物理化学的指导探究实验 ——POGIL-PCL模型外文翻译资料

物理化学的指导探究实验

——POGIL-PCL模型

原文作者 Sally S. Hunnicutt 单位 美国弗吉尼亚联邦大学化学系

摘要：POGIL-PCL项目贯彻了以过程为导向，引导探究学习(POGIL)的原则，以提高学生在物理化学实验室(PCL)课程中的学习。正在发展的探究式物理化学实验强调化学现象的模拟。在每个实验中，学生至少要经历两个学习周期，在这两个学习周期中，他们要做出预测，收集数据，建立数据模型，并讨论数据的意义。学生实验室体验的设计类似于研究的学徒模式，因为学生在教师的指导下进行实验，以确定在同一实验的后续试验中哪些参数最好修改。POGIL-PCL模型用一个例子来说明:“非均相反应的动力学参数是什么?”讨论了典型的学生成绩和回答。

关键词：高级本科；物理化学；探究/发现学习；动力学；速率定律；气体

■背景和介绍

除了教授学生具体的内容和实验室技术之外，实验室课程应该让学生参与现实的科学探究和问题解决。美国化学协会的本科生化学课程指导方针明确呼吁教师使用引导式探究和合作学习进行教学。该指南特别指出了在实验室教学中使用“探究驱动和开放式调查”的优势。根据学生对实验室特征清单的反应，发现探究性实验比验证性实验在实现这些目标方面更有效。例如，在要求学生使用基于证据的论点方面，学生对探究性实验的评价比验证性实验高得多。艾伦等人指出，验证实验的食谱性质实际上可以抑制智力刺激。

我们提出了一种在物理化学实验室中通过POGIL(面向过程的引导式研究性学习)框架进行引导式研究性学习和协作式学习的方法。除了特定的内容，物理化学在学生的智力发展中起着关键的作用。掌握物理化学需要综合多学科的概念:化学、物理和数学。掌握这一点有助于跨学科思维的发展，使学生在毕业后的工作中受益。随着POGIL对内容知识和过程技能开发的重视，它在物理化学实验室的使用为学生从本科生工作到研究生院或工业过渡阶段的发展提供了一个有效的工具。

物理化学实验课通常采用两种教科书中的一种或基于这些教科书或化学教育杂志上发表的实验自行出版的手册。这些实验大多以一个冗长的背景部分开始，详细介绍理论、概念和方程式。背景部分之后是一个简短的实验部分，然后是确定一些物理参数或属性的指令。最后的问题要求学生解释他们的成绩。学生报告的结论往往是他们的结果与公布的结果之间的百分比差异，并诉诸人为错误来解释这种差异。

这些物理化学实验的结果为教师们所熟知，并且经常在实验室工作开始前就通知学生们。学生通常认为物理化学实验的目的是再现那些结果，而发展对物理化学概念的理解通常是次要的。在物理化学实验中，学生的努力和注意力往往集中在实验结果与公布结果的一致性上。

物理化学实验课的结构特点使其有别于普通化学、有机化学等实验课。实验主题不太可能与讲课主题同步，部分原因是实验室仪器资源有限(例如，只有一个弹式量热计)。在一些机构，学生可能在不同的学期选择物理化学实验课和讲课课。某些主题，如动力学，可能主要在实验室中讨论，因为在学生生成数据的背景下，潜在的概念可以更好地理解。在物理化学教学实验室进行的许多实验都再现了课堂上描述的观察结果，如盐酸的红外光谱。另一方面，物理化学课堂上讨论的一些现象在教学实验室中难以再现;例如测量绝对熵、氢原子的角波函数或自旋。还有一些实验需要仪器和/或教师的专业知识，而这些仪器和/或教师的专业知识是机构无法提供的，例如测量焦耳-汤姆逊效应。

先前的一些努力包括了普通化学、有机化学和物理化学实验课程的探究。科学写作启发(SWH)项目的参与者已经为普通和有机化学实验室开发并测试了实验。进行SWH实验的学生设计一个研究问题，假设一个基于概念的主张，并确定支持或拒绝这一主张所需的测量。Holy Cross学院的化学系探索了为物理化学开发的探究驱动实验。每一个多星期的实验室练习的前期工作都要求学生小组根据教师提出的问题制定一个研究提案。研究小组获得了一份提供实验和理论背景信息的实验室手册。一旦研究提案被批准，学生们有两周的时间收集数据，第三周时间进行数据分析。最终的报告是以期刊文章的形式写的。物理化学在线(PCOL)项目促成了物理化学实验和课堂练习的发展，来自不同大学的学生可以选择通过互联网和电子邮件进行合作。PCOL的活动旨在促进学生和教师之间的在线合作，并为学生提供更多开放式的问题来回答他们的工作。学生们认识到，为了得出有意义的结论，他们必须分享数据。

涉及学生合作的普通化学和有机化学引导探究实验先前是基于POGIL标准开发的。POGIL提供了一个基于研究的学习环境，在这个环境中，引导学生使用学习周期构建、探索→概念发明→应用来发现化学概念，并鼓励他们练习团队合作和沟通等过程技能。基于POGIL的实验旨在遵循这一学习过程，并积极鼓励实验室合作。这些实验的结果是教师而不是学生知道的，从教师提出的研究问题开始，并要求学生汇集数据。这些实验的设计是为了让学生能够始终如一地获得可靠的数据。学生被引导到适当的概念，这些概念通过仔细的提问得到加强。迄今为止，还没有基于POGIL原理的物理化学实验的正式发展。

物理化学实验室是一个以过程为导向的研究性学习项目，旨在提供以研究为导向而不是以验证为基础的物理化学实验，并遵循一个学习周期。这些实验被设计成可以在任何规模的机构中以全班或循环的方式进行。POGIL-PCL实验建立在Holy Cross学院、POGIL、SWH和PCOL为物理化学实验室所做的前期开发工作的基础上。在这项工作中，我们描述了我们所开发的POGIL-PCL实验的一般框架，提供了该结构的一个示例，并讨论了POGIL-PCL在探究性实验中的地位。

■实验室活动的结构

POGIL-PCL实验框架如图1所示。这个实验的题目是一个概念性的问题，需要通过实验来回答。实验的核心是一套“数据思考周期”，学生们在这个过程中回答预备问题，做出预测，遵循一个标准的方案(程序)来测试预测，然后分析数据。实验的设计至少需要两个循环来回答实验的题目问题。最后，学生在实验后的问题中应用所学的概念或更深入地探索概念。每一次循环都让学生更深入地沉浸在概念中。第一个数据-思考周期通常关注于一个定性的结果，而连续的周期强调图表数据和定量建模。

图1所示.POGIL-PCL实验模板.POGIL-PCL实验包括多个数据-思考循环，如图中间所示，并在文中讨论

在POGIL-PCL实验中，学生们以小组或全班的形式一起工作。他们会实时地做出与实验相关的决定或选择，并在收集数据之前对实验结果做出预测。每个人都遵循相同的方案或程序来收集数据，尽管学生们经常把实验分成不同的组，然后汇集数据来得出实验问题的答案。在数据收集完成后，学生们使用从物理化学概念中开发的函数对数据进行建模。用于建立数据模型的方程在数据收集之前或之后向学生介绍。“思考数据”的问题要求学生为他们的结果提供基于证据的解释。在这个循环的几个点上，整个班级可能会更详细地讨论一个特定的概念或为下一次实验选择合适的选项。、

下一节将更完整地描述一个POGIL-PCL实验，以说明图1中描述的结构。

■POGIL-PCL的例子:非均相反应的动力学参数是什么?

传统版本的实验“非均相反应的动力学参数是什么?”这一问题发表在《化学教育杂志》以及哈尔彭和麦克本的教科书上。传统的版本从几页关于这个反应的化学和动力学的讨论开始。学生被告知要学习的镁的形态(带状)，要使用的盐酸的浓度，在反应容器中混合镁带的体积和长度，以及要测量的量(压力)，以便跟踪反应的进展。收集数据后，要求学生计算反应速率级数和活化能。

本实验的POGIL-PCL变化(支持信息)遵循图1的实验模板，但仍然确保学生确定该反应的速率规律和活化能。在第一个“数据-思考”循环中，学生对反应进行定性探究，以考察镁的物理形态对反应速率的影响。根据他们所获得的数据，学生(作为一个班级)对他们将要进行的实验做出决定，以便对实验过程有一个定量的理解。例如，要求学生用他们的数据来讨论镁的哪种物理性质会影响反应速率，以及镁的哪种物理形式最适合用来研究这种性质。POGIL-PCL实验的一个主要目标是让学生与老师一起实时收集和分析数据，而不是收集所有数据，然后在实验室外单独进行分析，有时是在他们收集数据几周后。

每个POGIL-PCL实验附带详细的指导手册(支持信息)。对于一个实施实验的教师，这本手册提供了时间估计，问题的答案，以及典型的学生预测，数据和结果。具体的实验手册有关键的提示和提醒，以帮助教师促进实验。教师手册也包括实验的概念和过程学习目标。在“非均相反应的动力学参数是什么?”，学习目标包括

bull;过程目标:培养将关系转化为线性形式并将该关系应用于被测量的能力。

bull;内容目的:选择允许确定实验速率规律的实验参数。

这些目标通常不会在实验之前提供给学生。

POGIL-PCL实验的题目要求的不仅仅是一个数字的确定，尽管这肯定是物理化学中的一个实验目标。这个实验的题目是“非均相反应的动力学参数是什么?”“在这里，答案是指确定哪些参数对监测动力学是重要的，以及该反应的具体数值。这个问题预示着实验中的第一个数据思考周期。然后用一个简短的段落介绍这个问题，并提供一些做实验的动机。这一段并不是对概念学习结果的详细说明。

每个实验周期都以一系列的实验前问题或预备问题(方框1)开始，学生在实验开始前要在他们的实验笔记本上回答这些问题。实验前的问题比实验后重复的问题更关注实验方案。当学生们来到实验室时，他们被随机分配到三人或四人一组，并在他们的小组中讨论他们对实验前问题的答案。教师的角色是促进全班对实验前问题的讨论，为他们进行第一次实验做准备。

通用实验协议(框2)描述了每个实验在“数据-思考”循环中的共同过程。该协议被设计为广泛的;在这种情况下，没有给学生提供浓度、质量或体积。一旦讨论了实验问题，教师就开始讨论盐酸的适当浓度和体积以及实际使用的镁的量。讨论对学生来说是一个学习如何在实验室中做决定的机会。例如，当他们决定准备多少解决方案时，他们开始思考浪费，同时仍然满足他们的小组或整个班级的需要。

实际操作时，POGIL-PCL实验包括学生准备溶液和试剂体系作为实验工作的组成部分。提供给学生的信息中包含了关于这个准备的有限信息，因为每节课可能会对哪些溶液、浓度和其他体系是做实验所必需的做出不同的决定。我们的期望是，学生将依靠之前的知识来正确准备所需的任何解决方案，尽管一些教师的指导通常是需要的。教师准备的原液可以用来节省时间，但学生仍然必须决定并进行适当的稀释。

对于每一个数据-思考循环，学生们在做实验前预测一个结果，然后按照方案回答一个问题。教师手册包括一个提醒，要求学生以书面形式提出这个预测。这里大多数学生预测，增加镁的质量会增加反应的速率。为了验证这一预测，学生们比较四种不同形式的粉状、带状、杆状和弯曲状的镁的反应速率，以回答“定性地说，镁的形式如何影响它与HCl(aq)的反应速率?”学生们汇集数据来回答这个问题。学生对至少选择两种不同量的镁。学生们进行实验，然后以三到四人为一组回答随后的“思考数据”(TATD)问题。他们在一个通用的电子表格中输入他们的价格，供全班使用;某班学生的结果如表1所示。框3给出了带

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

英语原文共 7 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[271307]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word