基于五星教学法的“大学化学”教学探索与实践

［摘 要］ “大学化学”是本科生的基础课程，传统教学模式以教师讲授为主，学生对于原子结构、分子结构等教学难点的学习兴趣不高，学习效果较差，难以满足高素质、专业化军事人才培养要求。应用五星教学法对传统的“大学化学”教学模式进行改革和实践，以多电子原子核外电子的排布为教学案例，实践结果表明五星教学法体现了以学生为中心的教学理念，提高了学生的学习兴趣和学习积极性，活跃了课堂氛围，增强了课堂互动，学生学习满意度明显提高，达到了较好的教学效果。

［关键词］ 大学化学；五星教学法；教学难点

［基金项目］ 2019年度航天工程大学教学研究课题项目“大学化学课程建设项目”（1-1-2-5）

［作者简介］ 任武荣（1985—），男，山西忻州人，博士，航天工程大学基础部讲师，主要从事化学课程研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2024）14-0137-04 ［收稿日期］ 2023-01-30

引言

“大学化学”课程是为航天工程大学非化学专业本科生开设的基础课，课程教授的基本概念、基本理论、基本方法和实验技能是构成学员专业领域科学素养的重要组成部分。我校学生均为非化学专业，化学学习基础一般，加之我校对于人才培养、体能队列训练、文体活动要求高，学生自主学习时间短等特点，近年来，“大学化学”课程教学团队在教学内容、课程设计、教学理念、教学方法等方面进行了积极的探索与实践。

首先，重整教学内容，按照物质结构、化学反应的基本规律和化学的现代应用三个模块构建知识点。其次，改进教学设计与教学模式。现行的“大学化学”教学模式基本是以教师课堂讲授为主，学生的学习积极性和学习效果一般，为此，很多教育工作者在“大学化学”教学中提出了一系列新的教学设计模型和理念，如OBE理念［1］、雨课堂和BOPPPS教学模型［2-3］、项目式学习［4］等，取得了良好的教学效果［5］。鉴于物质结构部分知识点比较抽象，与学生的原有认知差别较大，学生理解起来比较困难等现状，本文提出了基于“五星教学法”的教学设计。该设计始终坚持以学生为主体的教学理念，突出学生的主体地位，通过“聚焦问题、激活旧知、示证新知、应用新知、融会贯通”等教学设计，提高学生的学习兴趣，培养学生的自主学习能力，增强学生的课堂参与度。通过对考试成绩和问卷调查进行分析，结果表明，采用“五星教学法”对课堂的各个方面都有促进作用，具有较好的教学效果，为旨在提高课堂教学质量的教学模式改革提供了借鉴和参考。

一、五星教学法介绍

五星教学法是美国著名教育心理学家和教学设计理论家梅瑞尔教授提出的，其核心是在“聚焦解决问题”的教学宗旨下，由不断重复的四个阶段循环构成，其结构模式如图1所示。国内由浙江大学盛群力教授等引进，并在初等教育领域取得了良好的应用［6］。

五星教学法可概括为以下五个步骤：（1）聚焦问题。在教学过程中，教师应该把本次课的教学内容以问题的形成呈现出来，即以问题为导向，为吸引学生的注意力，提高学生的学习兴趣，问题的设置多与生活相关，贴近实际。（2）激活旧知。在问题的引导下，通过一定的教学设计帮助学生唤起原有的知识，为新知识的学习做好准备工作。（3）示证新知。通过多种教学手段引入新知识点，帮助学生建立新旧知识之间的联系，为解决问题做好铺垫。（4）应用新知。学生通过完成例题和习题等方式熟练掌握新的知识点，做到举一反三。（5）融会贯通。学生在教师的帮助下，将新的知识迁移到课堂一开始聚焦的问题中，达到活学活用的教学目的。

五星教学法在实际教学中可以起到良好的教学效果。比如，周雪芹［7］在从C语言到Java语言过渡的教学设计中运用了五星教学法，让学生温故知新，保持较强的学习动力和学习兴趣。钱飞跃等［8］在微课教学设计中运用了五星教学法，实现了“知识自然延伸、问题合理解决”的高效教学。吴彦文等［9］在模拟电子技术SPOC课程、袁朴玉［10］在高等数学课程、张广娜等［11］在园艺专业课程、邹剑霞等［12］在信息技术课程中均采用了五星教学法，提高了教学质量。

二、五星教学法的课堂教学实践

（一）原子核外电子排布内容介绍及教学现状

原子核外电子的排布规律主要涉及电子层、原子轨道和电子自旋等概念，包括原子核外电子排布的原理和排布规则，即能量最低原理、泡利不相容原理和洪特规则。这部分内容在“大学化学”课程中处于基础性地位，但是内容比较抽象，初学者较难理解。运用传统的讲授方法难以达到有效的学习效果，比如原子结构中的四个量子数，部分学生仅靠死记硬背来记忆规则，无法融会贯通，甚至个别学生完全“不知所云”，不清楚电子为什么要排布、电子和原子轨道之间的关系等。针对教学过程中存在的问题，本文运用五星教学法对“大学化学”教学模式进行改革和探索，降低了学生的学习难度，提高教学效果，为培养德才兼备的高素质、专业化新型人才打下良好的科学基础。

（二）基于五星教学法的“大学化学”教学模式设计与实践

针对当前学生学习主动性和积极性不高、学习目的不明确等实际情况，运用五星教学法将教学内容聚焦于解决实际问题，能够让学生明白为什么要学习这些知识，这些知识可以解决哪些问题。此外，五星教学法作为一项科学的教学体系，能让新教师快速掌握教学设计的方法和步骤，弥补教学经验的不足，有效提升教学效果。本文以原子核外电子排布的相关知识为例，运用五星教学法从聚焦问题、激活旧知、示证新知、应用新知、融会贯通五个环节进行了教学设计和实践。

1.聚焦问题。通过提出问题引发学生的兴趣，例如，门捷列夫发现了元素周期律，为化学学科的发展做出了巨大的贡献，但他只给出了结果，没有回答原因，那么元素的化学性质为什么呈现周期性变化呢？进而引入原子核外电子排布的周期性变化规律。

通过聚焦问题，使知识内容具有更强的直观性，能够引起学生的注意力，激发学生的学习兴趣，提高学习的积极性。通过该问题的设置，让学生明白核外电子为什么要排布、学习核外电子的排布可以解决生活中的哪些问题。

2.激活旧知。在学习核外电子如何排布这个新知识点之前，需要回顾课程前面学过的原子轨道和能级的概念等相关内容，以便更好地理解新知识，同时使知识结构更加系统和完备。

3.示证新知。在学生对新知充满期待的情况下，通过引入道具或视频动画等，结合具体案例，讲授多电子原子核外电子的排布规律。在此环节，可充分应用各种参与式、类比式、研讨式等学习方法进行教学设计，如采用类比法进行教学，可通过导入综艺节目中客人按照游戏规则选择客房的节目视频，将电子比作“嘉宾”，原子轨道类似于“客房”，将电子在原子核外轨道上的排布类比于综艺节目中的“嘉宾”选择“客房”的过程，调动学生的学习兴趣。

接下来重点讲解电子这个“嘉宾”在挑选原子轨道这个“客房”时的选房规则。（1）电子“选房”规则一：泡利不相容原则。将每个原子轨道视为一个“双人间”，可以住进自旋方向相反的两个电子“嘉宾”，无法容纳三个或三个以上的电子。从选房规则出发，学习泡利不相容原则即任何一个原子轨道最多容纳两个自旋方向相反的电子，同一原子中不能存在运动状态完全相同的电子。（2）电子“选房”规则二：能量最低原则。与“嘉宾选房”相比，电子更喜好占据“低楼层”，一楼被占满后才会选二楼，即电子优先排布到能量低的原子轨道上，使原子的整体能量降低。（3）电子“选房”规则三：洪特规则。在以上两个原则的基础上，还有一些特殊情况，即当同一楼层存在多套空房时，或者原子存在能量相同的多个空原子轨道时，电子这个“嘉宾”更喜欢单独住进原子轨道这个“房间”里，而不是与其他电子挤在一个房间。按照洪特规则，使等价轨道处于全充满、半充满或全空状态时的电子排布方式是比较稳定的。

4.应用新知。在这一环节，充分体现以学生为主体的教学理念，通过情景模拟、沉浸式学习等参与式学习方法，引导学生应用新知识解决问题，如让学生扮演电子“嘉宾”，通过排队站位的方式组合成不同原子轨道即“房间”，按照前面学过的三个规则选择房间，并站到对应的房间位置，同时在纸上写出“房间号”，即原子轨道名称。通过学生之间互动，达到巩固和应用新知的目的。也可以进行对抗式练习，全班同学分为若干组，每组按照给定的元素进行快速排队，按照电子“嘉宾”选房的正确率和速度计分，提高学生的参与度和积极性。教师可以提前准备一些小的奖品，作为奖励。

5.融会贯通。在掌握核外电子排布基本规则并能熟练应用的基础上，通过设计贴近生活常识的事例，如生活中常见的铁锈为什么是红色的三氧化二铁而不是铁的其他化合物、同族元素的化学性质为什么相近、同周期元素的单质从左到右为什么由金属变为非金属等，使学生能够应用所学的电子排布相关知识，理解元素周期律和元素的化学性质，达到融会贯通的学习效果，同时深刻理解了门捷列夫没有解答的疑问——元素周期律是因为原子的核外电子排布呈现周期性变化规律。

总之，传统的教学设计包含了上述五个要素，但是往往涵盖不够全面，课堂设计不够系统，对问题的聚焦性不够，以学生为中心的教学理念体现得不明显。采用五星教学法进行课程设计，通过聚焦问题的方式，把解决问题作为课堂切入点，激发学生的学习兴趣；通过激活旧知，有利于学生复习和运用已有的知识，并为课堂即将要学的知识做好铺垫；通过旧知合理引出新知，采用参与式、类比式、研讨式等学习方法学习新知，学习过程中充分体现以学生为中心的教学理念；在此基础上，通过设计游戏、问题等互动环节激发和鼓励学生应用新知来解决问题；最后通过发散性的、生活化的问题，帮助学生实现融会贯通的教学目的。

三、教学效果

将传统教学模式与基于五星教学法的教学模式进行比较。2020年春季学期的“大学化学”教学班（共54人）为传统教学模式，2022年春季学期的“大学化学”教学班（共76人）为五星教学模式，两个班次学生的教学效果如表1所示。从表1可以看出，采用五星教学模式的班级在学生课堂参与度、满意度和平均分等方面均有显著提高。通过五星教学模式，对于原子核外电子排布等比较抽象、难理解的知识，利用学生易于理解的“选房”进行类比，降低了学习难度，引发了学生课堂学习的浓厚兴趣，课堂互动次数由平均3次提高到了11次，学生学习的积极性明显提高，对相关知识的掌握程度显著提升，帮助学生在有限的时间内获得良好的学习效果。

采用五星教学模式的教学班，学生参与完成了对于学习效果评估的匿名调查问卷，从参与调查反馈的学生问卷可以发现，学生普遍对五星教学模式有良好的学习效果评价，从学习效果等各方面考虑均有提升的学生人数比例平均为96.5%（选项“非常符合”与“比较符合”比例之和）。学生反馈认为五星教学模式非常有助于复习理解和增加学习主动性。在提升学习兴趣、帮助理解和复习提高学习效率、增加交流互动和认为自己作为课堂主体进行学习等方面，反馈五星教学模式非常有帮助的人数比例占比较大，仅有极少数学生反馈学习效果提升不显著（平均占比为3.5%）。总体来看，学生对于五星教学模式的学习效果的评价和习题成绩与考试成绩提升的情况相符合，证明五星教学模式在提高学习效果方面确实具有优越性。

结语

针对“大学化学”教学中原子核外电子排布等内容比较抽象、学生学习难度大的问题，本文以多电子原子核外电子的排布为具体的教学案例，应用五星教学法对传统的“大学化学”教学模式进行改革和探索，从聚焦问题、激活旧知、示证新知、应用新知和融会贯通等五个环节对教学过程进行设计，以类比的方法降低了学生的学习难度，激发了学生的学习兴趣，帮助学生在有限的时间内掌握重点和难点，达到了良好的学习效果，取到了更高的学习满意度。五星教学法作为有效多维度提升学生学习效果的教学模式，在课堂实施过程中具有重要借鉴意义。