基于PBL教学模式的综合化学实验教学改革*——以“过碳酸钠的制备、检验及性能检测”为例

韩洪亮 安金利 （ 首都师范大学化学系； 北京实验学校）

基于问题的学习方法（Problem-based Learning,简称PBL）是由Barrows 提出并应用于医学教学中[1]，现已广泛应用于各学科的课程教学中。该教学模式将学生学习放置到“设置问题”的教学情境中，通过学生自主学习、相互协作解决设置的问题，教师从中进行适当引导，培养了学生团队协作、自主学习和创新能力，从而提高课程的教学质量。近年来，PBL 也被应用于基础化学实验教学中[2-4]。由于综合化学实验课程较基础化学实验课程课时更长、科研前沿内容较多、学生的专业基础更扎实，因此更利于PBL 教学模式的开展。本文以“过碳酸钠的制备、检验及性能检测”综合化学实验教学为例，叙述PBL 教学在实验课程中的开展过程。

一 分组及课前预习

先将学生按照2 人一组分组。在实验课程开课前1～2 周，将实验课程讲义、预习的问题以及学生分组情况告知学生，明确告知学生认真思考并查阅资料，为下一阶段的课程讨论做准备。教师要精心设置预习问题并收集相对全面的参考资料[5]。依据实验内容设置了如下问题。

（1）过碳酸钠的化学式是什么？其组成是否是固定不变的？

（2）过碳酸钠制备方法有哪些？并比较制备方法的优劣？

（3）过碳酸钠的实际应用有哪些？

（4）比较过碳酸钠与双氧水在实际应用中的优劣？

（5）本讲义中过碳酸钠的制备原理是什么？

（6）过碳酸钠中活性氧的含量如何计算？

（7）过碳酸钠中活性氧的含量如何测定？

（8）讲义中制备方法中的碳酸钠和硅酸镁发挥什么作用？是否可以找到替代物？

（9）活性氧含量测定中，高锰酸钾的浓度怎么确定？高锰酸钾氧化还原滴定过程中需要注意哪些问题？

（10）影响双氧水分解的因素有哪些？

（11）产品1 制备中，将反应液A 加入反应液B 中，加入顺序能否倒置？

（12）从保障活性氧含量角度出发，产品1 制备中应注意哪些细节？

（13）讲义中给出的主要原料和产品的物理化学性质表格在实验中发挥什么作用?

（14）产品2 和3 中，氯化钠和乙醇的加入应用了哪些化学原理？

（15）列举本实验中涉及的基本操作，并说明操作要点？

（16）Fe 含量测定的基本原理，并查阅国家标准？

（17）产品红外光谱测定的定性表征中能够获得哪些官能团信息？对于一个化学结构明确的化合物如何指认其红外光谱图中的特征峰位？

（18）产品的热稳定性分析借助热重分析仪完成能够获得哪些信息？

（19）过碳酸钠降解罗丹明B 的性能试验的原理？降解的产物如何分析？

（20）在实际生产过程中，如何提高产率和活性氧含量？

（21）除讲义中涉及的产物表征和测试手段外，还能应用哪些表征手段对产物进行分析？

（22）基于以上问题，你是通过什么方法获得答案的？

设置的问题主要涉及研究背景、实验原理、基本操作、产品性能测试以及影响因素等。通过文献资料的查阅，学习文献检索的一般方法，了解实验开展的意义，用已有的基础化学知识去分析实验原理和检测手段并学会如何运用文献检索验证实验猜想等能力，从而了解一般的科研方法。通过学生的自我学习，加深对实验内容的了解，激发学生验证实验内容的积极性。这个过程是“被动学习”，需要学生基于设置问题做演示文稿，以组为单位为下一阶段的讨论做准备。提前告知学生，讨论汇报内容在课程考核中占比较多，让学生们认真准备。组内组员间资料共享、交流讨论和演示文稿制作有利于培养学生的团队合作能力，互通有无，增强集体荣誉感。与实验相关的未知知识的获取会激发学生的学习热情。

二 实验前讨论

按照分组情况进行每个小组的讲演，一个学生主讲一个学生补充。讲演前告知学生，认真学习每个小组的汇报内容，最后要点评。在各个小组发言完毕后，请同学们各抒己见，教师进行点评。虽然课前学生做了大量预习，但是对实验内容的重点和难点依然不会确切了解。讨论结束后，教师对学生的汇报内容进行总结和讲解，对于实验中的重点和难点细致讲解。例如实验试剂的混合顺序、实验中玻璃仪器的选择、利用试剂的物理化学性质分析实验参数、实验设计原理、活性氧含量和铁含量测定的过程等。面对现在学生较强的学习和分析能力，为了更好地掌控课堂，实验课前讨论环节需要教师准备充足的资料来应对学生提出的问题。

三 实验开展

实验开展过程中，为提高过碳酸钠产品的性能需要选择不同的包埋试剂，进行平行实验，让学生理解在科学研究中如何考察实验因素的影响。三组学生分别是一组不使用包埋试剂、一组选择硅酸钠和硫酸镁、一组选择EDTA 或高分子聚合物。同时讲解正交实验法和响应曲面法这两种在科研和实际生产过程中普遍使用的研究方法。但由于实验课时的限制没有使用两种实验设计方法。在实验开展过程中，教师要观察注意学生的实验表现，如课堂纪律、实验基本操作、实验数据的记录和计算等，特别要时刻观察、指导学生的实验基本操作，严格要求、规范操作。活性氧含量的测定和计算是本实验的重点和难点，对于高锰酸钾浓度的设定、标定和氧化还原滴定的过程要重点讲解和引导，让学生理解原理并学会实验设计。

本实验中涉及红外光谱、紫外可见分光光度计、热分析仪等中大型仪器设备，前期学生已经预习仪器设备的原理，实验中教师现场演示操作并说明原理，然后每个学生要亲自操作，得到分析测试结果，师生讨论如何分析实验结果。

四 实验结果讨论与总结

对于不同实验条件下，不同组别获得产品的质量、产率、活性氧含量等数据会有差别。教师汇总各组的数据后，以“如何提高产率和活性氧含量？”为出发点，师生共同开展实验结果分析，并与文献中的结果进行对比。最后教师对实验结果和师生讨论内容进行总结。讨论后，学生对实验结果进行总结、分析，书写实验报告。教师对学生的实验报告、交流环节反映的问题进行总结并完善“预习问题”，优化教学环节。

五 实验课程考核

实验课程成绩考核方法的科学性是影响PBL 教学方法教学效果的关键因素。本实验的最终成绩评定包括课前预习、现场讲演、实验课堂表现（基本实验操作规范程度、课堂纪律、实验环保与卫生）、制备产品（质量、产率、活性氧含量、稳定性）、实验报告、学生互评和自评成绩。学生互评和自评采用不记名投票打分方式，评价内容包括基础知识、科研能力、语言表达、基本操作、协作能力。

六 教学评价

将实验组与非PBL 教学模式组对比，进行教学评价。学生的课程评价以问卷形式开展，问卷内容包括学生的自主学习能力、语言表达、相互合作、基本操作和对实验的重视程度。实验组学生还需对PBL 实验教学模式提出建议和意见。从教学评价结果看，学生的自主学习能力、实验设计能力、团队协作和创新能力有明显进步，特别是激发了学生对化学实验和科学研究的兴趣，提高了学生的科研素养。

将PBL 教学法应用于综合化学实验教学利于发挥学生主体地位，从被动答题到主动学习，锻炼学生自主学习能力，课程实施过程中师生互动、生生互动活跃课堂气氛，利于获得“真知灼见”，利于培养学生的团队精神和协作能力，在交流碰撞中不同“层次”的学生都能有所收获。PBL 教学法应用于化学实验教学呈现出多层次、立体化的互动课堂。既培养学生基础知识与技能、提高学生的学习积极性，又提高学生的科研素养和解决问题的能力，提高化学实验课程教学质量。同时PBL教学方法实施的过程中，对教师的知识储备、教学方法提出更高的要求，需要对每个化学实验内容设计预习问题和储备相关知识，是教师全面成长的过程。在实验教学实施过程中，教师要根据学生个体差异、实验内容的不同进行“因地制宜”的优化才能达到满意的实验教学效果。