POGIL教学法在物理化学教学中的应用初探*

雷钢铁，陈效兰，刘展鹏，李朝晖，舒洪波，刘 黎

(湘潭大学化学学院，湘潭 湖南 411105)

POGIL(Process Oriented Guided Inquiry Learning)是一种面向过程的指导型探究学习方法，是指在教师的引导与协助下，学生作为教学主体，通过提出问题、查阅资料、形成对问题的解释以及论证解释等探究环节，自主建构知识、获取知识、应用知识的过程，以此来培养学生的探究意识、创新精神和实践能力[1]。与传统的以教师讲授为主的教学法(lecture-based learning，LBL)不同，POGIL教学法强调以学生的主动学习为主，POGIL教学法首先通过设计、布置真实性的问题或任务，把学习内容设置到复杂的、有意义的问题情景中，通过学习者的自主探究和合作来解决问题，从而学习隐含在问题背后的科学知识，形成解决问题的技能和自主学习以及创新的能力。该方法从问题出发，学生在解决问题的过程中，通过查阅资料、阅读教材、小组讨论、教师主导规范认识等过程，最终解决问题，该方法可以培养学生自觉主动学习，勤于思考以及独立解决问题的能力，培养学生的创新意识和参与意识，通过解决问题学生获得成就感，激发学习兴趣，形成良性的学习循环。POGIL在我国研究不多，李丰等[2]在信息素养课、王海燕等[3]在在医学教育、徐效文等[4]在医学仪器原理课程教学、庄云[5]在中药炮制课程、赵贞贞等[6]在职业教育、高建梅[7]在高校非英语专业外语教学等课程中均构建了POGIL教学模式。化学教育方面，管华等[8]在药物化学教学、卢兴[9]在中学化学课堂、顾佳磊等[10]在化学学科核心素养课程中采用POGIL教学模式，都取得了较好的效果。

物理化学是化学相关专业的基础核心课程，是以数学、物理学、化学和逻辑学为工具，从物质的物理现象和化学性质的联系入手，来探究化学变化基本规律的一门科学。该课程涉及到的理论和公式非常多，公式的使用条件严格，概念性、理论性、系统性和逻辑性都很强，可以培养学生的逻辑思维能力和严谨的科学作风。通过POGIL教学法，在物理化学中开展教学工作，可以有效提高教学质量，黎永秀等将POGIL模式应用于药学专业物理化学大班教学过程中，从学生满意度调查以及学生成绩来看，该模式完全适用于物理化学这门课程的教学[11]。本文结合我们在物理化学教学方面的一些经验，对POGIL教学法在物理化学中的具体应用提出了一些经验和见解。

1 POGIL教学模式在物理化学教学中的必要性

在传统的教学中，以教师讲授为主，学生探索学习为辅。由于物理化学的很多概念抽象，理论性强，公式繁多，推理复杂，计算困难，不少学生在学习过程中感到枯燥难学，兴趣不浓，严重影响了学生的自学能力和创新能力的培养。因此，如何提高学生的学习积极性，激发学生学习兴趣，唤起学生的求知欲，帮助学生掌握物理化学基本知识和理论，提高教学质量，是当前物理化学教育工作者积极思考和探索的问题。采用POGIL教学模式，以过程为导向，以问题为中心，以学生为主体，是解决该问题的有效方法之一。

2 POGIL教学模式在物理化学教学中的应用

根据POGIL的内涵与组成要素，POGIL的教学模式包含3个部分，即学习周期中的概念探索(Concept Exploration)、概念发明或者概念形成(Concept Invention/Formation)和概念应用(Concept Application)三个学习阶段组成的循环。POGIL教学法强调以学生的主动学习为主，该方法首先通过设计、布置真实性的问题或任务，把学习内容设置到复杂的、有意义的问题情景中，引导学生进入“概念探索”阶段；通过学习者的课外自主“探索”和合作讨论，对于问题得到初步的解释后，教师在课堂引导学生进入“概念发明或形成”阶段，根据教学的要求，教师在该阶段应该进行适当的讲解，帮助学生回忆已学知识或者学习新知识，形成新概念；第三阶段为“概念应用”阶段，学生在获得新知识后，教师可以通过简单的考核，如选择题、问答题等形式，帮助学生应用新知识回答这些问题，或者应用新知识解释新的实验现象，从而学习隐含在问题背后的科学知识，形成解决问题的技能和自主学习以及创新的能力。

要确保“探索—概念发明—应用”各阶段的有序进行，教师在其中的角色十分重要，教师应该是学生学习活动的引导者，指导学生的探究活动。同时，教师应密切关注学生在POGIL教学活动中各项过程技能的发展，包括批判思维、问题解决、沟通交流、团队合作、管理领导、自我评价等过程技能。在POGIL模式的“探索—概念发明—应用”的三个阶段中，其中最重要的就是“探索”阶段，该阶段进行的情况直接和学生的学习热情相关。在“探索”阶段，教师应该合理设计问题，在物理化学教学实践中，这些问题包括自然现象、习题计算、公式推导、文献总结等形式，在设计问题时，教师要注意挑战性与趣味性并重，灵活运用前述三种形式，给出难度适中的问题，便于学生自行寻找答案，并适合组内讨论。

湘潭大学化学学院的物理化学课程在各专业学生的第三、四学期开设，每学期56课时，共112课时。一般安排每周2次课，一次课2学时，每学时45 min。教师要在有限的时间内完成教学大纲的要求，因此，POGIL的活动大部分放在课外，课内控制在10～15 min以内。POGIL教学方法主要由以下步骤构成：

(1)讨论小组的建立

每学期开课前让学生自由分组，小班(30人左右)3～4人一组，大班(60～100人左右)8～10人一组，并在开课前让班长将分组名单交于教师。教师要指导各组学生民主推选管理员、记录员、发言人等角色。3～4人小组可以固定，大组学生要轮流更换角色，以保证每个同学的积极性，教师根据记录员的讨论记录掌握各组讨论情况，一般要求各组同学自行查找资料，开展调研工作，然后寻找合适的场地，就教师的先期问题进行小组讨论，充分表达每个学生自己的观点。小组讨论可使有关课程的问题尽可能多地当场暴露，在讨论中可以加深对正确理论的理解，还可以不断发现新问题，解答新问题，使学习过程缩短，印象更加深刻。

(2)课堂POGIL教学实践过程

以两节课的内容为例，课堂教学实践过程如下图1所示，该实施方案兼顾了学生探究性学习和教师课堂讲学两个方面的教学要求，可以开发学生自主学习的积极性，同时保留了传统课堂教学的优越之处，可以有效提高物理化学课堂教学质量。

图1 POGIL教学过程示意图Fig.1 Sketch map of POGIL teaching process

如图1所示，上课前，各组管理员抽签获得临时组号。课堂教学前5 min，教师随机抽取学生复习上一次课所讲内容，评估学生的掌握情况。然后，教师随机抽取组号，由该组发言的同学通过PPT、板书或者口述的方式汇报上次课布置的习题或大作业，汇报结束后，教师对学生讲述内容总结5 min，主要针对学生汇报内容，对其点评，并引出本次课程所要讲述的主要内容。随后，教师花大约60 min时间来讲解新知识，期间穿插4～6个选择题或者问答题，这些选择题或问答题可以通过雨课堂的形式完成，每个同学都必须作答，教师可以及时掌握每个学生的学习情况，加强学生对新知识的理解，练习或回答问题的时间控制在10 min左右。课堂最后5 min，教师总结本次课内容，可以现场布置或者课后通过网络布置新的课后习题或大作业。课后习题或大作业要求学生课后通过POGIL模式完成。

(3)成绩计算

学生最终的成绩计算方式为：平时成绩占30%，期末成绩占70%。平时成绩包括个人表现成绩及群体表现成绩两部分。由教师根据“探索”过程中的讨论记录、回答问题情况、随堂测验情况综合给出平时成绩。

3 POGIL教学在物理化学中的教学实例

3.1 教学情境一

在表面化学的学习过程中，开尔文公式的教学是表面化学理论中比较重要的一个环节，在学习完弯曲表面的附加压力及Young-Laplace公式后，教师可以先向学生分组布置任务，要学生自行通过网络搜索有关过冷水的视频，观察瓶中的过冷水在倒出瞬间结冰或摇动瞬间结冰的实验现象。并向学生提出问题：为什么水在常压下，温度低于0 ℃还不结冰，而摇动或者倒出时，立刻结冰？教师也可以要求学生通过网络搜索一种在地球两极的海底发生的大自然现象——“死亡冰柱”，并要求分组学生代表尝试解释这种现象产生的原因，进入POGIL模式的“探索”阶段。

上述自然现象，在物理化学中称为“介稳状态”，是一种在热力学上不稳定，而在动力学上能暂时稳定的状态，称为介稳状态(或亚稳状态)。常见的介稳状态有：过饱和蒸汽、过饱和溶液、过热液体、过冷液体等。这些问题对于学生而言均属于全新内容，该问题设置有一定难度。因此，教师应给出相应提示，引导学生思考，便于学生构建相关知识点。

学生通过网络视频的观察，初步给出解释后，进入POGIL模式的“概念发明”阶段。教师可以通过这些解释，引导学生关注弯曲表面上的蒸气压，通过推导给出开尔文公式，并进一步利用开尔文公式，解释这些现象，经过该阶段教学时，教师可以通过若干选择题及问答题来对学生进行考核，掌握学生学习情况，同时进入POGIL模式的“应用”阶段。在该阶段，还可以利用开尔文公式解释过饱和蒸汽、过饱和溶液、过热液体的等介稳状态，解释“人工降雨”的原理。通过POGIL模式的“探索—概念发明—应用”三阶段的学习，学生可以有效掌握开尔文公式，并可以利用开尔文公式解释一些实验现象。

3.2 教学情境二

稀溶液的依数性是物理化学多组分系统热力学章节中的重点内容之一。讲述该部分内容的时候，教师可以引导学生观察下列自然现象，进入POGIL模式的“探索”阶段：为什么我国北方，在下雪的时候需要往路面上撒盐？吃冰棍时为什么边吃边吸甜味会越来越淡？什么肉汤的温度比开水的温度更高？讲述该节内容之前，要求学生分组就以上问题进行讨论。课堂上要求学生分组代表，解释上述自然现象的产生原理。

这些问题都是由于稀溶液的依数性产生的，教师可以在学生代表解释上述实验现象之后，进入POGIL模式的“概念发明”阶段。引导学生得出稀溶液的依数性的定义，指出稀溶液的依数性是指定溶剂的类型和数量后，这些性质只取决于所含溶质粒子的数目，而与溶质的本性无关。在POGIL模式的“应用”阶段，通过选择题、问答题等掌握学生的学习进度。

4 POGIL模式应用结果

在2017、2018级化学专业的学生中应用POGIL模式进行物理化学教学，期末考试成绩与别的专业同学相比，平均成绩均有较大幅度的提高(见表1)。说明POGIL教学法能够帮助学生更好的掌握知识点，提高卷面成绩。同时，随机抽取2017级和2018级学生共120人进行问卷调查，90%的学生认为使用POGIL教学模式，在学习兴趣、自信心、愉悦感、沟通协调能力、资料收集能力、语言表达能力、教学方法满意度方面均有很好的效果，对于学生的成长帮助很大。

表1 2017-2018级学生的物理化学成绩分析表Table 1 Analysis of physical chemistry examination results of 2017-2018 students

5 结 语

通过对2017级、2018级化学专业的学生进行POGIL模式的教学活动实践，结果表明该教学模式可以有效提高学生的学习兴趣，有助于学生掌握相关的概念，并将相关物理化学知识应用解释一些实验现象。从传统教学的教师单一的讲、学生听的授课状态，到现在多环节学生主动参与的教学模式，充分激发了学生的学习热情。在“探索—概念发明—应用”三阶段的学习中，学生多方面、多角度参与学习活动，收集资料、总结归纳能力明显提高，学生在汇报、评价中，增强了合作意识和批判性思维，并提高了交流、组织、表达能力，取得了良好的教学效果。