POGIL教學法在物理化學教學中的應用初探*

雷鋼鐵，陳效蘭，劉展鵬，李朝暉，舒洪波，劉 黎

(湘潭大學化學學院，湘潭 湖南 411105)

POGIL(Process Oriented Guided Inquiry Learning)是一種面向過程的指導型探究學習方法，是指在教師的引導與協助下，學生作為教學主體，通過提出問題、查閱資料、形成對問題的解釋以及論證解釋等探究環節，自主建構知識、獲取知識、應用知識的過程，以此來培養學生的探究意識、創新精神和實踐能力[1]。與傳統的以教師講授為主的教學法(lecture-based learning，LBL)不同，POGIL教學法強調以學生的主動學習為主，POGIL教學法首先通過設計、布置真實性的問題或任務，把學習內容設置到復雜的、有意義的問題情景中，通過學習者的自主探究和合作來解決問題，從而學習隱含在問題背后的科學知識，形成解決問題的技能和自主學習以及創新的能力。該方法從問題出發，學生在解決問題的過程中，通過查閱資料、閱讀教材、小組討論、教師主導規范認識等過程，最終解決問題，該方法可以培養學生自覺主動學習，勤于思考以及獨立解決問題的能力，培養學生的創新意識和參與意識，通過解決問題學生獲得成就感，激發學習興趣，形成良性的學習循環。POGIL在我國研究不多，李豐等[2]在信息素養課、王海燕等[3]在在醫學教育、徐效文等[4]在醫學儀器原理課程教學、莊云[5]在中藥炮制課程、趙貞貞等[6]在職業教育、高建梅[7]在高校非英語專業外語教學等課程中均構建了POGIL教學模式。化學教育方面，管華等[8]在藥物化學教學、盧興[9]在中學化學課堂、顧佳磊等[10]在化學學科核心素養課程中采用POGIL教學模式，都取得了較好的效果。

物理化學是化學相關專業的基礎核心課程，是以數學、物理學、化學和邏輯學為工具，從物質的物理現象和化學性質的聯系入手，來探究化學變化基本規律的一門科學。該課程涉及到的理論和公式非常多，公式的使用條件嚴格，概念性、理論性、系統性和邏輯性都很強，可以培養學生的邏輯思維能力和嚴謹的科學作風。通過POGIL教學法，在物理化學中開展教學工作，可以有效提高教學質量，黎永秀等將POGIL模式應用于藥學專業物理化學大班教學過程中，從學生滿意度調查以及學生成績來看，該模式完全適用于物理化學這門課程的教學[11]。本文結合我們在物理化學教學方面的一些經驗，對POGIL教學法在物理化學中的具體應用提出了一些經驗和見解。

1 POGIL教學模式在物理化學教學中的必要性

在傳統的教學中，以教師講授為主，學生探索學習為輔。由于物理化學的很多概念抽象，理論性強，公式繁多，推理復雜，計算困難，不少學生在學習過程中感到枯燥難學，興趣不濃，嚴重影響了學生的自學能力和創新能力的培養。因此，如何提高學生的學習積極性，激發學生學習興趣，喚起學生的求知欲，幫助學生掌握物理化學基本知識和理論，提高教學質量，是當前物理化學教育工作者積極思考和探索的問題。采用POGIL教學模式，以過程為導向，以問題為中心，以學生為主體，是解決該問題的有效方法之一。

2 POGIL教學模式在物理化學教學中的應用

根據POGIL的內涵與組成要素，POGIL的教學模式包含3個部分，即學習周期中的概念探索(Concept Exploration)、概念發明或者概念形成(Concept Invention/Formation)和概念應用(Concept Application)三個學習階段組成的循環。POGIL教學法強調以學生的主動學習為主，該方法首先通過設計、布置真實性的問題或任務，把學習內容設置到復雜的、有意義的問題情景中，引導學生進入“概念探索”階段；通過學習者的課外自主“探索”和合作討論，對于問題得到初步的解釋后，教師在課堂引導學生進入“概念發明或形成”階段，根據教學的要求，教師在該階段應該進行適當的講解，幫助學生回憶已學知識或者學習新知識，形成新概念；第三階段為“概念應用”階段，學生在獲得新知識后，教師可以通過簡單的考核，如選擇題、問答題等形式，幫助學生應用新知識回答這些問題，或者應用新知識解釋新的實驗現象，從而學習隱含在問題背后的科學知識，形成解決問題的技能和自主學習以及創新的能力。

要確保“探索—概念發明—應用”各階段的有序進行，教師在其中的角色十分重要，教師應該是學生學習活動的引導者，指導學生的探究活動。同時，教師應密切關注學生在POGIL教學活動中各項過程技能的發展，包括批判思維、問題解決、溝通交流、團隊合作、管理領導、自我評價等過程技能。在POGIL模式的“探索—概念發明—應用”的三個階段中，其中最重要的就是“探索”階段，該階段進行的情況直接和學生的學習熱情相關。在“探索”階段，教師應該合理設計問題，在物理化學教學實踐中，這些問題包括自然現象、習題計算、公式推導、文獻總結等形式，在設計問題時，教師要注意挑戰性與趣味性并重，靈活運用前述三種形式，給出難度適中的問題，便于學生自行尋找答案，并適合組內討論。

湘潭大學化學學院的物理化學課程在各專業學生的第三、四學期開設，每學期56課時，共112課時。一般安排每周2次課，一次課2學時，每學時45 min。教師要在有限的時間內完成教學大綱的要求，因此，POGIL的活動大部分放在課外，課內控制在10～15 min以內。POGIL教學方法主要由以下步驟構成：

(1)討論小組的建立

每學期開課前讓學生自由分組，小班(30人左右)3～4人一組，大班(60～100人左右)8～10人一組，并在開課前讓班長將分組名單交于教師。教師要指導各組學生民主推選管理員、記錄員、發言人等角色。3～4人小組可以固定，大組學生要輪流更換角色，以保證每個同學的積極性，教師根據記錄員的討論記錄掌握各組討論情況，一般要求各組同學自行查找資料，開展調研工作，然后尋找合適的場地，就教師的先期問題進行小組討論，充分表達每個學生自己的觀點。小組討論可使有關課程的問題盡可能多地當場暴露，在討論中可以加深對正確理論的理解，還可以不斷發現新問題，解答新問題，使學習過程縮短，印象更加深刻。

(2)課堂POGIL教學實踐過程

以兩節課的內容為例，課堂教學實踐過程如下圖1所示，該實施方案兼顧了學生探究性學習和教師課堂講學兩個方面的教學要求，可以開發學生自主學習的積極性，同時保留了傳統課堂教學的優越之處，可以有效提高物理化學課堂教學質量。

圖1 POGIL教學過程示意圖Fig.1 Sketch map of POGIL teaching process

如圖1所示，上課前，各組管理員抽簽獲得臨時組號。課堂教學前5 min，教師隨機抽取學生復習上一次課所講內容，評估學生的掌握情況。然后，教師隨機抽取組號，由該組發言的同學通過PPT、板書或者口述的方式匯報上次課布置的習題或大作業，匯報結束后，教師對學生講述內容總結5 min，主要針對學生匯報內容，對其點評，并引出本次課程所要講述的主要內容。隨后，教師花大約60 min時間來講解新知識，期間穿插4～6個選擇題或者問答題，這些選擇題或問答題可以通過雨課堂的形式完成，每個同學都必須作答，教師可以及時掌握每個學生的學習情況，加強學生對新知識的理解，練習或回答問題的時間控制在10 min左右。課堂最后5 min，教師總結本次課內容，可以現場布置或者課后通過網絡布置新的課后習題或大作業。課后習題或大作業要求學生課后通過POGIL模式完成。

(3)成績計算

學生最終的成績計算方式為：平時成績占30%，期末成績占70%。平時成績包括個人表現成績及群體表現成績兩部分。由教師根據“探索”過程中的討論記錄、回答問題情況、隨堂測驗情況綜合給出平時成績。

3 POGIL教學在物理化學中的教學實例

3.1 教學情境一

在表面化學的學習過程中，開爾文公式的教學是表面化學理論中比較重要的一個環節，在學習完彎曲表面的附加壓力及Young-Laplace公式后，教師可以先向學生分組布置任務，要學生自行通過網絡搜索有關過冷水的視頻，觀察瓶中的過冷水在倒出瞬間結冰或搖動瞬間結冰的實驗現象。并向學生提出問題：為什么水在常壓下，溫度低于0 ℃還不結冰，而搖動或者倒出時，立刻結冰？教師也可以要求學生通過網絡搜索一種在地球兩極的海底發生的大自然現象——“死亡冰柱”，并要求分組學生代表嘗試解釋這種現象產生的原因，進入POGIL模式的“探索”階段。

上述自然現象，在物理化學中稱為“介穩狀態”，是一種在熱力學上不穩定，而在動力學上能暫時穩定的狀態，稱為介穩狀態(或亞穩狀態)。常見的介穩狀態有：過飽和蒸汽、過飽和溶液、過熱液體、過冷液體等。這些問題對于學生而言均屬于全新內容，該問題設置有一定難度。因此，教師應給出相應提示，引導學生思考，便于學生構建相關知識點。

學生通過網絡視頻的觀察，初步給出解釋后，進入POGIL模式的“概念發明”階段。教師可以通過這些解釋，引導學生關注彎曲表面上的蒸氣壓，通過推導給出開爾文公式，并進一步利用開爾文公式，解釋這些現象，經過該階段教學時，教師可以通過若干選擇題及問答題來對學生進行考核，掌握學生學習情況，同時進入POGIL模式的“應用”階段。在該階段，還可以利用開爾文公式解釋過飽和蒸汽、過飽和溶液、過熱液體的等介穩狀態，解釋“人工降雨”的原理。通過POGIL模式的“探索—概念發明—應用”三階段的學習，學生可以有效掌握開爾文公式，并可以利用開爾文公式解釋一些實驗現象。

3.2 教學情境二

稀溶液的依數性是物理化學多組分系統熱力學章節中的重點內容之一。講述該部分內容的時候，教師可以引導學生觀察下列自然現象，進入POGIL模式的“探索”階段：為什么我國北方，在下雪的時候需要往路面上撒鹽？吃冰棍時為什么邊吃邊吸甜味會越來越淡？什么肉湯的溫度比開水的溫度更高？講述該節內容之前，要求學生分組就以上問題進行討論。課堂上要求學生分組代表，解釋上述自然現象的產生原理。

這些問題都是由于稀溶液的依數性產生的，教師可以在學生代表解釋上述實驗現象之后，進入POGIL模式的“概念發明”階段。引導學生得出稀溶液的依數性的定義，指出稀溶液的依數性是指定溶劑的類型和數量后，這些性質只取決于所含溶質粒子的數目，而與溶質的本性無關。在POGIL模式的“應用”階段，通過選擇題、問答題等掌握學生的學習進度。

4 POGIL模式應用結果

在2017、2018級化學專業的學生中應用POGIL模式進行物理化學教學，期末考試成績與別的專業同學相比，平均成績均有較大幅度的提高(見表1)。說明POGIL教學法能夠幫助學生更好的掌握知識點，提高卷面成績。同時，隨機抽取2017級和2018級學生共120人進行問卷調查，90%的學生認為使用POGIL教學模式，在學習興趣、自信心、愉悅感、溝通協調能力、資料收集能力、語言表達能力、教學方法滿意度方面均有很好的效果，對于學生的成長幫助很大。

表1 2017-2018級學生的物理化學成績分析表Table 1 Analysis of physical chemistry examination results of 2017-2018 students

5 結 語

通過對2017級、2018級化學專業的學生進行POGIL模式的教學活動實踐，結果表明該教學模式可以有效提高學生的學習興趣，有助于學生掌握相關的概念，并將相關物理化學知識應用解釋一些實驗現象。從傳統教學的教師單一的講、學生聽的授課狀態，到現在多環節學生主動參與的教學模式，充分激發了學生的學習熱情。在“探索—概念發明—應用”三階段的學習中，學生多方面、多角度參與學習活動，收集資料、總結歸納能力明顯提高，學生在匯報、評價中，增強了合作意識和批判性思維，并提高了交流、組織、表達能力，取得了良好的教學效果。