翻轉(zhuǎn)課堂應(yīng)用于物理化學(xué)熱力學(xué)教學(xué)的思考

吳愛兵

(唐山學(xué)院 環(huán)境與化學(xué)工程系，河北 唐山 063000)

熱力學(xué)作為物理化學(xué)中最重要的組成部分，研究能量與化學(xué)變化或物理變化的相互關(guān)系，對其他部分的學(xué)習(xí)具有極其重要的指導(dǎo)意義。因此物理化學(xué)中熱力學(xué)部分的教學(xué)研究具有重要意義。通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)教師和學(xué)生普遍認(rèn)同的影響學(xué)生學(xué)習(xí)熱力學(xué)部分甚至整門物理化學(xué)的原因包括：概念的抽象性、教學(xué)方法以教師為中心和學(xué)生學(xué)習(xí)動機(jī)不足等。概念的理解至關(guān)重要，是學(xué)習(xí)好后續(xù)的定理、定律及公式的基礎(chǔ)。絕大多數(shù)學(xué)生認(rèn)為教學(xué)應(yīng)該更多的促進(jìn)概念的理解而不是記憶。然而，令人遺憾的是傳統(tǒng)的熱力學(xué)教學(xué)不僅內(nèi)容有些過多，而且沒有更多的關(guān)注學(xué)生的學(xué)習(xí)需求。另外，學(xué)生對物理化學(xué)這門課的態(tài)度或看法也在很大程度上影響其學(xué)習(xí)成效。學(xué)生進(jìn)入具有負(fù)面看法和低期望值的物理化學(xué)課程學(xué)習(xí)的情況并不少見，顯然這對物理化學(xué)的學(xué)習(xí)十分不利。因此教師探索新的教學(xué)方法以扭轉(zhuǎn)學(xué)生對物理化學(xué)的消極看法，并提供給其積極有效的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，這樣有利于改善其學(xué)習(xí)成效。

翻轉(zhuǎn)課堂作為一種新興的教學(xué)方法，是對傳統(tǒng)教學(xué)方法的顛覆性改變。它通過在課前把指導(dǎo)性教學(xué)材料在線發(fā)給學(xué)生，學(xué)生可以隨時隨地觀看視頻或文本、就某個問題參與在線討論或展開研究等。翻轉(zhuǎn)課堂強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為中心，在課堂上提供給學(xué)生有意義的深入探討教學(xué)主題的學(xué)習(xí)機(jī)會。現(xiàn)代化教育技術(shù)在翻轉(zhuǎn)課堂中發(fā)揮著重要作用。教師發(fā)給學(xué)生的教學(xué)材料形式多種多樣，其中微課視頻較多。視頻的長度通常以十到十五分鐘為宜。翻轉(zhuǎn)課堂中可以讓學(xué)生進(jìn)行各種各樣的活動，包括原始文件分析、辯論或演講、基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)、以及技能發(fā)展或概念實(shí)踐等。在這些活動中，在有限的課堂時間內(nèi)并在教師的指導(dǎo)下，學(xué)生能夠有效地鍛煉發(fā)現(xiàn)問題、協(xié)作解決問題等高階思維能力。教師與學(xué)生的互動減少了傳統(tǒng)課程中的說教性而更加趨于因人而異的個性化，同時學(xué)生愉快地參與到課堂活動中從而達(dá)到知識獲取和建構(gòu)的目的[1]。

本文首先分析翻轉(zhuǎn)課堂應(yīng)用于物理化學(xué)熱力學(xué)教學(xué)需要思考的三個問題，然后給出熱力學(xué)翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)的三個步驟：

1 翻轉(zhuǎn)課堂應(yīng)用于物理化學(xué)熱力學(xué)教學(xué)需要思考的三個問題

1.1 熱力學(xué)翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)內(nèi)容的選擇

熱力學(xué)部分在整門物理化學(xué)課程中占的比重非常大，另外考慮到學(xué)生在物理化學(xué)的先修課程——無機(jī)化學(xué)中已經(jīng)學(xué)過了有關(guān)熱力學(xué)的大部分基礎(chǔ)知識，所以在有限的物理化學(xué)課時前提下關(guān)于如何選擇熱力學(xué)內(nèi)容進(jìn)行翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)是一個十分必要的問題。根據(jù)熱力學(xué)內(nèi)容特點(diǎn)，適合翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)主要包括以下三類：(1)定理定律：熱力學(xué)中的定律有的簡單易懂(如實(shí)質(zhì)為能量守恒定律的熱力學(xué)第一定律)，學(xué)生很容易就能理解記憶，然而有的定理(如卡諾定理)卻抽象難懂，光憑學(xué)生自學(xué)或課堂上教師的單純講授很難使其理解掌握。如果學(xué)生在翻轉(zhuǎn)課堂前預(yù)先觀看教師發(fā)的有關(guān)卡諾定理的微課視頻等材料，課上結(jié)合教師的講授及小組討論等活動，就能夠收到較好的學(xué)習(xí)效果。(2)操作步驟：熱力學(xué)中的有些定理定律是通過實(shí)驗(yàn)得來的，課本上的實(shí)驗(yàn)是用幾張靜態(tài)圖來展示的，學(xué)生學(xué)起來不能夠很好地理解實(shí)驗(yàn)進(jìn)行過程中的動態(tài)變化。另外在熱力學(xué)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)(如純液體飽和蒸氣壓的測定)的教學(xué)中，教師在講臺上結(jié)合實(shí)驗(yàn)講義即使講得再清楚細(xì)致，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中也會出現(xiàn)這樣那樣的問題甚至實(shí)驗(yàn)失敗。如果教師事先將錄制好的實(shí)驗(yàn)小視頻發(fā)給學(xué)生，讓他們在實(shí)驗(yàn)前認(rèn)真觀看并提出幾個典型的關(guān)于某幾個操作步驟的目的或作用的問題，實(shí)驗(yàn)開始前再讓學(xué)生們進(jìn)行小組討論回答問題，最后教師就注意事項(xiàng)進(jìn)行點(diǎn)評提醒，這樣就能使學(xué)生們的實(shí)驗(yàn)順利進(jìn)行，有效鍛煉其動腦及動手能力。(3)難點(diǎn)知識：熱力學(xué)中的有些物理量是后續(xù)有關(guān)熱力學(xué)計算中經(jīng)常涉及到的狀態(tài)函數(shù)，對其定義及物理意義的準(zhǔn)確理解是教學(xué)的難點(diǎn)。例如熱力學(xué)第二定律中的熵，是之后定義另外兩個重要的狀態(tài)函數(shù)亥姆霍茲函數(shù)和吉布斯函數(shù)的基礎(chǔ)，單純地以課本作為教材很難使學(xué)生透徹地理解并掌握其定義及物理意義。教師可以通過在課前發(fā)給學(xué)生有關(guān)熵的起源(如“熵”的造字人介紹)及其物理意義的延伸(如“熵”與人類健康的關(guān)系)等材料，激發(fā)起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，課上講授后再讓他們分小組討論，這樣就能夠使他們有效化解難點(diǎn)知識[2]。

1.2 熱力學(xué)微課內(nèi)容的選擇

微課或視頻是翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)方法中教師發(fā)給學(xué)生材料的形式之一，通常制作微課的時間是微課時間的幾倍甚至十幾倍，需要花費(fèi)教師大量的精力和時間，所以合理選擇熱力學(xué)內(nèi)容進(jìn)行微課的制作也是需要考慮的一個問題。熱力學(xué)內(nèi)容中適合制作微課的主要包括以下三類：(1)簡單的原理知識：如熱力學(xué)第一定律中的狀態(tài)函數(shù)與途徑函數(shù)、熱力學(xué)第二定律中的克拉佩龍方程等，利用微課可以清晰的比較狀態(tài)函數(shù)與途徑函數(shù)的區(qū)別、掌握克拉佩龍方程的適用條件及有關(guān)計算等。(2)清晰的操作步驟：如純液體飽和蒸氣壓的測定、乙醇-環(huán)己烷雙液系氣液平衡相圖的測繪等實(shí)驗(yàn)，制作成微課可以將整個實(shí)驗(yàn)過程形象直觀地展現(xiàn)在學(xué)生眼前，短短幾分鐘或十幾分鐘的微課視頻勝過教師講幾十分鐘的效果[3]。(3)生動的實(shí)例解釋：熱力學(xué)中的一些定理定律能夠用來解釋生產(chǎn)生活中的具體實(shí)例，如多組分系統(tǒng)熱力學(xué)中稀溶液的依數(shù)性其中一點(diǎn)——滲透壓，這點(diǎn)性質(zhì)可以用來解釋海水淡化的原理，制作圖文并茂甚至配有動圖或小視頻的微課，不僅可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，而且可以提高其利用理論知識解釋實(shí)際問題的能力。

1.3 熱力學(xué)翻轉(zhuǎn)課堂與傳統(tǒng)課堂教學(xué)方法的組合

雖然翻轉(zhuǎn)課堂扭轉(zhuǎn)了傳統(tǒng)課堂中學(xué)生由被動學(xué)習(xí)變?yōu)橹鲃訉W(xué)習(xí)的中心地位，但是不能完全否定傳統(tǒng)課堂中講師講授的重要作用，也不得不看到翻轉(zhuǎn)課堂的合理設(shè)計和有效實(shí)施還存在著各種各樣需要多方面亟待解決的問題。在熱力學(xué)部分的教學(xué)過程中，根據(jù)教學(xué)內(nèi)容特點(diǎn)、教學(xué)環(huán)境條件和學(xué)生學(xué)習(xí)能力等，可以采取翻轉(zhuǎn)課堂與傳統(tǒng)課堂相組合的教學(xué)方法，揚(yáng)長避短，取得好的教學(xué)效果。

2 翻轉(zhuǎn)課堂應(yīng)用于物理化學(xué)熱力學(xué)教學(xué)的三個步驟

2.1 翻轉(zhuǎn)課堂的設(shè)計

翻轉(zhuǎn)課堂的課前材料可以以各種形式(教科書、網(wǎng)頁、微課或視頻等)提供，但是最容易操作上手也是應(yīng)用最多的的形式是有語音旁白的幻燈片(PowerPoint，以下稱為有聲ppt)。考慮到學(xué)生所學(xué)的知識，教師將提前用錄屏軟件制作好的有聲ppt和提出的幾個與待講授內(nèi)容相關(guān)的典型問題發(fā)給學(xué)生。關(guān)于提出的問題，注意緊扣教學(xué)內(nèi)容，且教學(xué)目的明確、內(nèi)容清晰，使學(xué)生在較短的時間內(nèi)抓住教師授課內(nèi)容重點(diǎn)和難點(diǎn)。以熱力學(xué)第一定律為例，告知學(xué)生重點(diǎn)是狀態(tài)與狀態(tài)函數(shù)、熱力學(xué)第一定律及恒容熱、恒壓熱、焓的概念及化學(xué)反應(yīng)熱效應(yīng)的計算、可逆過程及可逆體積功的計算等，難點(diǎn)是狀態(tài)函數(shù)的特性與狀態(tài)函數(shù)法的應(yīng)用，可逆過程的理解和絕熱不可逆體積功的計算。微課視頻力求短小精悍，避免拖沓冗長或是教學(xué)錄像的重復(fù)，比較簡單的方式是將ppt課件配以語音講解錄制成微課。微課的時間控制在15分鐘以內(nèi)，以保證學(xué)生在注意力能夠高度集中階段完成課程學(xué)習(xí)。設(shè)計的問題答案在微課中應(yīng)有跡可循，問題還應(yīng)具有一定的啟發(fā)性、總結(jié)性和延伸性，控制在3到5個為宜。微課的發(fā)布主要利用微信或QQ群等媒介，學(xué)生在收到微課視頻后，根據(jù)自己計劃自由觀看學(xué)習(xí)，并將學(xué)習(xí)效果在線上及時反饋給教師。教師根據(jù)學(xué)生集中反饋的問題，有針對性的設(shè)計課堂翻轉(zhuǎn)活動。

2.2 翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)的實(shí)施

根據(jù)教學(xué)內(nèi)容和學(xué)生集中反饋的問題，選擇有代表性的作為課堂授課內(nèi)容的切入點(diǎn)，讓學(xué)生帶著問題認(rèn)真聽講以得到答案。以熱力學(xué)為例，教師講授根據(jù)熱力學(xué)第一、第二定律等公式推導(dǎo)判斷過程方向的狀態(tài)函數(shù)判據(jù)(如熵判據(jù)、亥姆霍茲函數(shù)判據(jù)和吉布斯函數(shù)判據(jù))時，提示性地引入推導(dǎo)條件，使學(xué)生順著教師的思路一步步順理成章地得到結(jié)果，并使學(xué)生體會到學(xué)習(xí)成就感的同時加深記憶效果。對于重點(diǎn)、難點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)講解，并發(fā)布提升任務(wù)，如習(xí)題、案例分析等，實(shí)現(xiàn)課堂指導(dǎo)互動，使學(xué)生知識內(nèi)化和鞏固。為了加強(qiáng)學(xué)生協(xié)作學(xué)習(xí)的能力，通過分組討論等方式讓學(xué)生就某個問題進(jìn)行小組討論，然后教師對學(xué)生討論結(jié)果進(jìn)行分析。另外在課時允許的條件下，教師請一到兩位表達(dá)能力較強(qiáng)的學(xué)生登上講臺講解某個熱力學(xué)知識點(diǎn)，之后隨機(jī)請聽講學(xué)生針對該知識點(diǎn)提出問題，最后由教師進(jìn)行點(diǎn)評和總結(jié)，實(shí)現(xiàn)生生互動和師生互動，提高教學(xué)效果。

2.3 翻轉(zhuǎn)課堂的評價與反思

翻轉(zhuǎn)課堂的評價包括課堂教學(xué)評價和學(xué)生學(xué)習(xí)評價。對翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)評價主要包括對教師課前、課中、課后的教學(xué)評價。學(xué)生作為翻轉(zhuǎn)課堂學(xué)習(xí)過程的主體，其學(xué)習(xí)成效評價也主要包括課前、課中、課后的學(xué)習(xí)評價。另外可以考慮將教學(xué)模式的評價加入到教學(xué)評價中，通過合理設(shè)置教師教學(xué)活動評價、學(xué)生學(xué)習(xí)成效評價和教學(xué)模式的評價各自所占的權(quán)重，得到最終的教學(xué)評價結(jié)果。根據(jù)評價結(jié)果反思在翻轉(zhuǎn)課堂中教師的活動組織、學(xué)生的學(xué)習(xí)討論和教學(xué)模式的實(shí)施等環(huán)節(jié)的改進(jìn)措施。

3 結(jié)語

物理化學(xué)中最重要的熱力學(xué)部分應(yīng)用翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)具有重要意義，需要從多方面考慮到熱力學(xué)教學(xué)內(nèi)容及微課內(nèi)容的選擇，采用翻轉(zhuǎn)課堂與傳統(tǒng)課堂相結(jié)合的教學(xué)方法，通過對翻轉(zhuǎn)課堂的課前設(shè)計、課中實(shí)施及課后評價與反思，同時提高教師的教學(xué)效果和學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。