基于SPOC和慕課堂的物理化學實驗混合式教學改革實踐

賈雪平，葛明，張躍華，繆建文，葛存旺

南通大學化學化工學院，江蘇 南通 226000

物理化學實驗是化學師范、應用化學、化工、高分子等專業的一門重要的專業基礎必修課，是與物理化學理論課程內容相配套的實驗課程。物理化學實驗課程的開設，是為了讓學生鞏固、加深對物理化學基本理論和基本概念的理解；學習物理化學實驗的基本方法和實驗技術；發展學生的綜合能力，即查閱資料、動手、觀測、記錄、數據處理和分析能力，使學生受到科學研究工作的啟蒙訓練，培養學生嚴謹的科學作風和創新精神。搞好物理化學實驗課程建設，探索“互聯網+”時代的物理化學實驗教學模式，對高校培養高素質人才具有重要意義[1,2]。

1 物理化學實驗課程特點及教學現狀

物理化學實驗原理理論性強，實驗操作復雜，實驗預習、操作、實驗數據處理難度都比較大。雖然學生在實驗前撰寫了報告，但是絕大多數學生只是抄書，實際對實驗的原理和過程一知半解；物理化學實驗原理和操作的知識點多，學生對實驗課上老師教授的知識點難以及時消化吸收，因此在實驗和數據處理的過程中還是會不斷犯錯；物理化學實驗數據處理和物理化學理論關系密切，對于物理化學理論基礎差的同學，很容易失去學習興趣，進而發生實驗報告抄襲現象。

物理化學實驗儀器數量少，每個實驗容納的學生數少。我校每個實驗配備6套儀器，每組最多容納12個學生；物理化學實驗采用大循環的模式，每個時間段同時開設6個實驗。因為任課教師人數少，因此每位教師要講授兩個實驗的原理和操作，時間緊張，導致有些實驗難以在規定的時間內完成。而且，在操作講解時，由于空間的限制，有些學生也難以清楚地看到教師的示范，影響實驗進度。

物理化學實驗時間長，再加上講授兩個實驗時間緊張，教師沒有時間與學生進行充分的互動，了解學生對實驗的掌握情況，進而影響實驗技能的訓練效果。

正是為了解決物理化學實驗中出現的這些問題，本教學團隊利用愛課程平臺的SPOC和慕課堂，進行了物理化學實驗線上線下混合式課程改革。

2 基于SPOC和慕課堂的物理化學實驗混合式教學改革實踐

混合式教學是將傳統的網絡教學(線上)與課堂教學(線下)相結合，融合二者優勢的新型教學模式[1,2]。SPOC (small private online course)又稱為小規模私人在線課程，它的主要特征是規模小(small)、人數少(幾十到幾百人)、對學習者有準入條件(private)，可以對學生進行更加細致的管理。利用SPOC可以構建靈活有效的教學方式，實現線上和傳統課堂的完美融合，提高教學質量[3,4]。將SPOC引入物理化學實驗課程，是將淺層的學習內容，包括實驗基本原理和實驗操作，轉移至課外線上SPOC課堂，學生根據自己的時間及實際需求進行必要的、靈活的學習；線下的實驗課上，教師精簡講授內容，增加師生互動，進一步培養學生的綜合能力。鑒于此，謝愛娟、伍水生等人提出了基于SPOC的物理化學實驗混合教學模式，并利用SPOC開展了物理化學實驗翻轉式教學的探索[3–5]。

近年來，智慧教學平臺，如雨課堂、慕課堂、課堂派、云班課等，已經成為各類課堂教學的重要輔助手段，并取得比較理想的效果[6–9]。其中，慕課堂是愛課程平臺研發的線上線下混合式智慧教學工具，能夠與愛課程平臺的SPOC在管理后臺、用戶賬號、學習數據等方面結合，幫助教師統籌線上與線下課堂，提升教學效率。本團隊將愛課程平臺的SPOC和慕課堂同時應用到物理化學實驗的教學中，開展混合式教學改革，這對于解決傳統教學模式下的弊端，培養高素質人才有著重要意義。

2.1 線上教學資源的建設

針對本校的物理化學實驗大綱和實驗儀器，充分考慮本校學生的能力水平，制作了實驗原理、實驗操作視頻；同時，針對物理化學實驗的數據處理規范、誤差傳遞等內容制作了物理化學實驗講座。在愛課程平臺，創建物理化學實驗SPOC，圖1為課程部分目錄。課程中除了實驗視頻外，還配備了相應的PPT、隨堂測試等資料，以便學生做筆記和自測；學生通過注冊愛課程(或中國大學MOOC)的賬號，進行學校云認證，可以觀看視頻，獲取相關的學習資料。

圖1 物理化學實驗視頻部分目錄

2.2 線上線下混合教學模式

2.2.1 關聯SPOC與慕課堂

利用愛課程平臺的慕課堂，按實驗小組創建班級，如圖2所示。學生加入班級后，可以通過慕課堂的管理功能，將學生在SPOC上學習的記錄和課堂關聯，方便地查看學生使用SPOC學習的情況。

圖2 按實驗小組創建的慕課堂

2.2.2 課前預習(線上)

觀看SPOC視頻進行課前預習，通過實驗原理和操作視頻中設計的在線互動以及隨堂測試，促進學生思考，激發學習主動性，培養學生自主學習的能力和習慣。圖3給出了某實驗小組SPOC視頻學習的情況。

圖3 某實驗小組SPOC視頻學習情況

2.2.3 課堂上的測試、講解、討論、實驗(線下)

通過慕課堂發布題目，在實驗室里對學生的預習效果進行測試。測試的目的是敦促學生在實驗前充分預習，及時了解學生預習情況，以便教師有針對性地進行講解。顯然，幾道測試題無法涵蓋實驗的全部內容，因此課堂中的提問也很重要。在課堂提問和討論中，可以對實驗基礎內容進行拓展，啟發學生的高階思維和創新能力。通常，測試時間安排5–8分鐘，試題數量5–8道；評講試題和講解實驗時間約10分鐘；實驗討論時間10–20分鐘。

2.2.4 課后討論(線上+線下)

實驗結束后，針對實驗內容進行拓展性討論。

2.3 基于SPOC的物理化學實驗混合式教學實例——以“凝固點降低法測定溶質分子量”為例

2.3.1 課前預習(線上)

在SPOC上觀看實驗原理和操作講解視頻，完成視頻中的互動測試以及隨堂測驗。圖4為凝固點降低實驗的互動測試和隨堂測試題。

圖4 凝固點降低實驗的互動測試(左)和隨堂測試(右)

實驗預習的主要目的是了解實驗的基本原理和操作，因此大部分試題是針對實驗的基礎知識。試題還包含了誤差處理的知識，這部分內容在先導課程“無機分析實驗”中學習過，這些試題是為了讓學生在復習的同時，完成知識點由點到線的串聯。發展學生的綜合能力，例如數據處理和分析能力，是物理化學實驗目的之一，我們會把這些目標貫穿在整個教學過程中。

2.3.2 課堂上的測試、講解、實驗、討論(線下)

由于學生在SPOC中參加互動測試和隨堂測試的情況教師無法查看，因此，在實驗課堂上，通過慕課堂發布題目，對學生的預習效果進行檢測。測試題和預習時做的題類似，目的是敦促學生在實驗前充分預習，及時了解學生預習情況，以便有教師針對性地進行講解。圖5是某實驗小組慕課堂“凝固點降低法測定溶質分子量”測試情況。

圖5 某實驗小組慕課堂“凝固點降低法測定溶質分子量”測試情況

對測試中錯誤率較高的題目進行評講后，簡要講解實驗過程，強調實驗中的注意點，以便學生迅速開展實驗。

實驗期間巡回指導，就學生實驗中出現的不正確操作予以糾正，對學生不理解的實驗現象予以解釋，對于出現的典型的問題或共性的問題集體討論。

實驗結束后，通過“問題發掘”的方式，展開討論。目的是激發學生思考，加深學生對物理化學理論的理解，培養學生利用物理化學理論解釋問題、處理問題的能力。

問題舉例：

【問題1】一定壓力下，純溶劑的凝固點是確定的，溶液的凝固點是變化的。除了從依數性的角度，還可以從其他角度解釋嗎？

【參考回答】可以從相律的角度來解釋：對于純溶劑，在一定壓力下，采用相律F = C - P + 1的形式，C = 1，固液平衡時有兩個相，P = 2，因此自由度F = 0，凝固點不變；對于溶液，在一定壓力下，同樣采用相律F = C - P + 1的形式，C = 2，固液平衡時有兩個相，P = 2，因此自由度F = 1，凝固點是變化的。

【問題2】為什么溶液過冷太深的時候需要加快攪拌？

【參考回答】過冷液體是在正常凝固點仍然沒有凝固的液體。因為液體冷卻凝固過程中首先要形成小顆粒固體，然后小顆粒固體慢慢長大。根據開爾文方程，小顆粒固體的飽和蒸氣壓比普通固體的飽和蒸氣壓高，熔點比普通固體的熔點低。因此，液體冷卻至正常凝固點時，不會有小顆粒固體析出，液體必須冷卻至正常凝固點以下，才能達到小顆粒固體的飽和狀態而開始凝固，由此產生過冷現象。

冷卻過程中加快攪拌，攪拌棒與凝固點管之間的碰撞和摩擦可能產生固體小顆粒掉落于溶液中，這些小顆粒固體可以作為溶劑固相的“種子”，使溶液跳過生成小顆粒固體的困難期，促使液體凝固。

通過這些問題的啟發，使實驗的理論知識點不再局限于稀溶液的依數性，而是擴展到了物理化學理論的其他章節，如相平衡和界面現象，讓學生更好地將理論聯系實際，培養學生用物理化學理論來解釋實驗現象和處理問題的能力。

這些問題不是固定的，可以視學生的接受程度和實驗完成的情況選擇性地討論。如果課堂上時間不夠，也可以放在課后。

2.3.3 課后討論(線上+線下)

因為課堂時間的限制，一部分拓展性討論可以放在課后。

問題舉例：

【問題】除了凝固點降低法測定溶質的分子量之外，哪些方法可以用于測定分子量？和凝固點降低法相比有哪些優勢和劣勢？

這類問題發布在SPOC的討論區，學生可以在討論區參與討論，也可以與教師通過微信、QQ等方式交流，也可以在下次實驗的課間進行。

這類問題的發散性比較強，主要目的是培養學生的綜合能力，激發學生的創新思維。問題的討論不局限于物理化學課程內，可以擴展到其他的科目，如“儀器分析”等，也可以引導學生查閱文獻。

3 混合式教學改革成效

王麗娟等認為，不同班級學生的知識背景、學習能力是有差異的，若單純用平行班級的成績作對比來評價教學效果有一些偏頗[10]。因此我們采取了縱向比較的方法，也就是讓學生將物理化學實驗和他們以前修過的無機實驗、有機實驗比較(這兩門實驗均采用了傳統教學模式)。參考王麗娟等人的研究[3]，我們設計了調查問卷，調查了混合式教學改革對學生學習態度、學習興趣、學習能力、知識掌握等方面的影響，以期為今后混合教學模式的改進提供參考。

問卷調查對象為2018級化學工程與工藝專業3個班和環境工程專業2個班的學生，共計125人。通過慕課堂發布問卷，問卷為無記名方式。所有問卷在本學期最后一次實驗課結束后發出，學生課后完成。發布問卷前再次向學生強調，問卷內容不會影響學生的成績，請學生如實填寫。123名同學參與了問卷調查，均為有效問卷。調查問卷的數據使用Excel收集并處理，處理統計結果用百分數(選擇人數/總人數×100%)表示，并用柱狀圖進行分析對比。

3.1 實驗預習環節調查

我們先針對實驗預習環節進行了調查，具體問題及結果見表1和圖6。問題1–3的調查結果表明：97.6%的學生認為教師有必要要求學生進行課前預習，95.1%的人能做到每次實驗前預習，說明絕大部分學生具有較好的學習習慣和態度。一部分同學在預習的過程中主動搜集資料，進行了深入的思考，并希望教師能提供視頻進行更好的預習，表明學生求知欲較強。“順木之天，以致其性”，配合學生的特點，改進教學方法，激發學生的學習興趣，是教學改革應該遵循的原則。

表1 學生以往實驗課程預習環節調查問題匯總

圖6 學生實驗預習習慣和方式調查結果

3.2 在線課程的學習效果調查

由于新冠疫情，調查對象在前一學期的物理化學理論課中都參與了在線課程的學習，熟悉這種學習方式。我們針對混合教學模式教學中在線課程的學習設置了相關問題，調查問題及結果見表2和圖7。問題4的調查結果說明：大部分學生接受在線學習方式，有35%的同學對在線課程的態度取決于視頻的內容和質量。問題5–7的調查結果表明：在本次調查的學生中，大部分認為物理化學實驗視頻能夠提高預習效果，對實驗操作和實驗數據處理有幫助，并能夠加深對物理化學理論知識的理解。問題8和9的調查結果表明：66.7%的學生花了30–60分鐘，14.6%的學生花了60–90分鐘的時間預習實驗。可能由于預習花費的時間不長，所以絕大部分同學(22.8% + 67.5%)并不認為學習負擔增加了，其中有67.5%的同學喜歡這種學習方式，這和王麗娟等人得到的結論是一致的[3]。

表2 在線課程的學習與混合教學模式的調查問題匯總

圖7 在線課程的學習與混合教學模式的調查結果

3.3 混合教學模式對學生能力影響的調查

我們進一步調查了混合教學模式對學生能力的影響，具體問題及結果見表3和圖8。問題10–13的調查結果表明：本次調查對象對混合教學模式總體上的評價較好，絕大部分學生認為該模式在一定程度上提高了自己的學習能力、獨立解決問題的能力并提高了自己的學習興趣；91.9%的學生明確表達喜歡混合教學模式。

表3 混合教學模式對學生能力影響的調查問題匯總

圖8 混合教學模式對學生能力影響的調查結果

4 混合式教學的優勢及其面臨的挑戰

混合式教學的優勢在于，學生可以通過線上的教學視頻和資料，進行高效的預習和復習，不僅加強了對物理化學理論知識的理解和應用，而且激發了學生自主學習的積極性。由于學生在實驗前預習充分，因此教師在線下的實驗課上可以精簡講授內容，節約的時間可以和學生進行啟發式與討論式相結合的互動教學。在學生掌握實驗基本內容的基礎上，這些師生互動可以進一步培養學生的綜合能力，激發學生的創新思維。

在新冠疫情期間，物理化學實驗的線上線下混合模式，也發揮了重要的作用。“互聯網+”教學可以突破時空限制的特點，使學生能夠通過線上的SPOC視頻和資料進行學習，減少了在實驗室集中聽講的時間，減少了人員聚集。

但新的教學模式對實驗指導教師的教學理念、信息化教學能力和物理化學理論知識水平提出了更高的要求。近年來，教育部提出“淘汰水課，打造金課”、課程思政等理念，要讓這些理念深入到每個教師的教學中，還需要學校加大宣傳和培訓力度。雖然這幾年“互聯網+”教學迅猛發展，但很多教師的信息化教學水平仍然停留在PPT階段，因此提升教師的信息化教學水平也是當務之急。另外，在傳統的實驗課堂中，實驗指導教師只需要知道和某個實驗相關的理論和操作的淺層知識；在混合式實驗教學中，淺層知識學生已經通過視頻資料在課前學習了，在課堂教學中，教師需要引導學生進行物理化學的各個知識點相互之間以及與其他課程知識的串聯，這就需要教師提高自身的理論水平。同時，指導教師還應當有意識地將自己的科研成果滲透到教學中，提高課程的創新性、挑戰度。

5 結語

在愛課程平臺創建了物理化學實驗SPOC，并基于SPOC和慕課堂開展了物理化學實驗混合式教學改革。實踐表明，混合式教學提高了學生的學習興趣，能夠加深學生對物理化學理論知識的理解，在實驗操作和數據處理方面能給學生提供有效幫助，對于發展學生的綜合能力有一定的積極作用。我們將繼續借鑒其他高校的成功經驗[1–10]，利用好在線課程和智慧教學工具，對課前、課上、課后各個環節的教學內容重新設計和優化，不斷探索提高教學質量的途徑和方法，為培養高素質人才而努力。