無(wú)機(jī)化學(xué)類專業(yè)基礎(chǔ)課翻轉(zhuǎn)課堂中的問(wèn)題學(xué)習(xí)法(PBL)應(yīng)用

宋 亮,張 芬,尹訓(xùn)茜,黃小文

(山東科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,山東 青島 266590)

1 PBL與翻轉(zhuǎn)課堂方式推進(jìn)教學(xué)改革的必要性

基于問(wèn)題的學(xué)習(xí)法(Problem Based Learning，簡(jiǎn)稱PBL)是目前創(chuàng)新教學(xué)中普遍研究的一種教學(xué)方式[1-2]，采用以問(wèn)題為中心，以學(xué)生為主體來(lái)組織教學(xué)過(guò)程，從而激發(fā)學(xué)生對(duì)課程產(chǎn)生興趣[3]，避免傳統(tǒng)的講授法過(guò)程中學(xué)生機(jī)械、被動(dòng)、填鴨式學(xué)習(xí)[4]，PBL將有利于學(xué)生創(chuàng)新能力的建立和發(fā)散性思維的培養(yǎng)[5-6]。

翻轉(zhuǎn)課堂倡導(dǎo)學(xué)生成為教學(xué)過(guò)程中的主體，而課堂演變成了老師學(xué)生之間和學(xué)生與學(xué)生之間互動(dòng)的場(chǎng)所[7]，包括答疑解惑、知識(shí)的運(yùn)用等，從而達(dá)到更好的教育效果[8]。學(xué)生可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)去使用優(yōu)質(zhì)的教育資源，不再單純地依賴授課老師去教授知識(shí)[9]。但是，目前翻轉(zhuǎn)課堂的具體實(shí)施過(guò)程中存在一些弊端，例如教師布置課程任務(wù)不明晰，這樣非但沒(méi)有起到激發(fā)學(xué)生興趣的作用，反而會(huì)讓部分學(xué)生產(chǎn)生應(yīng)付工作的心理。

針對(duì)大一、大二低年級(jí)學(xué)生，采用翻轉(zhuǎn)課堂，最關(guān)鍵的是將問(wèn)題明確化，并且從簡(jiǎn)至繁，一步步引導(dǎo)學(xué)生對(duì)課程的興趣，從而建立起自身學(xué)習(xí)的動(dòng)力，這在其今后三四年的學(xué)習(xí)生涯中將起到至關(guān)重要的作用。例如，對(duì)化學(xué)熱力學(xué)章節(jié)的學(xué)習(xí)，其中化學(xué)反應(yīng)熱的概念、測(cè)量方式、應(yīng)用可做一個(gè)主題點(diǎn)，使知識(shí)在實(shí)際中應(yīng)用(煤、天然氣、水煤氣、汽油、柴油、航空煤油等能源化合物的熱值度量)，讓學(xué)生有自己把控學(xué)習(xí)的興奮感和任務(wù)感，將翻轉(zhuǎn)課堂與基于問(wèn)題的學(xué)習(xí)法結(jié)合起來(lái)，達(dá)到引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)的目的，防止灌輸式教育帶來(lái)的負(fù)面影響。

2 基于問(wèn)題的學(xué)習(xí)法在無(wú)機(jī)與分析化學(xué)翻轉(zhuǎn)課堂中的應(yīng)用

《無(wú)機(jī)化學(xué)》、《無(wú)機(jī)與分析化學(xué)》是材料化學(xué)、材料物理、高分子材料、無(wú)機(jī)非金屬材料、金屬材料、復(fù)合材料、材料科學(xué)與工程、應(yīng)用化學(xué)、分析化學(xué)、生物工程、環(huán)境科學(xué)與環(huán)境工程等專業(yè)的低年級(jí)專業(yè)基礎(chǔ)課。無(wú)機(jī)與分析化學(xué)課程的主要教學(xué)內(nèi)容包括四大平衡、物質(zhì)結(jié)構(gòu)、化學(xué)熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)等基礎(chǔ)知識(shí)，通過(guò)本課程的培養(yǎng)，應(yīng)使學(xué)生從大一時(shí)期就開(kāi)始養(yǎng)成良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣，初步掌握分析科學(xué)問(wèn)題解決問(wèn)題的能力。但是在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中，存在著一系列問(wèn)題[10]。

第一，重理論輕思考，該課程的特點(diǎn)是知識(shí)點(diǎn)較多，學(xué)生容易對(duì)教學(xué)內(nèi)容缺乏深入思考。

第二，目前《無(wú)機(jī)與分析化學(xué)》、《無(wú)機(jī)化學(xué)》等專業(yè)基礎(chǔ)課程的理論教學(xué)仍然以向?qū)W生灌輸大量書(shū)本知識(shí)為主，導(dǎo)致學(xué)生的學(xué)習(xí)專業(yè)課程的興趣低。

第三，教學(xué)手段和方法陳舊，講授法使用過(guò)于頻繁，雖然突出了教師的主控地位，然而忽視了學(xué)生的主體地位，導(dǎo)致學(xué)生仍沿用中學(xué)學(xué)習(xí)的慣性思維，偏重記憶，學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力薄弱[11]。

第四，課程考核方法主要還是采用期末卷面測(cè)驗(yàn)作為對(duì)學(xué)生最終考評(píng)的主要依據(jù)，考核制度沒(méi)有發(fā)生根本性的改變，容易造成學(xué)生為考試而學(xué)習(xí)，不利于調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性，知識(shí)應(yīng)用能力得不到很好的鍛煉和提高[12]。

此外，目前教育理念提倡改革教學(xué)方法，并倡導(dǎo)對(duì)學(xué)生培養(yǎng)過(guò)程的改變，指出“從臺(tái)上走到臺(tái)下，由教師的角色轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)師的角色，由灌輸式教學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)橹笇?dǎo)式教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生課外自主學(xué)習(xí)，真正從過(guò)去以老師為中心轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫W(xué)生為中心”。我們從新/舊教學(xué)方式應(yīng)用比例調(diào)整、PBL的問(wèn)題提出、動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)跟蹤等方面綜合探究了“PBL+翻轉(zhuǎn)課堂”模式的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)教學(xué)方式的革新。

2.1 新/舊教學(xué)方式應(yīng)用比例調(diào)整

探索適合低年級(jí)學(xué)生特點(diǎn)(喜歡被動(dòng)接受知識(shí)、喜歡通過(guò)作業(yè)習(xí)題完善知識(shí)學(xué)習(xí))的無(wú)機(jī)化學(xué)類專業(yè)基礎(chǔ)課教學(xué)方式，以及通過(guò)學(xué)生反饋，及時(shí)調(diào)整新/舊教學(xué)方式應(yīng)用的比例。針對(duì)這類學(xué)生的特點(diǎn)，PBL模式翻轉(zhuǎn)教學(xué)與講授法教學(xué)配合使用，設(shè)置合適的章節(jié)講授比例，從簡(jiǎn)至難，逐步應(yīng)用新的教學(xué)方式。部分中學(xué)的應(yīng)試教學(xué)理念和部分學(xué)生機(jī)械、被動(dòng)的填鴨式學(xué)習(xí)方式在大學(xué)低年級(jí)學(xué)生身上有所體現(xiàn)[2]，因此如果整個(gè)教學(xué)過(guò)程中實(shí)行PBL+翻轉(zhuǎn)課堂模式，其教學(xué)效果會(huì)大打折扣，我們嘗試了在部分章節(jié)中實(shí)行新模式，例如化學(xué)熱力學(xué)中的熱值與能源化合物應(yīng)用的關(guān)系，酸堿平衡和酸堿滴定的PBL教學(xué)翻轉(zhuǎn)。并且，講授法并不必然導(dǎo)致“填鴨式”教學(xué)，其他教學(xué)方法例如PBL、翻轉(zhuǎn)課堂在講授法的輔助下才能得到恰當(dāng)運(yùn)用[13]。

針對(duì)“熱化學(xué)與熱力學(xué)狀態(tài)函數(shù)”章節(jié)的學(xué)習(xí)，由于其內(nèi)容與高中課程有一定的銜接性，該部分易于實(shí)施翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式。例如，可引導(dǎo)學(xué)生基于“煤礦開(kāi)采用炸藥的定壓爆熱計(jì)算”問(wèn)題，開(kāi)展對(duì)Hess(蓋斯)定律的學(xué)習(xí)，并掌握應(yīng)用Hess定律計(jì)算難以測(cè)定或無(wú)法用實(shí)驗(yàn)測(cè)定的反應(yīng)熱。通過(guò)蓋斯三角形，見(jiàn)圖1，炸藥的定壓爆熱難易通過(guò)常規(guī)的量熱儀測(cè)量，可通過(guò)計(jì)算Q(元素→炸藥)和Q(元素→爆炸產(chǎn)物)，從而得出該乳化炸藥的定壓爆熱為Qp=Q2,3=Q1,3-Q1,2[14]。

圖1 炸藥定壓爆熱計(jì)算的Hess三角形

對(duì)于“化學(xué)反應(yīng)方向性、平衡限度、速度”章節(jié)的學(xué)習(xí)，可通過(guò)解決實(shí)際問(wèn)題，來(lái)培養(yǎng)學(xué)生對(duì)綜合問(wèn)題的解決能力。以“尾氣污染問(wèn)題”為PBL的問(wèn)題點(diǎn)，激發(fā)學(xué)生們開(kāi)展對(duì)各組化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中方向性、平衡限度、速度的思考。例如，氮氧化物與一氧化碳的化學(xué)方程式(見(jiàn)式1)，讓同學(xué)們通過(guò)文獻(xiàn)、數(shù)據(jù)庫(kù)檢索各參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，室溫下的吉布斯自由能變?yōu)?334 kJ/mol，為負(fù)值，說(shuō)明反應(yīng)可自發(fā)進(jìn)行，標(biāo)準(zhǔn)平衡常數(shù)為1.9×1060，說(shuō)明反應(yīng)可進(jìn)行的限度很大。若該反應(yīng)能快速進(jìn)行，則可解決尾氣污染問(wèn)題。實(shí)際上，盡管該反應(yīng)的限度很大，但反應(yīng)速率極慢，不能實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，因此研制合適的催化材料是非常有價(jià)值的課題。

(1)

然而，對(duì)于課程中“配位化合物”、“量子力學(xué)”等知識(shí)，由于有大量的定義和命名方式，所以通過(guò)傳統(tǒng)的講授法，將有助于知識(shí)基礎(chǔ)較一般的低年級(jí)學(xué)生。通過(guò)分析大一、大二低年級(jí)學(xué)生特點(diǎn)，設(shè)置合理的PBL翻轉(zhuǎn)課堂與講授法教學(xué)的比重，并根據(jù)不同的章節(jié)內(nèi)容，合理調(diào)整比例。

2.2 PBL的問(wèn)題提出

基于問(wèn)題的教學(xué)模式中，問(wèn)題的提出是PBL教學(xué)法的第一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對(duì)無(wú)機(jī)與分析化學(xué)課程中易于開(kāi)展PBL翻轉(zhuǎn)教學(xué)的主題點(diǎn)的研究非常重要。根據(jù)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)目標(biāo)以及學(xué)生的特點(diǎn)、專業(yè)情況等來(lái)設(shè)計(jì)問(wèn)題，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。此外，也要積極培養(yǎng)學(xué)生學(xué)會(huì)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境的能力，培養(yǎng)學(xué)生利用專業(yè)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力[15]。

可根據(jù)高中-大學(xué)課程的銜接，設(shè)置與高中課程有良好銜接性的主題點(diǎn)，例如酸堿滴定在實(shí)際工作中的應(yīng)用，晶體材料的分類方法依據(jù)與實(shí)例。并且，梳理課本知識(shí)與學(xué)科前沿的關(guān)系[16]，用于創(chuàng)作PBL主題。在構(gòu)建翻轉(zhuǎn)課堂中PBL模式時(shí)，需要對(duì)“案例主題”有很細(xì)致的規(guī)劃，難易程度適宜，且隨著課程進(jìn)度而變化。針對(duì)該課程的特點(diǎn)，設(shè)置了以下PBL主題供參考，見(jiàn)表1。

表1 課程中部分PBL主題設(shè)定

教學(xué)對(duì)象為大一、大二低年級(jí)學(xué)生，針對(duì)新生基礎(chǔ)薄弱、課程內(nèi)容多等特點(diǎn)[17]，在課程進(jìn)行前，以調(diào)查問(wèn)卷形式，摸底學(xué)生們中學(xué)階段對(duì)基本知識(shí)把握的情況，有的放矢，來(lái)精確的設(shè)置PBL問(wèn)題。學(xué)生以小組模式分組，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)課程資源，對(duì)問(wèn)題的本源進(jìn)行團(tuán)隊(duì)分工式探索。

2.3 動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)跟蹤

PBL翻轉(zhuǎn)教學(xué)方式嘗試過(guò)程中的動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)跟蹤。改變以往教學(xué)評(píng)價(jià)以結(jié)果式評(píng)價(jià)為主，嘗試以過(guò)程式評(píng)價(jià)實(shí)時(shí)監(jiān)控教學(xué)過(guò)程，評(píng)估每個(gè)主題點(diǎn)中學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，確定對(duì)教學(xué)方式的動(dòng)態(tài)調(diào)整。

(1)基于PBL的翻轉(zhuǎn)授課與討論環(huán)節(jié)：以每個(gè)PBL主題點(diǎn)組成一個(gè)研討組，各成員共同協(xié)商完成學(xué)習(xí)、翻轉(zhuǎn)授課任務(wù)。該過(guò)程同時(shí)培養(yǎng)了學(xué)生閱讀檢索技能，建立團(tuán)隊(duì)合作的精神，語(yǔ)言組織能力，鼓勵(lì)學(xué)生以PPT的方式展開(kāi)交流與討論，提高課堂參與度[18]。評(píng)估每個(gè)主題點(diǎn)中學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，確定對(duì)教學(xué)方式的動(dòng)態(tài)調(diào)整。

(2)階段教學(xué)反饋：各章節(jié)講授完成后，采用章節(jié)知識(shí)點(diǎn)考評(píng)，檢查和督促學(xué)生的學(xué)習(xí)狀況，反饋調(diào)整新/舊教學(xué)模式的比例。

(3)全過(guò)程教學(xué)評(píng)價(jià)：采用學(xué)生-教師雙向評(píng)價(jià)，以調(diào)查問(wèn)卷為主要形式，考量教學(xué)模式實(shí)施過(guò)程中學(xué)生的認(rèn)知程度、教學(xué)大綱重難點(diǎn)知識(shí)的掌握程度、“PBL+翻轉(zhuǎn)課堂”研討組組織管理評(píng)價(jià)、文獻(xiàn)檢索技能評(píng)價(jià)、語(yǔ)言邏輯思維考評(píng)、PBL主題點(diǎn)設(shè)置合理性考評(píng)，并及時(shí)將結(jié)果反饋回教學(xué)過(guò)程。

在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中，初步掌握了學(xué)生的特點(diǎn)，并針對(duì)低年級(jí)學(xué)生在《無(wú)機(jī)與分析化學(xué)》課程講授中嘗試進(jìn)行PBL教學(xué)法，發(fā)現(xiàn)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣高漲，但同時(shí)也暴露出不足，有些“主題點(diǎn)”由于不夠明晰，使得部分同學(xué)在構(gòu)建學(xué)習(xí)過(guò)程中有些被動(dòng)，這在后續(xù)的教學(xué)中進(jìn)行了改進(jìn)，并初步證明基于PBL的翻轉(zhuǎn)教學(xué)模式的價(jià)值。

3 結(jié)論與展望

該項(xiàng)目建立了基于低年級(jí)學(xué)生專業(yè)基礎(chǔ)課的PBL翻轉(zhuǎn)課堂模式，解決中學(xué)學(xué)習(xí)模式向大學(xué)學(xué)習(xí)模式的過(guò)渡，并通過(guò)設(shè)置分組學(xué)習(xí)，有利于了解學(xué)生的特點(diǎn)和知識(shí)背景差異，因材施教。將翻轉(zhuǎn)課堂與基于問(wèn)題的教學(xué)模式結(jié)合，解決翻轉(zhuǎn)課堂中應(yīng)用性主題設(shè)置不明確的特點(diǎn)，有助于翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式的創(chuàng)新。建立了“學(xué)生知識(shí)背景學(xué)習(xí)能力調(diào)研+針對(duì)性設(shè)計(jì)PBL問(wèn)題+翻轉(zhuǎn)課堂+過(guò)程性教學(xué)評(píng)價(jià)”一套新的教學(xué)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)PBL和翻轉(zhuǎn)教學(xué)的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。

在教學(xué)過(guò)程中，教師不能只重視知識(shí)的傳授，更重要的是加強(qiáng)對(duì)學(xué)生創(chuàng)造性潛能的培養(yǎng)[19]，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)主體性[20]。為了克服傳統(tǒng)教學(xué)方法的不足，幫助學(xué)生進(jìn)行更深入的學(xué)習(xí)，使學(xué)生成為更加獨(dú)立、終身、活躍、積極的學(xué)習(xí)者，非常有必要將基于問(wèn)題的學(xué)習(xí)法(PBL)與翻轉(zhuǎn)課堂結(jié)合，從學(xué)以致用的角度，塑造學(xué)生對(duì)專業(yè)學(xué)習(xí)的興趣，培養(yǎng)出一批愛(ài)自身專業(yè)、較早樹(shù)立理想信念的新一代大學(xué)生。