LBL和TBL組合教學模式在物理化學實驗教學中的應用

趙堯敏， 崔鐵兵， 張留學

（中原工學院材料與化工學院，鄭州450007）

0 引 言

物理化學實驗是化學、化工、環境、材料及相關專業學生在本科階段所開設的獨立實驗課程，是學生在專業基礎課階段提高實驗素養和專業綜合能力的重要一環，在化學、化工及相關專業的學生培養中占據非常重要的地位。物理化學實驗在無機化學實驗、分析化學實驗、物理化學等先修課程之后開設，授課對象已經學習和掌握了無機化學、分析化學、物理化學的基本原理和無機化學、分析化學實驗的基本操作技能，具備了一定的化學專業素養。

傳統的物理化學實驗教學模式以教師講授為主（Lecture-Based Learning，LBL），最大的優點是集中化教學效率高［1］。LBL 教學模式存在的最大不足之處是學生的主體作用不能得到最大程度的展現。LBL模式下，實驗方案一成不變，大部分實驗準備工作由老師完成，學生在老師集中講解后機械對照實驗教材中的實驗原理、目的、材料與設備、步驟等照單抓藥，實驗結果千篇一律，同學對實驗結果的分析和討論也常常流于形式。

以團隊教學為基礎的教學模式（Team-Based Learning，TBL）有利于最大限度地發揮學生的主觀能動性，能夠給予學生更多思考與創新的空間［2-6］。在高等教育創新發展的要求下，2018 年1 月，教育部公布了“普通高等學校本科專業類教學質量國家標準”，對新時代人才培養提出了更高的要求，以教師為主導、以學生為中心的教學改革與實施勢在必行，將LBL和TBL組合教學模式應用于實驗和實踐課程中充分發揮學生的主體作用更符合新時代人才培養的發展要求。

1 LBL 和TBL 組合教學模式在物理化學實驗中的教學設計

針對物理化學實驗授課對象已經具備一定的專業素養，因此可以在教學過程中全程采用LBL和TBL混合教學模式。教師以LBL 形式將每一個實驗的教學設計思想和主要實驗內容傳達給學生，而學生則主要通過TBL形式更加自主地開展具體實驗。

在物理化學實驗TBL教學實施過程中采用“兩級組長制”（Group-Team System）設置，實際在實施過程中所有學生都承擔了“組長”職責，組長是團隊里的主導者。以應用化學專業為例，一個年級共60 名學生，分為5 個大組（group）、30 個小組（team），每個小組由2 名學生組成，共用一臺套設備共同完成一份實驗數據。每個大組由6 個小組共12 名學生組成，在每次實驗中利用6 套設備獲取6 份實驗數據。物理化學實驗課程一共開設10 個物理化學實驗，每個實驗準備8 套實驗設備（開出6 臺套，備用2 臺套）。實驗分兩輪進行，第1 輪和第2 輪分別同時開設5 個實驗，具體實驗內容如表1 所示。

實驗循環開設方式如下所述，以第1 輪實驗（第1 ～5 周進行，每周都同時開設實驗1 ～5）為例。在第1 周實驗中，第1 大組進行實驗1（凝固點下降法測定摩爾質量）、第2 大組進行實驗2（電解質溶液的電導測定）、第3 大組進行實驗3（表面張力的測定）、第4大組進行實驗4（溶液吸附法測定固體比表面）、第5大組進行實驗5（黏度法測定高聚物的相對分子量）。第2 周實驗時，第1 大組進行實驗2、第2 大組進行實驗3，以此類推，則第5 大組進行實驗1。如此循環進行，5 周結束時5 個大組的學生都在不同時間完成了第1 輪的5 個實驗。

表1 物理化學實驗內容一覽表

第2 輪實驗在第6 ～10 周進行，每周都同時開設實驗6 ～10。和第1 輪開設方法相同，5 個大組利用5周時間循環完成第2 輪即第6 ～10 個實驗。

圖1 所示為LBL 和TBL 組合教學模式下物理化學實驗“兩級組長制”設置示意圖。5 個大組共設置10 名大組長（Group Leader，S101-S502），每個大組設置兩名大組長分別負責第1 輪和第2 輪實驗，同時這2 名大組長組成一個2 人小組開展自己的所有物理化學實驗。以第1 大組為例，S101 和S102 都是第1 大組的大組長，S101 在第1 輪5 個實驗中擔任大組長Ⅰ（Ⅰ代表第1 輪實驗，后同），同時也是本小組第1 輪5個實驗的小組長（Team Leader），負責第1 輪5 個實驗的主要操作和協調。S102 在第2 輪5 個實驗中擔任第1 大組的大組長Ⅱ（Ⅱ代表第2 輪實驗，后同），同時也是本小組第2 輪5 個實驗的小組長。在第1 輪和第2 輪實驗中S101 和S102 實現主導者（Leader）和合作者（Cooperator）身份的互換。

圖1 LBL和TBL組合教學模式下“兩級組長制”設置示意圖

10 名大組長通常由物理化學實驗課代表根據學生的綜合實驗技能結合個人意愿進行選拔產生，課代表通常也是大組長中的一員。大組長的主要職責之一是第一時間理解教師的教學內容設計及安排，然后負責本組12 名學生分組、公共實驗準備任務分配（如原始溶液配制、標準溶液準備、標準溶液標定等）、分工協調、實驗儀器分發、實驗臺面引導管理等，更重要的是在自己掌握領會實驗內容、原理和操作細節的基礎上，為本組學生進行必要的實驗原理和關鍵操作的演示及講解指導。大組長負責12 名學生組成的一個團隊，是老師實現教學任務和教學目標的得力助理。大組長在協助老師管理指導其他學生的過程中，溝通能力和領導能力一次次地得到鍛煉和提升。教學實踐證明，為了更好地完成自己的管理指導任務，所有大組長會更認真地預習實驗、更用心地理解實驗原理及方案設計以及關鍵操作，積極與老師展開討論和深度學習，以便自己能夠勝任“大組長”職責。這種鍛煉和提升是傳統的LBL教學所欠缺的。

兩級組長制中小組長的設置。如圖1 所示，每1豎列為1 個大組，由12 名學生（S101-S112）組成6 個小組開展實驗，每個小組由2 名學生組成。以第1 大組為例，除了兩名大組長（S101 和S102）組成的1 個實驗小組之外，剩下10 名學生另外組成5 個小組。其中S103 ～S107 共5 名學生擔任第1 輪5 個實驗的小組長Ⅰ，作為第1 輪實驗的主導者和主操作，此時S108 ～S112 在小組中以合作者身份全程參與并實施實驗過程。在進行第2 輪5 個實驗時，S108 ～S112 則做為小組長Ⅱ主導實驗過程，S103 ～S107 則作為小組的合作者參與實驗。由第1 輪合作者身份變為主導者，主要負責本組第2 輪5 個實驗的全部實驗實施。

就每一位學生而言，每周面對和要完成的都是不同的實驗。對于教師來講，每周都同時有5 個不同的實驗在同時開設。對每一個大組而言，每周只有本組的12 名學生在進行相同的實驗，而其他大組則在進行不同的實驗。每1 名同學作為大組和小組的成員之一，他們會群策群力共同面對遇到的困難、一起想辦法解決實驗過程中出現的各種問題。每個成員不僅要對自己的實驗結果和實驗成績負責，同時由于都參與了本實驗的準備任務，因此還要和同組成員一起共同承受失敗、共同分享成功。

通過上述“兩級組長制”教學設置，所有學生在完成全部實驗任務的過程中均擔任了主導者和合作者角色。作為合作者時需要學習如何與主導者積極配合，作為主導者時則需鍛煉如何去合理安排和實施整個實驗進程。和傳統的LBL教學模式相比，LBL和TBL組合教學模式設計使所有學生在完成傳統實驗任務的同時，主導能力、合作意識、團隊責任和溝通能力都得到了更多的鍛煉，同時實驗技能和素養的提升也更為全面而深入。

2 LBL 和TBL 組合教學模式在物理化學實驗中的實施

傳統的LBL教學模式下，物理化學實驗主講教師每周都要處理和解答5 個大組的60 名學生在5 個實驗中出現的各種各樣相同或不同的問題。實驗教師每周也都要同時準備5 個實驗共計30 ～40 套甚至更多不同的儀器及相關試劑和耗材，工作量非常繁重，完成實驗教材中規定的實驗內容已經疲于應付。

借助于兩級組長制的TBL 教學模式，有了一大批大組長和小組長在全部教學環節的協助指導和管理，則每一個實驗中試劑和耗材的分發、溶液的配制、儀器的基本使用等大量基本瑣碎的教學細節任務學生都能以團隊形式自主解決，大大減輕了主講教師和實驗教師的輔導解答任務。正是有了兩級組長在學生團隊中的主導作用和擔當，使主講教師和實驗教師得以從瑣碎重復的基礎實驗問題中解放出來從而有精力去優化教學設計、教學方案和教學內容，因此物理化學實驗在教學內容設計上更加靈活，老實驗新做、基礎實驗綜合化得以順利實現。教師也可以更集中地解決學生實驗中出現的較高層次和較深層次的問題，使物理化學實驗的教學實施環節更加有效，教學質量持續提升。

如表1 中第1 輪第2 個實驗“電解質溶液的電導測定”為例，傳統的LBL教學模式下，實驗教師每次都需要分別配置原始醋酸溶液和氯化鉀溶液，學生在實驗過程中通過逐級稀釋得到不同濃度的稀溶液進行電導測定。然而教學實踐表明，由于逐級稀釋過程中的誤差積累和電導的高度靈敏性，本實驗最終的相對誤差可高達100% ～200%。而采用獨立精確配制溶液法則能使實驗的精確度顯著提高，相對誤差可降低至10% ～20%［7］。然而獨立精確配制溶液法僅一個實驗每次就需要配置10 種不同溶液，每周要同時開設5個不同的實驗，傳統的LBL 教學很難實現。借助于TBL教學，直接由大組長向各小組長分配不同濃度溶液的配置任務，每個小組配制的溶液要為整個大組所用。學生不僅共同承擔了實驗準備任務，同時也保證了一個大組原始溶液濃度的一致性。一旦某一種溶液配制出現問題，會影響到整個大組的實驗進程和實驗結果，因此每一個小組都會對自己承擔的“公共”實驗任務更加盡心盡責。

與電導實驗類似，第1 輪第5 個實驗“黏度法測定高聚物的相對分子量”中，傳統LBL 教學模式下也是僅由實驗教師準備原始溶液，學生在實驗過程中逐級稀釋從而造成誤差逐級積累。而TBL 教學模式下每次實驗每個大組通過分工協作均能有條不紊地獨立精確配制不同濃度的聚乙烯醇溶液，既保證了同一大組同種濃度的溶液具有一致性，也增加了各小組之間實驗結果的平行度。既可以將實驗教師從基本繁瑣的實驗準備工作中解脫出來，同時讓學生在完成實驗準備的過程里得到更加全面的鍛煉。

正是由于LBL和TBL組合教學模式的實施，在傳統實驗教學中突出新意，激發學生追求、嘗試創新的興趣與熱情，鼓勵學生自己動手設計、改進實驗，引入“新”內容，從而培養其創新意識與能力［8-10］，這對于已經具備一定專業素養的大學三年級學生來說可行、有意義且效果顯著。

3 LBL 和TBL 組合教學模式在物理化學實驗中的實施效果

以蔗糖水解反應的速率常數測定實驗（簡稱“蔗糖實驗”）為例。傳統的LBL教學模式下，該實驗通過在一定酸度（cHCl＝4 mol／ L）下測定兩個不同溫度下的反應速率常數k1和k2，根據阿累尼烏斯公式求得蔗糖水解反應的實驗活化能Ea。蔗糖水解屬于物理化學化學動力學部分的經典實驗內容，溫度和酸度是影響蔗糖水解反應速率常數和活化能的主要影響因素。但是蔗糖水解實驗一直誤差都比較大，物理化學實驗教育工作者一直在對實驗方案進行改進和優化［11-13］。

前期LBL實驗教學過程中，通過對所有學生的實驗結果進行匯總統計發現，和文獻值（cHCl＝4 mol／ L時Ea＝108 kJ／ mol）相比，學生的實驗誤差（反應速率常數k1、k2、實驗活化能Ea）均比較大，學生對實驗結果的誤差分析與討論也非常膚淺，數據處理方法的不同也會對誤差產生影響［14-16］。LBL 和TBL 組合教學模式下，對該實驗進行了如下教學設計：不同大組在不同酸度條件下進行反應速率測定，同一大組的不同小組則在不同的溫度水平下進行反應速率測定，大組和小組之間的實驗內容既有差異又有聯系。實驗結束后，所有大組、小組的實驗結果匯總在一起，通過縱向、橫向統計分析反應體系酸度和溫度對各動力學參數的影響。LBL 和TBL 組合教學模式下一套應用化學專業60 名學生共30 個小組的30 份蔗糖實驗結果如表2所示。其中設計了4 個不同的酸度水平（2． 5，3． 0，4． 0，5． 0 mol／ L）和4 個不同的溫度水平（25，30，35，40℃），得到了一系列反應速率k、半衰期t1／2、活化能Ea和相對誤差er%。跟傳統LBL 模式下單一的實驗內容和結果相比，雖然每一個學生和小組所完成的基本實驗內容并沒有任何增加，但是通過不同小組和大組之間實驗參數（酸度和溫度）的差異化設計使得實驗內容更加系統而豐富。

實驗條件（酸度、溫度）完全相同的各小組實驗結果可視為平行性實驗。LBL 和TBL 組合教學模式下將表2 中30 組蔗糖水解實驗結果按溫度和酸度條件將各平行性實驗的平均統計結果列于表3，從中可明顯看出，不同實驗條件下各動力學參數的變化。最重要的是該結果由全專業的60 名學生共同完成，每1 位學生不僅能夠看到自己的實驗結果及誤差，并且可以更清楚地理解鹽酸作為蔗糖水解反應的催化劑其濃度對于反應速率常數以及反應活化能產生的影響。通過不同大組之間實驗結果的比較，學生對于誤差的產生以及實驗原理也領會得更深入。通過這樣的教學設計，使得老實驗新做，基礎實驗綜合化，學生的參與度和成就感顯著增加，同時也鍛煉了學生科學客觀地分析問題和解決問題的能力。

物理化學實驗課程結束后，有學生在蔗糖水解實驗總結中又提出了新的問題：即使在文獻規定的酸度條件下為什么所有的活化能測試結果都一致性偏低？如果是普通的操作誤差，應該正態離散分布。那這樣的誤差到底是什么原因導致的？該如何設計實驗去進一步實施和解決。

從中可以看出，在LBL 和TBL 組合教學模式下，學生不僅較高質量完成了傳統教材中的實驗內容，科學探究精神也大大被激發出來，他們認識到即使在專業基礎實驗中也可以在一定程度上自己去設計實驗并解決問題。

4 結 語

在物理化學實驗課程中實施LBL 和TBL 混合模式教學全覆蓋，教師更加注重教學設計，實現老實驗新做、基礎實驗綜合化，使教學實施更加有效，教學質量持續提升。LBL和TBL混合教學模式下通過“兩級組長制”設置使所有學生在完成傳統實驗任務的同時，主導能力、合作意識、團隊責任和溝通能力都得到了更多的鍛煉，實驗技能和專業素養也全面得到鍛煉和提升。

表2 LBL和TBL組合教學模式下“旋光法測定蔗糖轉化反應的速率常數”30 份實驗結果