無機化學類專業基礎課翻轉課堂中的問題學習法(PBL)應用

宋 亮,張 芬,尹訓茜,黃小文

(山東科技大學 材料科學與工程學院,山東 青島 266590)

1 PBL與翻轉課堂方式推進教學改革的必要性

基于問題的學習法(Problem Based Learning，簡稱PBL)是目前創新教學中普遍研究的一種教學方式[1-2]，采用以問題為中心，以學生為主體來組織教學過程，從而激發學生對課程產生興趣[3]，避免傳統的講授法過程中學生機械、被動、填鴨式學習[4]，PBL將有利于學生創新能力的建立和發散性思維的培養[5-6]。

翻轉課堂倡導學生成為教學過程中的主體，而課堂演變成了老師學生之間和學生與學生之間互動的場所[7]，包括答疑解惑、知識的運用等，從而達到更好的教育效果[8]。學生可以通過互聯網去使用優質的教育資源，不再單純地依賴授課老師去教授知識[9]。但是，目前翻轉課堂的具體實施過程中存在一些弊端，例如教師布置課程任務不明晰，這樣非但沒有起到激發學生興趣的作用，反而會讓部分學生產生應付工作的心理。

針對大一、大二低年級學生，采用翻轉課堂，最關鍵的是將問題明確化，并且從簡至繁，一步步引導學生對課程的興趣，從而建立起自身學習的動力，這在其今后三四年的學習生涯中將起到至關重要的作用。例如，對化學熱力學章節的學習，其中化學反應熱的概念、測量方式、應用可做一個主題點，使知識在實際中應用(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)，讓學生有自己把控學習的興奮感和任務感，將翻轉課堂與基于問題的學習法結合起來，達到引導學生學習的目的，防止灌輸式教育帶來的負面影響。

2 基于問題的學習法在無機與分析化學翻轉課堂中的應用

《無機化學》、《無機與分析化學》是材料化學、材料物理、高分子材料、無機非金屬材料、金屬材料、復合材料、材料科學與工程、應用化學、分析化學、生物工程、環境科學與環境工程等專業的低年級專業基礎課。無機與分析化學課程的主要教學內容包括四大平衡、物質結構、化學熱力學與動力學等基礎知識，通過本課程的培養，應使學生從大一時期就開始養成良好的學習習慣，初步掌握分析科學問題解決問題的能力。但是在實際教學過程中，存在著一系列問題[10]。

第一，重理論輕思考，該課程的特點是知識點較多，學生容易對教學內容缺乏深入思考。

第二，目前《無機與分析化學》、《無機化學》等專業基礎課程的理論教學仍然以向學生灌輸大量書本知識為主，導致學生的學習專業課程的興趣低。

第三，教學手段和方法陳舊，講授法使用過于頻繁，雖然突出了教師的主控地位，然而忽視了學生的主體地位，導致學生仍沿用中學學習的慣性思維，偏重記憶，學生自主學習能力薄弱[11]。

第四，課程考核方法主要還是采用期末卷面測驗作為對學生最終考評的主要依據，考核制度沒有發生根本性的改變，容易造成學生為考試而學習，不利于調動學生的學習積極性和主動性，知識應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方法，并倡導對學生培養過程的改變，指出“從臺上走到臺下，由教師的角色轉變為導師的角色，由灌輸式教學轉變為指導式教學，引導學生課外自主學習，真正從過去以老師為中心轉變為以學生為中心”。我們從新/舊教學方式應用比例調整、PBL的問題提出、動態評價跟蹤等方面綜合探究了“PBL+翻轉課堂”模式的應用，實現教學方式的革新。

2.1 新/舊教學方式應用比例調整

探索適合低年級學生特點(喜歡被動接受知識、喜歡通過作業習題完善知識學習)的無機化學類專業基礎課教學方式，以及通過學生反饋，及時調整新/舊教學方式應用的比例。針對這類學生的特點，PBL模式翻轉教學與講授法教學配合使用，設置合適的章節講授比例，從簡至難，逐步應用新的教學方式。部分中學的應試教學理念和部分學生機械、被動的填鴨式學習方式在大學低年級學生身上有所體現[2]，因此如果整個教學過程中實行PBL+翻轉課堂模式，其教學效果會大打折扣，我們嘗試了在部分章節中實行新模式，例如化學熱力學中的熱值與能源化合物應用的關系，酸堿平衡和酸堿滴定的PBL教學翻轉。并且，講授法并不必然導致“填鴨式”教學，其他教學方法例如PBL、翻轉課堂在講授法的輔助下才能得到恰當運用[13]。

針對“熱化學與熱力學狀態函數”章節的學習，由于其內容與高中課程有一定的銜接性，該部分易于實施翻轉課堂教學模式。例如，可引導學生基于“煤礦開采用炸藥的定壓爆熱計算”問題，開展對Hess(蓋斯)定律的學習，并掌握應用Hess定律計算難以測定或無法用實驗測定的反應熱。通過蓋斯三角形，見圖1，炸藥的定壓爆熱難易通過常規的量熱儀測量，可通過計算Q(元素→炸藥)和Q(元素→爆炸產物)，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 炸藥定壓爆熱計算的Hess三角形

對于“化學反應方向性、平衡限度、速度”章節的學習，可通過解決實際問題，來培養學生對綜合問題的解決能力。以“尾氣污染問題”為PBL的問題點，激發學生們開展對各組化學反應過程中方向性、平衡限度、速度的思考。例如，氮氧化物與一氧化碳的化學方程式(見式1)，讓同學們通過文獻、數據庫檢索各參數進行計算，室溫下的吉布斯自由能變為-334 kJ/mol，為負值，說明反應可自發進行，標準平衡常數為1.9×1060，說明反應可進行的限度很大。若該反應能快速進行，則可解決尾氣污染問題。實際上，盡管該反應的限度很大，但反應速率極慢，不能實現應用，因此研制合適的催化材料是非常有價值的課題。

(1)

然而，對于課程中“配位化合物”、“量子力學”等知識，由于有大量的定義和命名方式，所以通過傳統的講授法，將有助于知識基礎較一般的低年級學生。通過分析大一、大二低年級學生特點，設置合理的PBL翻轉課堂與講授法教學的比重，并根據不同的章節內容，合理調整比例。

2.2 PBL的問題提出

基于問題的教學模式中，問題的提出是PBL教學法的第一個關鍵環節，對無機與分析化學課程中易于開展PBL翻轉教學的主題點的研究非常重要。根據教學內容、教學目標以及學生的特點、專業情況等來設計問題，從而激發學生的學習積極性。此外，也要積極培養學生學會發現問題，創設問題情境的能力，培養學生利用專業知識解決實際問題的能力[15]。

可根據高中-大學課程的銜接，設置與高中課程有良好銜接性的主題點，例如酸堿滴定在實際工作中的應用，晶體材料的分類方法依據與實例。并且，梳理課本知識與學科前沿的關系[16]，用于創作PBL主題。在構建翻轉課堂中PBL模式時，需要對“案例主題”有很細致的規劃，難易程度適宜，且隨著課程進度而變化。針對該課程的特點，設置了以下PBL主題供參考，見表1。

表1 課程中部分PBL主題設定

教學對象為大一、大二低年級學生，針對新生基礎薄弱、課程內容多等特點[17]，在課程進行前，以調查問卷形式，摸底學生們中學階段對基本知識把握的情況，有的放矢，來精確的設置PBL問題。學生以小組模式分組，結合網絡課程資源，對問題的本源進行團隊分工式探索。

2.3 動態評價跟蹤

PBL翻轉教學方式嘗試過程中的動態評價跟蹤。改變以往教學評價以結果式評價為主，嘗試以過程式評價實時監控教學過程，評估每個主題點中學生的學習效果，確定對教學方式的動態調整。

(1)基于PBL的翻轉授課與討論環節：以每個PBL主題點組成一個研討組，各成員共同協商完成學習、翻轉授課任務。該過程同時培養了學生閱讀檢索技能，建立團隊合作的精神，語言組織能力，鼓勵學生以PPT的方式展開交流與討論，提高課堂參與度[18]。評估每個主題點中學生的學習效果，確定對教學方式的動態調整。

(2)階段教學反饋：各章節講授完成后，采用章節知識點考評，檢查和督促學生的學習狀況，反饋調整新/舊教學模式的比例。

(3)全過程教學評價：采用學生-教師雙向評價，以調查問卷為主要形式，考量教學模式實施過程中學生的認知程度、教學大綱重難點知識的掌握程度、“PBL+翻轉課堂”研討組組織管理評價、文獻檢索技能評價、語言邏輯思維考評、PBL主題點設置合理性考評，并及時將結果反饋回教學過程。

在實際教學過程中，初步掌握了學生的特點，并針對低年級學生在《無機與分析化學》課程講授中嘗試進行PBL教學法，發現了學生的學習興趣高漲，但同時也暴露出不足，有些“主題點”由于不夠明晰，使得部分同學在構建學習過程中有些被動，這在后續的教學中進行了改進，并初步證明基于PBL的翻轉教學模式的價值。

3 結論與展望

該項目建立了基于低年級學生專業基礎課的PBL翻轉課堂模式，解決中學學習模式向大學學習模式的過渡，并通過設置分組學習，有利于了解學生的特點和知識背景差異，因材施教。將翻轉課堂與基于問題的教學模式結合，解決翻轉課堂中應用性主題設置不明確的特點，有助于翻轉課堂教學模式的創新。建立了“學生知識背景學習能力調研+針對性設計PBL問題+翻轉課堂+過程性教學評價”一套新的教學過程，實現PBL和翻轉教學的優勢互補。

在教學過程中，教師不能只重視知識的傳授，更重要的是加強對學生創造性潛能的培養[19]，培養學生的學習主體性[20]。為了克服傳統教學方法的不足，幫助學生進行更深入的學習，使學生成為更加獨立、終身、活躍、積極的學習者，非常有必要將基于問題的學習法(PBL)與翻轉課堂結合，從學以致用的角度，塑造學生對專業學習的興趣，培養出一批愛自身專業、較早樹立理想信念的新一代大學生。