基于PBL教學(xué)模式的綜合化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革*
——以“過(guò)碳酸鈉的制備、檢驗(yàn)及性能檢測(cè)”為例

韓洪亮 安金利 （ 首都師范大學(xué)化學(xué)系； 北京實(shí)驗(yàn)學(xué)校）

基于問(wèn)題的學(xué)習(xí)方法（Problem-based Learning,簡(jiǎn)稱PBL）是由Barrows 提出并應(yīng)用于醫(yī)學(xué)教學(xué)中[1]，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于各學(xué)科的課程教學(xué)中。該教學(xué)模式將學(xué)生學(xué)習(xí)放置到“設(shè)置問(wèn)題”的教學(xué)情境中，通過(guò)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、相互協(xié)作解決設(shè)置的問(wèn)題，教師從中進(jìn)行適當(dāng)引導(dǎo)，培養(yǎng)了學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作、自主學(xué)習(xí)和創(chuàng)新能力，從而提高課程的教學(xué)質(zhì)量。近年來(lái)，PBL 也被應(yīng)用于基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中[2-4]。由于綜合化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程較基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程課時(shí)更長(zhǎng)、科研前沿內(nèi)容較多、學(xué)生的專業(yè)基礎(chǔ)更扎實(shí)，因此更利于PBL 教學(xué)模式的開(kāi)展。本文以“過(guò)碳酸鈉的制備、檢驗(yàn)及性能檢測(cè)”綜合化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)為例，敘述PBL 教學(xué)在實(shí)驗(yàn)課程中的開(kāi)展過(guò)程。

一 分組及課前預(yù)習(xí)

先將學(xué)生按照2 人一組分組。在實(shí)驗(yàn)課程開(kāi)課前1～2 周，將實(shí)驗(yàn)課程講義、預(yù)習(xí)的問(wèn)題以及學(xué)生分組情況告知學(xué)生，明確告知學(xué)生認(rèn)真思考并查閱資料，為下一階段的課程討論做準(zhǔn)備。教師要精心設(shè)置預(yù)習(xí)問(wèn)題并收集相對(duì)全面的參考資料[5]。依據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)置了如下問(wèn)題。

（1）過(guò)碳酸鈉的化學(xué)式是什么？其組成是否是固定不變的？

（2）過(guò)碳酸鈉制備方法有哪些？并比較制備方法的優(yōu)劣？

（3）過(guò)碳酸鈉的實(shí)際應(yīng)用有哪些？

（4）比較過(guò)碳酸鈉與雙氧水在實(shí)際應(yīng)用中的優(yōu)劣？

（5）本講義中過(guò)碳酸鈉的制備原理是什么？

（6）過(guò)碳酸鈉中活性氧的含量如何計(jì)算？

（7）過(guò)碳酸鈉中活性氧的含量如何測(cè)定？

（8）講義中制備方法中的碳酸鈉和硅酸鎂發(fā)揮什么作用？是否可以找到替代物？

（9）活性氧含量測(cè)定中，高錳酸鉀的濃度怎么確定？高錳酸鉀氧化還原滴定過(guò)程中需要注意哪些問(wèn)題？

（10）影響雙氧水分解的因素有哪些？

（11）產(chǎn)品1 制備中，將反應(yīng)液A 加入反應(yīng)液B 中，加入順序能否倒置？

（12）從保障活性氧含量角度出發(fā)，產(chǎn)品1 制備中應(yīng)注意哪些細(xì)節(jié)？

（13）講義中給出的主要原料和產(chǎn)品的物理化學(xué)性質(zhì)表格在實(shí)驗(yàn)中發(fā)揮什么作用?

（14）產(chǎn)品2 和3 中，氯化鈉和乙醇的加入應(yīng)用了哪些化學(xué)原理？

（15）列舉本實(shí)驗(yàn)中涉及的基本操作，并說(shuō)明操作要點(diǎn)？

（16）Fe 含量測(cè)定的基本原理，并查閱國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)？

（17）產(chǎn)品紅外光譜測(cè)定的定性表征中能夠獲得哪些官能團(tuán)信息？對(duì)于一個(gè)化學(xué)結(jié)構(gòu)明確的化合物如何指認(rèn)其紅外光譜圖中的特征峰位？

（18）產(chǎn)品的熱穩(wěn)定性分析借助熱重分析儀完成能夠獲得哪些信息？

（19）過(guò)碳酸鈉降解羅丹明B 的性能試驗(yàn)的原理？降解的產(chǎn)物如何分析？

（20）在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，如何提高產(chǎn)率和活性氧含量？

（21）除講義中涉及的產(chǎn)物表征和測(cè)試手段外，還能應(yīng)用哪些表征手段對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行分析？

（22）基于以上問(wèn)題，你是通過(guò)什么方法獲得答案的？

設(shè)置的問(wèn)題主要涉及研究背景、實(shí)驗(yàn)原理、基本操作、產(chǎn)品性能測(cè)試以及影響因素等。通過(guò)文獻(xiàn)資料的查閱，學(xué)習(xí)文獻(xiàn)檢索的一般方法，了解實(shí)驗(yàn)開(kāi)展的意義，用已有的基礎(chǔ)化學(xué)知識(shí)去分析實(shí)驗(yàn)原理和檢測(cè)手段并學(xué)會(huì)如何運(yùn)用文獻(xiàn)檢索驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)猜想等能力，從而了解一般的科研方法。通過(guò)學(xué)生的自我學(xué)習(xí)，加深對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的了解，激發(fā)學(xué)生驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的積極性。這個(gè)過(guò)程是“被動(dòng)學(xué)習(xí)”，需要學(xué)生基于設(shè)置問(wèn)題做演示文稿，以組為單位為下一階段的討論做準(zhǔn)備。提前告知學(xué)生，討論匯報(bào)內(nèi)容在課程考核中占比較多，讓學(xué)生們認(rèn)真準(zhǔn)備。組內(nèi)組員間資料共享、交流討論和演示文稿制作有利于培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作能力，互通有無(wú)，增強(qiáng)集體榮譽(yù)感。與實(shí)驗(yàn)相關(guān)的未知知識(shí)的獲取會(huì)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

二 實(shí)驗(yàn)前討論

按照分組情況進(jìn)行每個(gè)小組的講演，一個(gè)學(xué)生主講一個(gè)學(xué)生補(bǔ)充。講演前告知學(xué)生，認(rèn)真學(xué)習(xí)每個(gè)小組的匯報(bào)內(nèi)容，最后要點(diǎn)評(píng)。在各個(gè)小組發(fā)言完畢后，請(qǐng)同學(xué)們各抒己見(jiàn)，教師進(jìn)行點(diǎn)評(píng)。雖然課前學(xué)生做了大量預(yù)習(xí)，但是對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的重點(diǎn)和難點(diǎn)依然不會(huì)確切了解。討論結(jié)束后，教師對(duì)學(xué)生的匯報(bào)內(nèi)容進(jìn)行總結(jié)和講解，對(duì)于實(shí)驗(yàn)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)細(xì)致講解。例如實(shí)驗(yàn)試劑的混合順序、實(shí)驗(yàn)中玻璃儀器的選擇、利用試劑的物理化學(xué)性質(zhì)分析實(shí)驗(yàn)參數(shù)、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理、活性氧含量和鐵含量測(cè)定的過(guò)程等。面對(duì)現(xiàn)在學(xué)生較強(qiáng)的學(xué)習(xí)和分析能力，為了更好地掌控課堂，實(shí)驗(yàn)課前討論環(huán)節(jié)需要教師準(zhǔn)備充足的資料來(lái)應(yīng)對(duì)學(xué)生提出的問(wèn)題。

三 實(shí)驗(yàn)開(kāi)展

實(shí)驗(yàn)開(kāi)展過(guò)程中，為提高過(guò)碳酸鈉產(chǎn)品的性能需要選擇不同的包埋試劑，進(jìn)行平行實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生理解在科學(xué)研究中如何考察實(shí)驗(yàn)因素的影響。三組學(xué)生分別是一組不使用包埋試劑、一組選擇硅酸鈉和硫酸鎂、一組選擇EDTA 或高分子聚合物。同時(shí)講解正交實(shí)驗(yàn)法和響應(yīng)曲面法這兩種在科研和實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中普遍使用的研究方法。但由于實(shí)驗(yàn)課時(shí)的限制沒(méi)有使用兩種實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。在實(shí)驗(yàn)開(kāi)展過(guò)程中，教師要觀察注意學(xué)生的實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)，如課堂紀(jì)律、實(shí)驗(yàn)基本操作、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄和計(jì)算等，特別要時(shí)刻觀察、指導(dǎo)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)基本操作，嚴(yán)格要求、規(guī)范操作?；钚匝鹾康臏y(cè)定和計(jì)算是本實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，對(duì)于高錳酸鉀濃度的設(shè)定、標(biāo)定和氧化還原滴定的過(guò)程要重點(diǎn)講解和引導(dǎo)，讓學(xué)生理解原理并學(xué)會(huì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。

本實(shí)驗(yàn)中涉及紅外光譜、紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)、熱分析儀等中大型儀器設(shè)備，前期學(xué)生已經(jīng)預(yù)習(xí)儀器設(shè)備的原理，實(shí)驗(yàn)中教師現(xiàn)場(chǎng)演示操作并說(shuō)明原理，然后每個(gè)學(xué)生要親自操作，得到分析測(cè)試結(jié)果，師生討論如何分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

四 實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論與總結(jié)

對(duì)于不同實(shí)驗(yàn)條件下，不同組別獲得產(chǎn)品的質(zhì)量、產(chǎn)率、活性氧含量等數(shù)據(jù)會(huì)有差別。教師匯總各組的數(shù)據(jù)后，以“如何提高產(chǎn)率和活性氧含量？”為出發(fā)點(diǎn)，師生共同開(kāi)展實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，并與文獻(xiàn)中的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。最后教師對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和師生討論內(nèi)容進(jìn)行總結(jié)。討論后，學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行總結(jié)、分析，書(shū)寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。教師對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)報(bào)告、交流環(huán)節(jié)反映的問(wèn)題進(jìn)行總結(jié)并完善“預(yù)習(xí)問(wèn)題”，優(yōu)化教學(xué)環(huán)節(jié)。

五 實(shí)驗(yàn)課程考核

實(shí)驗(yàn)課程成績(jī)考核方法的科學(xué)性是影響PBL 教學(xué)方法教學(xué)效果的關(guān)鍵因素。本實(shí)驗(yàn)的最終成績(jī)?cè)u(píng)定包括課前預(yù)習(xí)、現(xiàn)場(chǎng)講演、實(shí)驗(yàn)課堂表現(xiàn)（基本實(shí)驗(yàn)操作規(guī)范程度、課堂紀(jì)律、實(shí)驗(yàn)環(huán)保與衛(wèi)生）、制備產(chǎn)品（質(zhì)量、產(chǎn)率、活性氧含量、穩(wěn)定性）、實(shí)驗(yàn)報(bào)告、學(xué)生互評(píng)和自評(píng)成績(jī)。學(xué)生互評(píng)和自評(píng)采用不記名投票打分方式，評(píng)價(jià)內(nèi)容包括基礎(chǔ)知識(shí)、科研能力、語(yǔ)言表達(dá)、基本操作、協(xié)作能力。

六 教學(xué)評(píng)價(jià)

將實(shí)驗(yàn)組與非PBL 教學(xué)模式組對(duì)比，進(jìn)行教學(xué)評(píng)價(jià)。學(xué)生的課程評(píng)價(jià)以問(wèn)卷形式開(kāi)展，問(wèn)卷內(nèi)容包括學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、語(yǔ)言表達(dá)、相互合作、基本操作和對(duì)實(shí)驗(yàn)的重視程度。實(shí)驗(yàn)組學(xué)生還需對(duì)PBL 實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式提出建議和意見(jiàn)。從教學(xué)評(píng)價(jià)結(jié)果看，學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作和創(chuàng)新能力有明顯進(jìn)步，特別是激發(fā)了學(xué)生對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)和科學(xué)研究的興趣，提高了學(xué)生的科研素養(yǎng)。

將PBL 教學(xué)法應(yīng)用于綜合化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)利于發(fā)揮學(xué)生主體地位，從被動(dòng)答題到主動(dòng)學(xué)習(xí)，鍛煉學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力，課程實(shí)施過(guò)程中師生互動(dòng)、生生互動(dòng)活躍課堂氣氛，利于獲得“真知灼見(jiàn)”，利于培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)精神和協(xié)作能力，在交流碰撞中不同“層次”的學(xué)生都能有所收獲。PBL 教學(xué)法應(yīng)用于化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)呈現(xiàn)出多層次、立體化的互動(dòng)課堂。既培養(yǎng)學(xué)生基礎(chǔ)知識(shí)與技能、提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，又提高學(xué)生的科研素養(yǎng)和解決問(wèn)題的能力，提高化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)質(zhì)量。同時(shí)PBL教學(xué)方法實(shí)施的過(guò)程中，對(duì)教師的知識(shí)儲(chǔ)備、教學(xué)方法提出更高的要求，需要對(duì)每個(gè)化學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)預(yù)習(xí)問(wèn)題和儲(chǔ)備相關(guān)知識(shí)，是教師全面成長(zhǎng)的過(guò)程。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)施過(guò)程中，教師要根據(jù)學(xué)生個(gè)體差異、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的不同進(jìn)行“因地制宜”的優(yōu)化才能達(dá)到滿意的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。