实际操作规则(非操作次序)的班主任专家衡量系统，会对中学生的预习做出衡量，强调错误，容许中学生反复预习直至获得满意的分数。这样中学生在上课前已基本把握了实际的教学内容，对实验仪器的使用达到胸有成竹，然后在课堂上中学生独立完成真实实验并与班主任进行交流。班主任课堂上只需答疑解惑，中学生有充足的时间消化实验教学内容，收获感大大提升，迸发了中学生的学习热情。
考试系统由仿真实验、教师专家系统、实验试卷库组成，班主任可以自由组卷，中学生的考试分数由计算机手动评选，实现了实验教学的评估有客观一致的标准，对中学生是公正的，不同班主任的教学质量可比较，加上每学期一次的中学生问卷(后附)调查，对班主任的教学和水平进行评估，推动了实验班主任队伍的业务提高，北方科技学院结束了过去院校常年存在的实验教学低水平循环的现象。近几年中学生对化学实验教学给与了很高的评价。表2和表3分别为北方科技学院中学生对学院化学实验课程的评教分数以及评教所用的问卷。
表2北方科技学院化学实验课程中学生评教分数
表3北方科技学院中学生评教问卷(实验课)
(2)营造创新人才培养的多样化实验教学环境
结合当前信息管理技术的发展，我们把现有的基础化学实验室都建成了开放式服务实验室，在完成公共选修实验、选修实验之余，全天候向中学生开放。中学生可在网上预约进实验室的时间，预约成功后学生刷卡步入实验室进行自主实验，实验在内容上也对中学生开放，中学生可按照实验室条件自选题目以满足不同层次中学生求知、探索和创新的欲望。几年来，中学生做的项目有：“双限气温报案器的设计与制做”、“光盘化学参数检测及其应用”、“液体物性参数的检测和研究”、“搭建磁阻效应装置检测弱磁场硬度”、“用内阻应变传感设计与制做便携式电子称”等。这种课题以中学生自发学习和组团独立完成为主，班主任在参考文献以及课题方向上做启发式指导，初审中学生的方案与题目，以论文答辩的方式作为实验课程的考评形式之一。班主任与中学生在线上、线下进行多种方式的讨论，产生多样化的教学模式。
(3)以素养教育为目标，改进化学实验课程内容与教学方式
数学学是以实验作为基础的学科，它的概念和规律都是在实验中产生的，爱因斯坦把数学理论称之为“理想实验”的结果。在我们的理论教学中对概念的引进缺少对概念产生之前的认识和实验背景的讲解，中学生不晓得概念是如何形成和进化而至，使中学生产生对理论的方式化理解，把概念绝对化。在实验教学中常常只让中学生动手，没有理论剖析。这些理论教学缺思想，实验教学无理论的教学疗效是即使中学生理论学的挺好，并且遇见实际问题不会用理论思索只会猜。出现了“中国教育只出将才不出帅才”、“优秀人才都集中在纯理论估算，实验科学探求、高科技开发优秀人才极少”的现象。目前基础数学课程中的好多实验，是获得过诺贝尔奖的成果。它们在总结规律和对规律本质解释上做出了历史贡献。那些内容是让中学生了解当时科学家为何要设计这样一个实验，了解化学的概念和规律是如何形成进化的挺好的素材。还有些实验为后来科技发展开辟了新的研究领域，派生出好多研究方向或产生一个新的产业。它是培养中学生科学素养、创新意识的重要内容。在我们的教学上注重作了补充、讲解和讨论。
现今科学的发展和各学科之间的互相交叉和渗透。新的综合化趋势已成为科学发展的主流，改变过去分学科的教学体系，完善以基础实验、综合实验、现代技术实验、研究性实验分层次的课程体系，每一层次为中学生提供一系列设计性、探究性的课题实验。那些课题实验是课程内容的拓展与延展，在研究性实验课程上，降低了到科研实验室做课题的阶段，开办了“扫描隧洞显微术研究材料表面态密度分布”、“超快波谱研究二维半导体材料中自旋寿命”、“高温超导体高温输运特点检测”等与科研前沿紧密联接的研究性课题，为中学生提供了联接不同事科的实验以及科学研究与教学实验的平台。
(4)从仿真实验的定位与本质出发，强化仿真实验在实验教学中的作用
随着20世纪计算机技术的高度发展大学物理实验常用仪器的使用的原理，目前仿真实验已成为科学研究、工程设计常用的一种实验技巧。仿真实验的出现是构建在对理论和实验的深层认识和高度统一的基础上，科学实验是化学学家依据理论模型设计的产物，不等同我们亦称的实践概念。仿真实验与真实实验有完全相同的理论模型和本质。它的特征是操作上与真实实验具有相同的自由度，但是正确的操作和正确的现象一致，错误的操作和错误的现象相符。在教学上由于教学的须要进行仿真实验与真实实验的区别只是它的原始信息是虚拟的。仿真实验在改善我们的实验教学环境，变革实验环节上已起到无法替代的作用，使我们的实验教学甩掉课堂和课时的限制，在时间和空间上得到延展和扩充，在教学上明显提高了大面积实验教学的质量和水平。
北方科技学院在化学实验教学上的变革和探求，得到教育部基础数学教学指导委员会的大力支持和认同，2013年，2016年两次在北方科技学院开展了全省化学实验教学研讨培训会议，使我们的变革和成果在国外院校中起到了示范和幅射作用。
本文选自《物理》2018年第6期
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