LBL和TBL组合教学模式在物理化学实验教学中的应用

2020-09-14赵尧敏崔铁兵张留学

实验室研究与探索 2020年8期

赵尧敏，崔铁兵，张留学

（中原工学院材料与化工学院，郑州450007）

0 引言

物理化学实验是化学、化工、环境、材料及相关专业学生在本科阶段所开设的独立实验课程，是学生在专业基础课阶段提高实验素养和专业综合能力的重要一环，在化学、化工及相关专业的学生培养中占据非常重要的地位。物理化学实验在无机化学实验、分析化学实验、物理化学等先修课程之后开设，授课对象已经学习和掌握了无机化学、分析化学、物理化学的基本原理和无机化学、分析化学实验的基本操作技能，具备了一定的化学专业素养。

传统的物理化学实验教学模式以教师讲授为主（Lecture-Based Learning，LBL），最大的优点是集中化教学效率高［1］。LBL 教学模式存在的最大不足之处是学生的主体作用不能得到最大程度的展现。LBL模式下，实验方案一成不变，大部分实验准备工作由老师完成，学生在老师集中讲解后机械对照实验教材中的实验原理、目的、材料与设备、步骤等照单抓药，实验结果千篇一律，同学对实验结果的分析和讨论也常常流于形式。

以团队教学为基础的教学模式（Team-Based Learning，TBL）有利于最大限度地发挥学生的主观能动性，能够给予学生更多思考与创新的空间［2-6］。在高等教育创新发展的要求下，2018 年1 月，教育部公布了“普通高等学校本科专业类教学质量国家标准”，对新时代人才培养提出了更高的要求，以教师为主导、以学生为中心的教学改革与实施势在必行，将LBL和TBL组合教学模式应用于实验和实践课程中充分发挥学生的主体作用更符合新时代人才培养的发展要求。

1 LBL 和TBL 组合教学模式在物理化学实验中的教学设计

针对物理化学实验授课对象已经具备一定的专业素养，因此可以在教学过程中全程采用LBL和TBL混合教学模式。教师以LBL 形式将每一个实验的教学设计思想和主要实验内容传达给学生，而学生则主要通过TBL形式更加自主地开展具体实验。

在物理化学实验TBL教学实施过程中采用“两级组长制”（Group-Team System）设置，实际在实施过程中所有学生都承担了“组长”职责，组长是团队里的主导者。以应用化学专业为例，一个年级共60 名学生，分为5 个大组（group）、30 个小组（team），每个小组由2 名学生组成，共用一台套设备共同完成一份实验数据。每个大组由6 个小组共12 名学生组成，在每次实验中利用6 套设备获取6 份实验数据。物理化学实验课程一共开设10 个物理化学实验，每个实验准备8 套实验设备（开出6 台套，备用2 台套）。实验分两轮进行，第1 轮和第2 轮分别同时开设5 个实验，具体实验内容如表1 所示。

实验循环开设方式如下所述，以第1 轮实验（第1 ～5 周进行，每周都同时开设实验1 ～5）为例。在第1 周实验中，第1 大组进行实验1（凝固点下降法测定摩尔质量）、第2 大组进行实验2（电解质溶液的电导测定）、第3 大组进行实验3（表面张力的测定）、第4大组进行实验4（溶液吸附法测定固体比表面）、第5大组进行实验5（黏度法测定高聚物的相对分子量）。第2 周实验时，第1 大组进行实验2、第2 大组进行实验3，以此类推，则第5 大组进行实验1。如此循环进行，5 周结束时5 个大组的学生都在不同时间完成了第1 轮的5 个实验。

表1 物理化学实验内容一览表

第2 轮实验在第6 ～10 周进行，每周都同时开设实验6 ～10。和第1 轮开设方法相同，5 个大组利用5周时间循环完成第2 轮即第6 ～10 个实验。

图1 所示为LBL 和TBL 组合教学模式下物理化学实验“两级组长制”设置示意图。5 个大组共设置10 名大组长（Group Leader，S101-S502），每个大组设置两名大组长分别负责第1 轮和第2 轮实验，同时这2 名大组长组成一个2 人小组开展自己的所有物理化学实验。以第1 大组为例，S101 和S102 都是第1 大组的大组长，S101 在第1 轮5 个实验中担任大组长Ⅰ（Ⅰ代表第1 轮实验，后同），同时也是本小组第1 轮5个实验的小组长（Team Leader），负责第1 轮5 个实验的主要操作和协调。S102 在第2 轮5 个实验中担任第1 大组的大组长Ⅱ（Ⅱ代表第2 轮实验，后同），同时也是本小组第2 轮5 个实验的小组长。在第1 轮和第2 轮实验中S101 和S102 实现主导者（Leader）和合作者（Cooperator）身份的互换。

图1 LBL和TBL组合教学模式下“两级组长制”设置示意图

10 名大组长通常由物理化学实验课代表根据学生的综合实验技能结合个人意愿进行选拔产生，课代表通常也是大组长中的一员。大组长的主要职责之一是第一时间理解教师的教学内容设计及安排，然后负责本组12 名学生分组、公共实验准备任务分配（如原始溶液配制、标准溶液准备、标准溶液标定等）、分工协调、实验仪器分发、实验台面引导管理等，更重要的是在自己掌握领会实验内容、原理和操作细节的基础上，为本组学生进行必要的实验原理和关键操作的演示及讲解指导。大组长负责12 名学生组成的一个团队，是老师实现教学任务和教学目标的得力助理。大组长在协助老师管理指导其他学生的过程中，沟通能力和领导能力一次次地得到锻炼和提升。教学实践证明，为了更好地完成自己的管理指导任务，所有大组长会更认真地预习实验、更用心地理解实验原理及方案设计以及关键操作，积极与老师展开讨论和深度学习，以便自己能够胜任“大组长”职责。这种锻炼和提升是传统的LBL教学所欠缺的。

两级组长制中小组长的设置。如图1 所示，每1竖列为1 个大组，由12 名学生（S101-S112）组成6 个小组开展实验，每个小组由2 名学生组成。以第1 大组为例，除了两名大组长（S101 和S102）组成的1 个实验小组之外，剩下10 名学生另外组成5 个小组。其中S103 ～S107 共5 名学生担任第1 轮5 个实验的小组长Ⅰ，作为第1 轮实验的主导者和主操作，此时S108 ～S112 在小组中以合作者身份全程参与并实施实验过程。在进行第2 轮5 个实验时，S108 ～S112 则做为小组长Ⅱ主导实验过程，S103 ～S107 则作为小组的合作者参与实验。由第1 轮合作者身份变为主导者，主要负责本组第2 轮5 个实验的全部实验实施。

就每一位学生而言，每周面对和要完成的都是不同的实验。对于教师来讲，每周都同时有5 个不同的实验在同时开设。对每一个大组而言，每周只有本组的12 名学生在进行相同的实验，而其他大组则在进行不同的实验。每1 名同学作为大组和小组的成员之一，他们会群策群力共同面对遇到的困难、一起想办法解决实验过程中出现的各种问题。每个成员不仅要对自己的实验结果和实验成绩负责，同时由于都参与了本实验的准备任务，因此还要和同组成员一起共同承受失败、共同分享成功。

通过上述“两级组长制”教学设置，所有学生在完成全部实验任务的过程中均担任了主导者和合作者角色。作为合作者时需要学习如何与主导者积极配合，作为主导者时则需锻炼如何去合理安排和实施整个实验进程。和传统的LBL教学模式相比，LBL和TBL组合教学模式设计使所有学生在完成传统实验任务的同时，主导能力、合作意识、团队责任和沟通能力都得到了更多的锻炼，同时实验技能和素养的提升也更为全面而深入。

2 LBL 和TBL 组合教学模式在物理化学实验中的实施

传统的LBL教学模式下，物理化学实验主讲教师每周都要处理和解答5 个大组的60 名学生在5 个实验中出现的各种各样相同或不同的问题。实验教师每周也都要同时准备5 个实验共计30 ～40 套甚至更多不同的仪器及相关试剂和耗材，工作量非常繁重，完成实验教材中规定的实验内容已经疲于应付。

借助于两级组长制的TBL 教学模式，有了一大批大组长和小组长在全部教学环节的协助指导和管理，则每一个实验中试剂和耗材的分发、溶液的配制、仪器的基本使用等大量基本琐碎的教学细节任务学生都能以团队形式自主解决，大大减轻了主讲教师和实验教师的辅导解答任务。正是有了两级组长在学生团队中的主导作用和担当，使主讲教师和实验教师得以从琐碎重复的基础实验问题中解放出来从而有精力去优化教学设计、教学方案和教学内容，因此物理化学实验在教学内容设计上更加灵活，老实验新做、基础实验综合化得以顺利实现。教师也可以更集中地解决学生实验中出现的较高层次和较深层次的问题，使物理化学实验的教学实施环节更加有效，教学质量持续提升。

如表1 中第1 轮第2 个实验“电解质溶液的电导测定”为例，传统的LBL教学模式下，实验教师每次都需要分别配置原始醋酸溶液和氯化钾溶液，学生在实验过程中通过逐级稀释得到不同浓度的稀溶液进行电导测定。然而教学实践表明，由于逐级稀释过程中的误差积累和电导的高度灵敏性，本实验最终的相对误差可高达100% ～200%。而采用独立精确配制溶液法则能使实验的精确度显著提高，相对误差可降低至10% ～20%［7］。然而独立精确配制溶液法仅一个实验每次就需要配置10 种不同溶液，每周要同时开设5个不同的实验，传统的LBL 教学很难实现。借助于TBL教学，直接由大组长向各小组长分配不同浓度溶液的配置任务，每个小组配制的溶液要为整个大组所用。学生不仅共同承担了实验准备任务，同时也保证了一个大组原始溶液浓度的一致性。一旦某一种溶液配制出现问题，会影响到整个大组的实验进程和实验结果，因此每一个小组都会对自己承担的“公共”实验任务更加尽心尽责。

与电导实验类似，第1 轮第5 个实验“黏度法测定高聚物的相对分子量”中，传统LBL 教学模式下也是仅由实验教师准备原始溶液，学生在实验过程中逐级稀释从而造成误差逐级积累。而TBL 教学模式下每次实验每个大组通过分工协作均能有条不紊地独立精确配制不同浓度的聚乙烯醇溶液，既保证了同一大组同种浓度的溶液具有一致性，也增加了各小组之间实验结果的平行度。既可以将实验教师从基本繁琐的实验准备工作中解脱出来，同时让学生在完成实验准备的过程里得到更加全面的锻炼。

正是由于LBL和TBL组合教学模式的实施，在传统实验教学中突出新意，激发学生追求、尝试创新的兴趣与热情，鼓励学生自己动手设计、改进实验，引入“新”内容，从而培养其创新意识与能力［8-10］，这对于已经具备一定专业素养的大学三年级学生来说可行、有意义且效果显著。

3 LBL 和TBL 组合教学模式在物理化学实验中的实施效果

以蔗糖水解反应的速率常数测定实验（简称“蔗糖实验”）为例。传统的LBL教学模式下，该实验通过在一定酸度（cHCl＝4 mol／ L）下测定两个不同温度下的反应速率常数k1和k2，根据阿累尼乌斯公式求得蔗糖水解反应的实验活化能Ea。蔗糖水解属于物理化学化学动力学部分的经典实验内容，温度和酸度是影响蔗糖水解反应速率常数和活化能的主要影响因素。但是蔗糖水解实验一直误差都比较大，物理化学实验教育工作者一直在对实验方案进行改进和优化［11-13］。

前期LBL实验教学过程中，通过对所有学生的实验结果进行汇总统计发现，和文献值（cHCl＝4 mol／ L时Ea＝108 kJ／ mol）相比，学生的实验误差（反应速率常数k1、k2、实验活化能Ea）均比较大，学生对实验结果的误差分析与讨论也非常肤浅，数据处理方法的不同也会对误差产生影响［14-16］。LBL 和TBL 组合教学模式下，对该实验进行了如下教学设计：不同大组在不同酸度条件下进行反应速率测定，同一大组的不同小组则在不同的温度水平下进行反应速率测定，大组和小组之间的实验内容既有差异又有联系。实验结束后，所有大组、小组的实验结果汇总在一起，通过纵向、横向统计分析反应体系酸度和温度对各动力学参数的影响。LBL 和TBL 组合教学模式下一套应用化学专业60 名学生共30 个小组的30 份蔗糖实验结果如表2所示。其中设计了4 个不同的酸度水平（2． 5，3． 0，4． 0，5． 0 mol／ L）和4 个不同的温度水平（25，30，35，40℃），得到了一系列反应速率k、半衰期t1／2、活化能Ea和相对误差er%。跟传统LBL 模式下单一的实验内容和结果相比，虽然每一个学生和小组所完成的基本实验内容并没有任何增加，但是通过不同小组和大组之间实验参数（酸度和温度）的差异化设计使得实验内容更加系统而丰富。

实验条件（酸度、温度）完全相同的各小组实验结果可视为平行性实验。LBL 和TBL 组合教学模式下将表2 中30 组蔗糖水解实验结果按温度和酸度条件将各平行性实验的平均统计结果列于表3，从中可明显看出，不同实验条件下各动力学参数的变化。最重要的是该结果由全专业的60 名学生共同完成，每1 位学生不仅能够看到自己的实验结果及误差，并且可以更清楚地理解盐酸作为蔗糖水解反应的催化剂其浓度对于反应速率常数以及反应活化能产生的影响。通过不同大组之间实验结果的比较，学生对于误差的产生以及实验原理也领会得更深入。通过这样的教学设计，使得老实验新做，基础实验综合化，学生的参与度和成就感显著增加，同时也锻炼了学生科学客观地分析问题和解决问题的能力。

物理化学实验课程结束后，有学生在蔗糖水解实验总结中又提出了新的问题：即使在文献规定的酸度条件下为什么所有的活化能测试结果都一致性偏低？如果是普通的操作误差，应该正态离散分布。那这样的误差到底是什么原因导致的？该如何设计实验去进一步实施和解决。

从中可以看出，在LBL 和TBL 组合教学模式下，学生不仅较高质量完成了传统教材中的实验内容，科学探究精神也大大被激发出来，他们认识到即使在专业基础实验中也可以在一定程度上自己去设计实验并解决问题。

4 结语

在物理化学实验课程中实施LBL 和TBL 混合模式教学全覆盖，教师更加注重教学设计，实现老实验新做、基础实验综合化，使教学实施更加有效，教学质量持续提升。LBL和TBL混合教学模式下通过“两级组长制”设置使所有学生在完成传统实验任务的同时，主导能力、合作意识、团队责任和沟通能力都得到了更多的锻炼，实验技能和专业素养也全面得到锻炼和提升。