溫會玲，唐林，趙繼寬，李東祥，溫永紅，高洪濤

青島科技大學化學與分子工程學院，山東 青島 266042

物理化學實驗是化學類專業(yè)學生的一門學科基礎課，旨在使學生掌握物理化學的基本實驗技能，具有獨立實驗操作、實驗研究和設計探索的能力，養(yǎng)成嚴謹?shù)目茖W素養(yǎng)，具備正確的科學倫理觀。目前物理化學實驗教學中主要采用“教師講、學生聽”的“注入式”傳統(tǒng)教學模式，教學理念、方法陳舊，“教”與“學”信息不通，學生“被動”接受知識，自主學習意識較差等，不能滿足新時代對復合型、創(chuàng)新性人才培養(yǎng)的要求。

為了解決以上問題，我們實施了以“問題為導向(Problem-Based Learning，PBL)”的教學法，“以學生為中心”進行教學設計，采用課前線上自主學習與線下教學相結合的教學模式開展教學活動。課前教師設計問題、創(chuàng)設學習情境，“以問題為導向”采取小組合作學習的形式，激發(fā)學生的學習興趣。按照“異質分組”原則建立合作學習小組，“以優(yōu)帶差”促進課前及線上學習的有效參與度，培養(yǎng)學生的自主學習能力。同時，線上學習的學情分析，為線下教學設計提供依據(jù)，實現(xiàn)“教”與“學”的信息相通，使教學內容的設計更具針對性。

信息技術的發(fā)展為教學方式的改革提供了機遇，線上線下混合教學模式不僅應用于純理論課的教學之中[1-3]，而且實驗課教學中開展線上線下混合教學的研究工作也取得了豐碩成果。曾秀瓊等[4]以微視頻為教學資源在基礎化學實驗中開展了線上線下混合式教學，劉云鳳等[5]報道了以培養(yǎng)自我調節(jié)學習能力為導向的分析化學實驗混合教學模式，曾艷萍等[6]報道了混合式教學在有機化學實驗課堂教學中的應用。在物理化學實驗課程中開展線上線下混合式教學的研究也有報道[7-9]，線上線下結合的混合式實驗教學模式，彌補了傳統(tǒng)實驗教學的不足，但是目前仍然存在著以下問題：(1) 線上教學資源匱乏，雖然短視頻不少，但在授課過程中不一定合適，教師不得不采用語音視頻等形式進行線上教學；(2) 目前的線上資源缺乏針對性，中國大學MOOC等在線課程網站上的資源并不一定適合，而且不易本地化；(3) 線上資源與線下實踐不易同步，給使用師生帶來了不便利。本文報道了依托自建SPOC精品在線開放課程，貫徹PBL教學法，進行物理化學實驗線上線下混合式教學的設計與實踐，希望能為高等學校實驗課程線上線下混合式教學模式的探索提供一些幫助。

1 豐富多樣的網絡教學資源建設

2015年11月5日，國務院發(fā)布了《統(tǒng)籌推進世界一流大學和一流學科建設總體方案》，啟動了“雙一流”建設，推進學科、專業(yè)、課程的一體化，堅持科教融合、產教融合。而高質量的課程建設是實現(xiàn)“雙一流”建設目標的基石[10,11]。為了響應教育部一流課程建設號召，打造一流的課程教學體系，本教學團隊取得了如下教學建設成果。

1.1 在線開放課程

2019年我校物理化學實驗榮獲山東省高校在線聯(lián)盟精品課程，在“智慧樹”和“學銀在線”上線。在線課程的視頻制作涵蓋了全部教學實驗，每個實驗均制作了“理論篇”和“操作篇”的完整視頻?！安僮髌闭故玖艘?guī)范的操作過程，講解了實驗注意事項和容易出現(xiàn)的問題，尤其是平時教學中實驗操作的關鍵點，都展示了“特寫鏡頭”，為學生線上自主學習、課前預習和了解實驗操作的全貌提供了便利。目前線上運行2期，“智慧樹”累計選課人數(shù)1553人、選課學校6所、互動4116人次?！皩W習通”累計頁面瀏覽1402320次、選課人數(shù)3217人次，選課學校7所、互動137人次。

1.2 物理化學實驗在線考試系統(tǒng)

與北京歐倍爾軟件技術開發(fā)有限公司合作，開發(fā)了物理化學實驗在線考試系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠高效靈活地實現(xiàn)機構管理、題庫管理、試卷管理及成績管理；具有高度的可擴展性，被授權的考試用戶，不受考試地點限制，只要利用網絡登錄在線考試系統(tǒng)，就可以參加在線考試；可以按出題策略實現(xiàn)隨機抽題組卷、在線評分、生成成績單、給出成績分布圖及簡單的試卷分析。目前該系統(tǒng)已經成功運行5個學期的考試工作，參與考試學生近6500人。

1.3 物理化學實驗教學課件

制作了兩套側重點不同的物理化學實驗教學課件PPT，于2018年底投入使用。一套為專供學生預習用的，注重知識的拓展和深化，上傳至本?！盎A化學實驗中心”網站，供學生使用；一套為任課教師上課用的PPT，注重教學重點難點的突破。

上述成果為學生線上自主學習及線上線下混合式實驗教學模式的探索與實踐奠定了堅實的基礎。

2 基于PBL教學法的混合式教學環(huán)節(jié)設計及多元化的考核制度

本著“以學生為中心、以問題為導向”的教學理念，依托SPOC在線開放課程，設計線上線下混合式教學過程，如圖1所示。打破了傳統(tǒng)教學“教師講，學生聽”的“注入式”教學模式，體現(xiàn)“以學生為中心”的教學理念。課前學生“以問題為導向”開展小組合作式和探究式學習；線下課堂提問、討論、學生出題搶答、教師重難點講解等多種教學方式融合使用，課堂氣氛活躍；課后通過作業(yè)和高階議題討論，使教學內容得到進一步深化和拓展。整個教學過程充分發(fā)揮了學生的主動性，教師為“教練”的角色，指導學生的學習技巧和學習結果的評價總結。提高了學生的自主學習能力、語言表達能力、綜合能力和創(chuàng)新能力。同時借助信息化教學工具，把課堂延伸到了教室或實驗室以外，使教學活動不再受時間、空間限制，學生根據(jù)自己的時間自由的學習，為碎片化時間的充分利用提供了機會[12]，零碎時間的積累可能會產生巨大的效果；也利用平臺討論區(qū)、微信、QQ等信息化工具，使學生與教師能夠及時溝通，解決學生的疑問。

圖1 基于PBL教學法的教學環(huán)節(jié)設計

2.1 實驗教學環(huán)節(jié)

實驗教學環(huán)節(jié)包括學生課前線上自主學習、線下課堂教學、課后作業(yè)及拓展三項。

(1) 課前線上學習。教師課前發(fā)布個人學習任務、小組任務、設計問題，學生在規(guī)定時間內，借助“智慧樹”或“學習通”平臺，完成實驗“理論篇”和“實操篇”的視頻學習、彈幕答題或章節(jié)測試。依據(jù)教師設計的問題以小組討論探究的形式完成小組學習任務，每個小組出2道實驗操作方面的考題，要求題目能反映實驗關鍵點，問題明確清晰，在課堂搶答環(huán)節(jié)展示，培養(yǎng)學生的發(fā)散思維，鼓勵學有余地的同學用PPT展示學習成果。部分簡單的基礎驗證性實驗采用翻轉課堂教學，小組成員課前必須分工合作，收集資料，共同完成小組PPT制作和講稿，進一步提高學生的綜合能力。每個同學要總結出“實驗操作要點，標注實驗關鍵點，推測所測數(shù)據(jù)的變化趨勢”用以指導線下實驗操作，以便實驗過程中及時發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)“異?！?，加強學生理論聯(lián)系實際，以理論知識指導實驗操作的意識。小組討論探究式學習，不僅強化了學生對重點知識的理解和實驗關鍵點的學習，還鍛煉了學生的自主學習能力、獨立思考能力和團隊合作能力。圖2是教師的課前教學設計舉例，分別是翻轉課堂教學和討論探究式教學的課前任務。“溶解焓測定”實驗原理和操作過程簡單，所用的儀器(貝克曼溫度計和磁力加熱攪拌器)通過查閱文獻和線上“實操篇”的視頻學習，學生能夠學會使用方法，采用翻轉課堂的形式教學?！巴耆ト茈p液系統(tǒng)的相圖繪制”實驗內容較難，操作中的注意事項較多，采用課前教師“問題引導”、學生“小組討論”，課中“討論探究”的方式教學。

(2) 線下課堂教學。線下教學主要采用討論探究式或翻轉課堂教學。教師依據(jù)學生線上學習的學情分析，設計好課堂測試題及問題，用以檢查和督促學生的線上學習。首先是課堂測試或線上學習總結(5 min左右)，表1是課堂測試題。其次采用提問、學生討論補充(10 min左右)、學生出題搶答(10 min左右)、教師評價和重點講解(10 min左右)等討論探究式或翻轉課堂的方法完成實驗原理核心內容及操作要點的學習，教師還可以依據(jù)學生情況，適當進行內容拓展及深化。翻轉課堂教學中，每個組進行PPT展示和課堂講解環(huán)節(jié)，教師要引導其他組成員質疑、提問、討論。教師要做好評價總結，糾正問題，及時肯定學生的閃光點，激發(fā)學生的學習熱情。最后學生完成實驗(3-4 h，設計性實驗10 h)，教師在必要時引導。

圖2 教師課前教學設計

表1 課堂測試題(以電池電動勢的測定為例)

實驗操作過程中，教師嚴格要求學生規(guī)范記錄實驗數(shù)據(jù)，不抄襲、不編造，養(yǎng)成良好的科學倫理觀。例如：原始數(shù)據(jù)記錄要注明室溫、大氣壓等實驗條件，所用試劑和儀器要寫清楚生產廠家、規(guī)格，數(shù)據(jù)記錄用三線表格，標注單位。實驗過程中對于學生不規(guī)范的操作，教師要及時指導糾正，使學生熟練掌握物理化學實驗的基本技能和技巧。

引導學生樹立正確的實驗觀，明白實驗數(shù)據(jù)“異?！被颉皩嶒炇　焙苷?，“異常中可能存在新發(fā)現(xiàn)”。引導學生分析“異?！被颉笆　钡脑颍ㄟ^“分析問題、解決問題”培養(yǎng)學生的綜合實驗能力。例如：電動勢測定實驗中，所測的電動勢數(shù)據(jù)不對，引導學生分析可能的原因：儀器、電極、電極連接線、溶液等。如何解決問題呢？從電極、電極線、儀器、溶液，一項一項地排查，訓練學生解決問題的思路和方法。培養(yǎng)學生的質疑精神、探索精神和追求真理的信念。

拓展教學內容，使知識融會貫通，舉一反三，提高教學內容的“高階性”和“挑戰(zhàn)度”。例如：“黏度法測定高聚物的分子量”實驗，是用烏氏粘度計進行測定的。可以讓學生討論如下議題：“奧氏粘度計和烏氏粘度計有什么區(qū)別？本實驗可以用奧氏粘度計測定嗎？要是可以請設計實驗方案”。學生需要查資料了解兩個黏度的測量原理，只要清楚了測量原理，后面的問題就迎刃而解。“液體飽和蒸氣壓的測定”是用靜態(tài)法測定乙醇的蒸氣壓，設計的高階議題是“請設計出用動態(tài)法測定乙醇飽和蒸氣壓的實驗方案”。不僅鍛煉了學生獨立探究問題、解決問題的能力，還培養(yǎng)了學生設計實驗的能力和創(chuàng)新能力。

尤其是設計性實驗，學生根據(jù)教師提供的研究課題和實驗要求，四人一組，分工合作，查閱文獻，共同設計實驗方案，和教師反復討論修改方案，獨立完成實驗，最后按照科研論文的格式完成論文的撰寫。使學生體驗了一次比較完整的科研過程，培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新能力、科研素質和團隊協(xié)作能力。

線下教學中，操作視頻避免了教師講解“一次過”的不足，一些平時講解時的難點，例如“完全互溶雙液系統(tǒng)相圖的繪制”實驗中的“回流高度”的確定(圖3a)、阿貝折射儀的“明暗界面”狀態(tài)(圖3b)等內容，結合視頻講解，學生一目了然。視頻圖像與教師講解的結合，彌補了單純語言表達的不足和單純視頻缺乏互動的缺點，提高了學生的學習興趣和學習效率[13]。學生也說，“操作步驟視頻很吸引人”“喜歡看操作步驟視頻”“可以隨時看”。線上操作視頻的學習也使學生的實驗操作更加得心應手，節(jié)省了線下講解和實驗操作時間。最明顯的感覺是，剛開始實驗時，不知如何下手的狀態(tài)沒有了；一些以前需要反復叮囑的細節(jié)，學生基本上可以自己解決了。線上學習與線下教學融合，實現(xiàn)優(yōu)勢互補，取得了非常好的教學效果。

圖3 (a)“回流高度”教學視頻截圖；(b) 阿貝折射儀“明暗界面”調節(jié)視頻截圖

(3) 課后作業(yè)及拓展。學生按教師要求完成實驗報告，要求內容簡潔明了，能自己總結實驗原理和操作步驟，規(guī)范地歸納、分析、處理實驗數(shù)據(jù)，表達實驗結果，合理地進行誤差分析及討論，能提出有新意的觀點。鼓勵學生參與“平臺”討論區(qū)高階議題的討論，使教學內容進一步得到拓展和深化，增加挑戰(zhàn)度，強化學生的綜合能力、創(chuàng)新思維及創(chuàng)新能力，為拔尖人才的培養(yǎng)打好基礎。

2.2 多元化的考試方式及成績評定細則

制定了多元化的教學考核制度，對學生進行全方位的考核，注重學習過程的考核，提高了學生的學習參與度，培養(yǎng)了學生的自主學習能力。學生的總成績中過程性評價占70%，終結性評價占30%[12]，還增加了非標準化評價，如額外加分項目——課堂搶答及高階議題的討論參與，激勵學生的學習積極性，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維(圖4)。平時成績中的基礎實驗成績由課前線上學習(15%)、實驗操作(40%)、安全衛(wèi)生(5%)、實驗報告(40%)四部分組成，設計實驗成績由方案設計(20%)、實驗過程(50%)、論文撰寫(30%)三部分組成。其中，線上學習成績又由視頻學習(50%)、章節(jié)測試(30%)和學習次數(shù)(20%)構成(圖5)。

圖4 學生總成績分布圖

圖5 線上學習成績分布餅形圖

3 教學效果分析

3.1 提高了學生的學習積極性和參與度，教學效果明顯提高

表2是化學181班學生線上學習參與度統(tǒng)計表。線上學習內容有：視頻44個、章節(jié)測試題14套、作業(yè)25份和課后高階議題3個。例如，44個視頻學習任務，全班28個同學幾乎都完成了該項學習任務，有的同學甚至看了好幾遍，視頻完成率達到300%多。章節(jié)測試和作業(yè)任務的完成情況類似。該班同學在學習通的學習次數(shù)高達5868人次。高階議題是我們在多年的教學過程中提煉的能力提高題，是選做加分項，主要是為了拓展和深化學習內容，為學有余力的學生提供高階學習機會，達到分層教學目的，鍛煉學生的綜合思維能力及創(chuàng)新思維能力。大部分同學能夠積極參與討論，在全班28個學生中，有的議題參與討論的學生達15人，最少的也有8人參與討論。由此可見，學生線上學習的參與度和學習積極性挺高。

表2 化學181班學生物理化學實驗線上自主學習情況統(tǒng)計表

“以問題為導向，以學生為中心”的教學設計，充分調動了學生的學習參與度。學生在組長的組織下能夠按要求完成課前學習任務，課堂上積極參與互動，發(fā)表自己的觀點。翻轉課堂教學中學生能熟練完成課堂講解，內容較充實，PPT制作認真、美觀。有的組課堂講解大家參與，每人講一個問題，圖6是翻轉課堂教學圖片。課堂搶答環(huán)節(jié)學生出的題目，大部分能反映實驗操作關鍵點，學生也能主動回答、補充，課堂氣氛輕松活躍。教學方式得到學生的肯定，取得了較好的教學效果。如學生所說：“小組討論形式非常新奇，組織同學小組分工合作，提高了學習積極性，也提高了小組成員之間的合作力。”圖7是“智慧樹”平臺學生對本課程的綜合評價，251人學生參與評價，87.75%的學生給了滿分。

圖6 翻轉課堂教學學生的PPT展示及講解

圖7 “智慧樹”教學評價

基于PBL的混合式教學設計充分調動了學生的學習熱情，學生線上學習和高階議題的參與度、課堂活躍度、實驗鉆研精神都明顯提高，取得了較好的教學效果。表3為相同專業(yè)平行班混合式教學和傳統(tǒng)教學學生成績分布統(tǒng)計表，混合式教學班級學生的及格率、平均分、高分數(shù)段的學生比例明顯增加，平均分高于傳統(tǒng)教學班級將近6分，尤其是實驗報告的“誤差分析及討論”中能更加全面、合理地分析各種影響因素，而不再是為了應付教師要求，隨便寫一兩句。

表3 同專業(yè)平行班混合式教學與傳統(tǒng)教學成績分布統(tǒng)計表

3.2 注重學生能力的進階式提高，為拔尖人才的培養(yǎng)打好基礎

課前以教師設計的問題為導向，通過在線學習掌握基本概念、基本原理、實驗基本操作步驟，以小組討論的形式加強對實驗核心內容和操作要點的學習，培養(yǎng)學生的自主學習能力和團隊協(xié)作能力。線下課堂通過提問、學生討論、學生出題搶答、學生實驗操作等環(huán)節(jié)，學生的語言表達能力、實驗基本能力、綜合能力和學習參與意識明顯提高。學習后期學生能夠積極主動地回答問題，表達準確有條理，對待教師的提問積極思考，相互討論，呈現(xiàn)躍躍欲試、自信滿滿的狀態(tài)，不再是“全班低頭”“戰(zhàn)戰(zhàn)兢兢”的樣子，課堂氣氛更加活躍。實驗過程中能夠胸有成竹地進行操作，提出有新意的問題，準確合理地表達自己的觀點；實驗報告的“誤差分析及討論”部分，分析更加準確合理，討論有新意。如圖8所示，通過課前“概念學習、操作要點總結”，課堂“質疑、討論和操作”，課后“誤差分析及討論”及“高階議題”的討論，引導學生由基本能力訓練向綜合能力、創(chuàng)新能力的進階式發(fā)展，為培養(yǎng)拔尖人才打好基礎。

圖8 學生能力提升路徑

教學過程中也發(fā)現(xiàn)了一些問題，如：由于線上學習教師對學生的約束有限，個別學生的成績下滑；小組學習中存在“打醬油”的現(xiàn)象等。這些情況為后期教學模式和教學方法持續(xù)改進提出了新要求。根據(jù)建構主義理論[14]，學生的參與度越高，興趣越濃，學習的主動性、耐力和效果越好[15]。在今后的教學中，在依據(jù)學生的認知規(guī)律構建學習情境、設計吸引學生的教學方式、激發(fā)學生的學習參與度方面多做研究，培養(yǎng)學生的終身學習意識和獨立實驗能力[16]，讓學生成為學習的主體，充分體現(xiàn)“以學生為中心”的教學理念。

4 結語

貫徹PBL教學法，“以學生為中心”設計實驗教學過程，將線上教學與線下實驗室教學相結合，實現(xiàn)優(yōu)勢互補，有效地提高了學生的學習效果，提升了學生的自主學習能力、綜合素質和創(chuàng)新能力，是實驗教學方式探究的一條必要途徑[17]，為開展線上線下混合式實驗教學積累了經驗。