基于STEM理念的物理化學混合式教學設計
——以“單組分系統相圖”為例

劉 妍 胡俊平 畢慧敏 游富英

（邯鄲學院化學化工與材料學院 河北邯鄲 056005）

STEM教育是科學(Science)、技術(Technology)、工程(Engineer)和數學(Mathematics)教育的簡稱，是美國在上世紀80年代為提升國家競爭力和自身的創新能力而對高等教育提出的一項重要的教育戰略[1]。它能讓學生從多學科角度參與到復雜問題的解決過程中，提升學生對復雜知識的解決能力，培養學生的創新意識。

物理化學是化學、應用化學等相關專業的主干課程。它對學生科學思維和綜合素質的培養起著至關重要的作用[2-3]。由于該課程理論性較強，對學生的邏輯分析和數學推導能力要求較高，學生普遍反映它較難學習。部分學生對該課程的學習缺乏信心和興趣。目前，邯鄲學院化學化工與材料學院的物理化學課程主要采用教師課堂講授為主要教學形式，雖然建有網絡資源，但利用率不高。學生仍然是被動聽課，難以很好地跟上課程講授的節奏。

雨課堂是清華大學和學堂在線共同開發的混合式教學工具。面對“互聯網+”給教育事業帶來的機遇和挑戰，本文依據STEM理念，依托雨課堂平臺，線下教學與線上教學相結合，探索物理化學教學改革新模式，并以“單組分系統相圖”為案例，詳細闡述該教學模式的設計與實施過程，以為高校物理化學及其他課程教學改革提供參考與借鑒。

一、基于STEM和雨課堂的物理化學混合式教學模型

（一）基于雨課堂教學應用的線上線下混合式教學環節設計

基于雨課堂教學應用的物理化學線上線下混合式教學過程分為三部分：課前預習、課堂教學、課后提升。課前，教師通過雨課堂推送給學生相關知識點的微課、預習課件等；學生根據自己的時間完成學習，并通過推送的測試題檢測知識掌握情況。這樣既培養了學生自主學習能力，也提高了學習效率。課堂上，學生通過微信掃碼簽到；教師依據雨課堂預習數據有針對性地講解重點，采用推送互動題或彈幕反饋等方式，增加課堂的趣味性和活躍度，增強學生聽課效果。課后，上課的課件會自動保存在學生的手機上，方便學生復習；學生的課堂表現數據會被推送給老師，作為平時成績的評定依據；對不太理解的內容，學生也可以通過雨課堂與教師進行互動探討。

（二）基于STEM理念的物理化學“學科融合四步法”教學模式設計

STEM理念強調以真實情境中的案例為導向，利用數學、科學、工程等相關聯學科的知識來解決問題，在問題解決的過程中反思與提高。為了把物理化學中抽象的理論知識盡可能地具體化、直觀化，并讓學生主動參與知識的多維化建構過程，筆者建立了“學科融合四步法”教學模式，即通過“創設情境提出問題—交流討論探索方案—知識融合挖掘本質—深入研究總結歸納”四個教學環節，將知識、技術、創新、實踐等融入課堂，使學生由被動學習轉為主動學習、研究學習、合作學習，通過解決實際問題，使學生建立起各學科之間的聯系，實現多學科知識的有效銜接，促進學生全面發展。

二、“學科融合四步法”混合式教學設計——以“單組分系統相圖”為例

相圖是物理化學中的一個重要知識點，前后內容聯系密切，在化工、材料等專業后續課程中有廣泛涉及，是物理化學的一個教學重點和難點。學生初次接觸，往往感覺抽象難懂。下文以其中的“單組分系統相圖”為例，詳細介紹該教學模式設計思路，具體見表1。課前，教師通過雨課堂推送復習和預習資料，并通過課上應用、推送測試題等形式檢查學生的預習效果。課堂上，教師通過多個案例和問題將化學、數學、技術、工程聯系在一起。對每個案例，教師都會創設情境，提出問題，借助雨課堂隨機分組和提問功能，采用小組討論、翻轉課堂等教學形式，鼓勵學生交流合作，大膽構想，提出解決方案，引導學生借助數學、技術等手段深入分析，最后，點評、總結并拓展應用。在教學過程中，學生多次用到數學知識解決化學問題，如應用相率公式、克拉佩龍方程分析得到水的相圖，應用凝固點降低方程和克拉佩龍方程計算找到水的冰點溫度比三相點溫度低0.01K的原因。學生也學到了如何使用origin工具軟件等技術手段去繪制水的相圖。教師在教學設計中還將二氧化碳的相圖與二氧化碳超臨界流體萃取技術結合，讓學生體會到相圖在工程中的具體應用。

表1 “單組分系統相圖”學科融合混合式教學設計

三、結論與啟示

STEM教學的靈活應用，幫助教師解決了物理化學教學中很多復雜、抽象的問題，讓學生體會到了數學和技術在實際工程和生活實例中的應用，培養了學生的創新精神和實際問題解決能力。與傳統教學模式相比，基于STEM理念的混合式教學課堂教學方法更加多樣。案例教學、翻轉課堂、小組討論、在線解答等調動了學生積極性，培養了學生的自主學習能力。課堂充滿活力，更加高效。

筆者以物理化學課程為載體，進行了教學探索，在實踐的過程中也出現了一些問題，如線上教學資源的豐富和線下師生互動需要教師付出更多時間和精力，課程中所蘊含的跨學科內容需要教師深入挖掘，課堂上自控能力差的學生可能會分神等。因此，在具體實施時，教師還需充分考慮多種因素，加強教師團隊建設，加強學生管理，勇于嘗試，探索適合自己學校學生特點的物理化學教學模式。