PBL与翻转课堂相融合的基础化学实验教学设计与实践

黎奕斌，李 琳，路新卫

(南方医科大学药学院教学中心， 广州 510515)

基础化学实验是医学院校基础医学、临床医学、药学、中药学、医学检验、公共卫生等专业学生必修的一门实验课程[1]。本课程的知识目标是通过实验使学生深化理解所学的基本知识和基本理论；能力目标是通过训练学生的基本操作技能，培养学生运用知识、学会独立观察、分析实验现象并做出结论的能力；素质目标是教会学生科学实验和思维方法，初步培养学生的创新能力，从而为学生今后从事专业实验研究和相关工作打好基础[2]。然而，我们在实际教学过程中发现目前的实验教学方式难以达到课程培养目标[3]。

教师讲解、学生模仿操作的传统教学模式严重忽视了学生的主体地位。学生过度依赖教师，实验过程缺乏自主思考，预习与实验报告撰写也多流于应付，学生的自主学习能力、实验技能、科学思维能力均难以得到培养与锻炼[3，4]。以问题为基础的(problem-based learning，PBL) 教学法是以问题为导向，设计问题情境，通过小组深究问题而进行学习的以学生为中心的教学方法[5，6]。翻转课堂(flipped classroom)是指重新调整课堂内外的时间，将学习的决定权从教师中释放出来转移给学生[7，8]。对于基础化学实验课，PBL教学模式引导学生自主学习，充分锻炼了学生不断思考、探索、创造的能力，展现了学生学习的个体性。翻转课堂模式可以把更多时间留给学生，教师不再是知识灌输和传授的中心，而学生是学习的推动者，增强师生间互动性，激发自身的潜在兴趣和能力。PBL与翻转课堂相融合有利于调动学生的主观能动性，有效促进学生自学以提高分析问题和解决问题的能力，同时，增强师生互动，以提升课堂教学质量，提高学生的学习兴趣[9]。

针对基础化学实验传统教学模式过程存在的不足和问题，本文通过设计PBL与翻转课堂相融合的基础化学实验教学思路和方法，旨在培养学生自主学习能力和科学思维能力，提高学生的学习兴趣与实验综合能力，提升实验课堂教学质量，从而达到课程的知识、能力与素质目标。

1 PBL与翻转课堂相融合的基础化学实验教学设计思路

根据基础化学实验课的教学大纲，我们结合相应理论课的知识要求及人才培养目标进行教学设计。经过基础化学教学团队多年探索，我校基础化学实验教学内容主要是基础化学理论课中的溶液部分、滴定分析和仪器分析部分，一共包含4个实验，涉及与医学较为相关的各类溶液配制、酸碱滴定法、制备实验及可见分光光度法的知识。具体实验内容分别是：常用玻璃仪器的洗涤及溶液的配制、中和滴定、硫酸亚铁铵的制备、分光光度法测定水中铁的含量。基础化学实验内容互不重复，常用玻璃仪器的洗涤及溶液的配制为基础操作，而中和滴定、硫酸亚铁铵的制备和分光光度法测定水中铁的含量为综合性实验。因此，我们在第一次基础性实验采用传统教学模式，重点讲解实验安全、实验要求、实验规范等，为后续开展PBL与翻转课堂相融合的教学方法提供基础。3个综合实验采用PBL与翻转课堂相融合的教学方法。具体PBL教学法与翻转课堂相融合的基础化学实验教学设计思路如图1所示。

图1 PBL与翻转课堂相融合教学设计思路

课前：开课前2周，教师针对实验内容提出3-5个问题，问题涵盖实验原理、实验操作、知识扩展等多维度。学生自主学习，同时借助教材、网络资源和文献等多种渠道找到问题答案。开课前1周，教师发布实验教学视频；学生提前观看视频熟悉实验流程，掌握规范操作，完成预习报告并上交。

课中：教师先把学生按4-6人进行分组。小组围绕课前问题分组讨论10 min，分享自学所得知识。教师随机分配问题给各小组，要求小组针对该问题深入讨论5 min。期间，教师到学生中听取学生讨论结果并适当引导，此外组内轮流选派学生代表为全班学生讲解问题。学生代表为全班学生讲解并交流20 min。教师根据学生讲解情况，进行补充并扩展知识。学生共同观看实验教学视频，教师指出实验重点、难点以及注意事项。学生开始单独完成实验，教师在实验过程中观察学生操作指出操作问题，严格规范所有学生的操作。此外，教师针对实验现象，提出问题引导学生边做实验边思考。实验完成后，师生进行10 min的总结讨论。

课后：学生整理实验结果并进行组内讨论分析，同时针对实验过程出现问题进行分析，最后总结实验经验，完成实验报告撰写。教师进行教学反思与改进完善教学方法。

实验成绩评价：实验成绩由预习报告、实验操作和实验报告三部分组成，每项总分100，按照3∶4∶3比例折算最终的实验成绩。预习报告根据学生课前对问题掌握程度和知识扩展程度给分，实验操作根据学生讨论参与度和实验操作规范情况给分，实验报告根据学生对实验结果的讨论与问题分析的深度给分。

2 PBL与翻转课堂相融合的基础化学实验教学案例

分光光度法测定水中铁的含量是一项综合性实验，实验内容涉及溶液配制、分析化学和仪器分析等内容。同时在开展实验项目时，理论课未学习到此章节的内容，因此教师更需要通过实验帮助学生掌握此章节知识点。教师提前拍摄溶液配制和分光光度计仪器的使用视频，并配上字幕方便学生理解，同时教学团队根据实验内容的知识、能力和素质目标提炼问题。

课前：教师在开课前2周发布分光光度法测定水中铁含量的实验项目的学习任务：什么是朗伯比尔定律？溶液配制时为什么需要加入缓冲溶液？分光光度计测量时，为什么以试剂为空白而不以蒸馏水作空白？为什么需要制作溶液的吸收曲线？开课前1周，教师发布分光光度法测定水中铁含量的实验教学视频，并要求学生完成预习报告。学生通过文献查阅找到相关知识点回答问题，通过观看实验视频熟悉实验流程，掌握操作步骤，并形成预习报告上交。教师根据上交的预习报告拟定课堂教学重难点与知识扩展。

课中：教师将24名学生分成4组。小组针对课前问题开展讨论，各自分享自主学习成果。小组交流完毕后，教师随机给各小组分配深入讨论的问题。然后，小组围绕该问题进行深入讨论，总结讨论结果并推选学生代表为全班学生讲解。期间教师引导学生讨论。如“什么是朗伯比尔定律”的小组在讨论中，大部分学生照书本解读朗伯比尔定律，此时，教师引导学生根据定义去理解分光光度计的原理及其应用。再如“溶液配制时为什么需要加入缓冲溶液”的讨论中，学生能从实验原理磺基水杨酸与铁离子在不同pH生产有色配合物的角度解析该问题，此时，教师引导学生延伸思考什么是配合物以及配合物的特点。交流完毕后，学生代表作为小老师讲解问题。待学生代表讲解完后，其他学生可以举手提问或者分享其不同看法或补充的知识点。教师对学生的讲解给予肯定并在此基础上扩展知识。如在学生讲解完“什么是朗伯比尔定律”后，教师可以借此介绍分光光度计的原理，进而引出分光光度计的结构与工作原理。待所有问题交流之后，教师与学生一起观看教学视频。此时，教师强调溶液配制过程中移液管和容量瓶操作，进一步规范学生操作，如引导学生使用分光光度计时，为减少仪器误差，强调每次测量时仪器的透光率均需要进行0或100%校正。知识点讲授完毕后，学生独立开展实验时，教师深入学生中，观察学生实验操作并做好登记作为操作成绩的依据。同时，教师要及时纠正学生的不规范操作。如移液管使用时候，大部分学生使用大拇指堵上口；学生在拿比色皿时候没有注意比色皿的透光面与磨砂面。此外，教师基于实验现象提出问题引导学生思考。如在溶液配制过程中，学生发现自己配制过程与其他学生溶液颜色变化不一样，有些学生的溶液为橙褐色，而有些学生的溶液先是红褐色，然后变为橙褐色。此时，教师引导学生从铁离子与磺基水杨酸显示原理解析。通过适当引导，学生很快可以理解是由于在溶液配制过程中加液顺序不一样导致溶液pH值发生改变，这也是为什么溶液需要加入缓冲溶液维持溶液稳定pH，以保证溶液生产稳定配合物，确保分析结果的可靠与稳定。所有学生做完实验后，教师就实验过程中出现的问题以及学生提问最多的问题进行讲解与总结，学生就本次实验分享各自的心得体会。

课后：学生整理数据，绘制溶液吸收曲线，建立溶液标准工作曲线，根据标准曲线得到水中铁含量，或求得标准曲线的线性方程，通过线性方程计算水中铁的含量，并计算线性方程的R2值，判断自己建立的标准曲线是否合格。同时，学生需要对实验过程中出现的问题展开分析，如通过溶液吸收曲线找到溶液的最大吸收波长，但发现组内最大吸收波长不一致，又或标准工作曲线并不是一条线性方程等问题。

实验成绩评价：预习报告根据学生对四个问题回答情况进行给分。有学生在回答“什么是朗伯比尔定律”的问题时，除回答基本定义外，还依据定义方程分析影响溶液吸光度因素。教师对于有类似知识延伸的学生给予高分。实验操作根据学生对移液管和容量瓶规范操作以及分光光度计使用掌握程度进行打分。除了依据学生的实验结果考核实验报告，教师更加注重学生对实验结果分析与讨论，如学生能否很好解释组内为什么溶液最大吸收波长不一样，为什么标准工作曲线的线性差等问题。

3 PBL教学法与翻转课堂相融合的基础化学实验教学实施效果

在基础化学实验教学中引入PBL教学法与翻转课堂相融合教学方法后，学生能够更好地将实验课所涉及的知识与理论课相结合，有利于掌握及理解知识，在理论课考试时，实验相关知识的题目答对率明显高于其他内容。学生普遍反映其学习的主动性、积极性得到激发，师生互动显著提高，对化学类课程的学习也有了兴趣，动手操作能力和实验教学质量得到了提升。如在滴定实验中每位学生均准确判断滴定终点，而未实施此教学改革之前，学生需要重复多次才能判断滴定终点，而且部分学生滴定终点均未成功。学生遇到问题不再一味依赖教师，而是会自己思考、探索解决办法，同时对科学研究也有了初步的认识，既认识到科学严谨的重要性，也认识到实验失败并不可怕，要做的是从实验失败中分析原因并总结经验。

PBL教学法与翻转课堂相融合作为一种创新教学方法，真正改变了师生关系，做到了以学生为中心的教学。PBL与翻转课堂相融合教学法应用于基础化学实验课教学实践，促进了学生自主学习、自主探索和相互交流合作，培养其学习及动手兴趣，提高教学质量，较好地达到基础化学课程设立培养学生的知识、能力与素质目标。因此，该教学方法具有较好的应用前景。

高校教师在实验教学过程要坚持强化基本技能训练，重视能力培养，激发创新意识为指导思想，以培养创新型综合人才为己任，不断探索基础化学实验教学方法，推动基础实验教学的不断发展。