二、以学生为中心教学范式改革

大学实验课程中手工绘图和计算机辅助绘图的平衡发展
——以“物理化学实验”课程为例[注]

张胜红[注]

（北京石油化工学院　化学工程学院）

摘要：在物理化学实验手工绘图教学中引入计算机绘图并对比分析了两种教学模式对培养学生数据处理、分析和表达能力的影响。结合手工绘图和计算机绘图的特点、物理化学实验报告和课程调查问卷的反馈，提出从计算机绘图向计算机辅助绘图转变，同时手工绘图和计算机辅助绘图在物理化学实验教学中应平衡发展。在手工绘图强化图示法基本规范的基础上，鼓励学生采用计算机辅助绘图并加强绘图过程和图形规范的引导，培养其理性思维、构思创造和形象表达相结合以及利用现代技术处理和分析数据的能力。

关键词：物理化学实验；手工绘图；计算机辅助绘图；教学模式

引言

物理化学实验是借助物理和数学的原理和研究方法揭示化学反应本质规律的一门实验科学，涉及多学科基础知识和基本原理的理解和引用，具有较强理论性、技术性和综合性^[1]。在具体实验教学中不仅要求学生如实记录实验现象和数据，而且需要对实验数据进行处理、分析、归纳和总结，判断所得实验结果的可靠性，分析主要误差来源以减小或消除实验误差。在诸多数据处理和分析方法中，图示法能够直观、形象地表达数据的特点及其所代表的物理量之间的函数关系——尤其在大量实验数据之间的内在科学规律尚未完全明确时，是一种处理和分析化学实验数据的基本方法^[2]。因此，培养学生图示法处理和分析实验数据的能力并发展相应的逻辑思维，是物理化学实验课程的重要教学内容和目标，同时也是对工程教育专业本科生“采集、分析和解释实验数据，并通过信息综合得到合理有效的结论”毕业要求指标点的有力支撑。

传统实验教学中，基于测定的实验数据采用坐标纸手工绘图是学生处理和分析实验数据的主要形式。随着“使用现代工具”本科生毕业能力要求的提出，Matlab、Origin等专业数据处理和绘图软件的使用近年来逐步渗透到大学实验教学中，基于计算机（软件）绘图的教育教学研究^[3-6]也显著增加。但这些研究目前主要集中在采用计算机软件进行数据处理和绘图的准确性、便捷性以及重现性，很少涉及软件使用对培养学生数据处理和分析能力的影响。基于“以学生为中心”的教学理念，本文在分析手工绘图和计算机绘图各自特点的基础上，尝试对物理化学实验课程中图示法的教学内容和模式进行改革——从传统手工绘图逐步向计算机辅助绘图迁移，并对比分析了两种教学模式对学生图示法处理和分析数据能力的影响，以期建立更为有效的图示法教学模式。

1．手工绘图和计算机绘图概述

手工绘图要求学生基于实验原理对实验数据进行初步解析，同时设计合适的表现形式将抽象的规律以可视化的图形规范而形象地展示出来。这一过程是理性思维、构思创造、形象视觉和绘图能力的综合^[7，8]，不仅能够在实际操作过程中加深学生对实验原理的认知和运用，还能够有效地训练学生眼、脑和手的协同能力。图形的构思和手工绘制过程，尽管费时、费力，却是学生模仿、执行和领悟绘图规范并不断内化的学习过程；同时也是其个人风格和审美特点的展示过程，有利于促进学生的个性化发展。

不同于手工绘图，计算机绘图是以数据为基础并执行一定的运算和表达规则而得到的标准化的图形^[7]。数据和规则是计算机绘图的基础，这避免了图形绘制和数据分析过程中人为引入的误差，保证了数据分析和图形绘制的准确性和重现性。此外，各种专业绘图软件日益人性化的操作界面也使得计算机绘图过程更为简单和便捷，和传统手工绘图相比能够节省大量的时间和精力。尽管忠于数据和规则是计算机绘图的优势，但过分依赖计算机绘图有可能阻碍学生构思创造、形象表达和绘图能力的发展，因为计算机程序化的绘图模式完全掩盖了图形设计的过程^[9]。

2．实验教学改革实施过程

为对比分析手工绘图和计算机绘图对学生图示法处理和分析数据能力发展的影响，笔者针对所在学院制药工程专业2015级药151/152班共计58名同学进行了物理化学实验教学模式的改革。教学改革的具体实施方案如图1所示：在共计十个物理化学实验中，前期四个实验（氧弹法测定煤的燃烧热值、热重-差热法测定煤的灰分和燃烧热值、凝固点降低法测定尿素的摩尔质量和氨基甲酸铵分解平衡常数的测定）均按照传统手工绘图的要求进行实验教学；中间两个实验（乙醇饱和蒸气压的测定和乙醇-乙酸乙酯二组分气液相图的绘制）的数据处理和分析，则要求同学采用Origin软件参照手工绘图的要求进行绘图（此前已对学生进行Origin软件操作过程的培训），但未额外强调图形的格式和规范性；后期四个实验（原电池电动势的测定、最大泡压法测定溶液的表面张力、蔗糖水解反应及乙酸乙酯皂化反应速率常数的测定）则在学生使用Origin软件绘图的过程适当引导并强调所绘图形的科学性和规范性。

上述教学改革的效果采用实验报告中图形质量和期末课程调查问卷进行评价。其中，图形质量包括图形的设计是否合适，坐标轴范围和分度值的选取以及拟合曲线方程的选择是否合理，图名、数据标记、坐标轴名称和单位的表达是否正确等内容；问卷调查的内容则涵盖计算机辅助作图的教学效果、学生对采用Origin软件绘图的认可度及后续使用倾向性等方面。

3．实施效果和改进之处

经过前期四个实验报告手工绘图的训练，大部分同学已经掌握图示法的要领，能够采用规范的图示法处理和分析实验数据。在此基础上，当绘图方式从手工绘图转化为计算机绘图后，图形质量的变化能够直观地反映出两种绘图方式的区别，有助于分析计算机绘图在培养学生设计、构思和绘图能力方面的不足并为采取针对性的措施弥补提供参考。

3.1　计算机绘图的不足

和前期四次实验报告中手工绘制图形的质量相比，中间两次实验报告中计算机所绘图形的规范性和美观性存在明显差距。主要表现在以下几个方面：图形的规范性有待改进，不同系列的数据采用同样的数据标记、坐标轴名称和单位不全、物理量的表达缺少单位等现象屡见不鲜；原始数据点取舍及拟合曲线选取不当，不少同学无法正确判断和剔除无效的实验数据，难以依据实验原理或数据变化趋势选择合适的拟合方程，而是简单地采用线性方程或多项式方程对全部数据点进行拟合；图形的设计性较低，学生提交的大多为方方正正的图形，数据及曲线占整个图形的比例、边框留白及文字字体等方面有待优化。

导致上述现象的诸多原因中固然有Origin软件使用不熟练的因素，但更多在于Origin软件程序化的绘图过程、使用者对Origin软件的依赖和盲目信任以及由此而导致的使用者主观能动性的降低。在Origin软件的“Worksheet”中输入数据，点击“Plot”选项立即就能生成相应的图形。这种便捷的绘图方式能够满足大部分实验数据的分析要求，直接导致学生不愿意花费更多精力去设计和规范图形。此外，在数据拟合和后续分析方面，部分同学过于依赖甚至盲目信任计算机的分析能力，未对原始数据点的有效性进行甄别，导致分析结果误差较大以至于结论有悖实验规律。实际上，计算机仅仅是一个工具而已，本身并不具备思维和分辨能力，不应该也不能成为数据处理和分析的主体。因此，计算机程序化的绘图需要使用者主动介入以体现其理性思维、构思创造、形象表达和绘图能力的综合。

3.2　计算机绘图的改进及效果评价

针对中间两次实验报告批阅中暴露出的问题，作为任课教师首先明确了计算机绘图和计算机辅助绘图的概念，强调使用者在计算机绘图过程中的主导地位并引导学生在观念上从计算机绘图向计算机辅助绘图转变。在具体操作过程中要求学生参照手工绘图的要求在科学性、规范性和美观性方面进一步完善Origin软件绘制的图形，确保最终图形能够体现出个人设计和构思的元素；同时在后续曲线拟合和数据分析过程中要求学生首先根据自己的理性判断剔除无效的数据点，然后依据实验原理或数据变化趋势选取合适的拟合方程。经此改进后，任课教师随后对比分析了前四次、中间两次和后四次实验报告中的图形质量，发现计算机辅助绘图的准确性和规范性完全能够媲美甚至超过手工绘图。大部分同学能够正确标识图名、坐标轴名称、刻度、单位和数据标记等要素并且选取合适的曲线进行拟合。此外，所绘图形也体现了一定的个人特点，尽管数据标记尺寸、线条粗细和虚实等细节问题仍有待改善。这表明：计算机辅助绘图和手工绘图相比只是绘图方式从坐标纸的手工体系转向计算机的数字化平台，经过合理引导同样能够训练学生理性思维、构思创造和形象表达能力的结合，并且有助于培养学生利用现代技术处理和分析数据的能力。

为从学生角度详细评估上述实验教学模式改革的效果，任课教师在课程结束后对计算机辅助绘图的教学效果、认可度和后续使用倾向性方面进行了匿名问卷调查。该次调查回收有效问卷49份，有效问卷回收率为84.48%。具体调查结果如表1所列。任课教师在计算机辅助绘图过程中加以合理引导后，95.9%的同学对采用Origin软件辅助绘图持正向肯定态度并且高达98.0%的同学认为计算机辅助绘图更有利于培养自己采用图示法处理和分析实验数据的能力。这表明Origin软件作为一个简化绘图过程的工具，其自身不会显著影响学生的设计和表达能力；如果在计算机辅助绘图过程中体现出使用者的主导地位且任课教师在图形科学性、规范性和美观性方面给予学生进一步改进的动力，计算机辅助绘图同样能够训练使用者眼、脑和手的协同，在兼顾软件绘图便捷、准确性的同时，培养学生设计、构思和形象表达相结合的能力。此外，95.9%的同学在以后的学习中愿意继续采用Origin软件处理和分析实验数据，进一步表明计算机辅助绘图比传统手工绘图对学生更有吸引力，更适合现代学生多元化的学习方式。这不仅能够提高学生使用现代技术工具分析和解决实际问题的能力，而且有助于强化学生自主学习和终身学习的意识并培养其持续学习和适应发展的能力，在“以学生为中心”的教学理念下应该优先发展。

4．结论

和手工绘图相比，计算机辅助绘图能够准确、便捷、高效地处理、分析和呈现实验数据，相关“使用现代工具”能力的培养理应体现在物理化学实验教学中以符合社会发展的需求。但计算机绘图的便捷往往降低学生理性思维和形象视觉表达相结合的能力，弱化学生对图形规范性的认知和学习过程。因此，在具体的实验教学过程中应以学生的能力发展为中心，从手工绘图入门并逐步过渡到计算机辅助绘图，培养学生利用现代技术工具处理和分析实验数据的能力并发展相应的逻辑思维。此外，物理化学实验教学中应强调计算机辅助绘图过程中使用者的主导地位，合理引导绘图过程并重点关注图形的科学性、规范性和美观性，以培养学生理性思维、构思创造和形象视觉表达相结合的能力。

参考文献

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