“雨課堂+翻轉課堂”的物理化學實驗微課教學

肖谷清 王姣亮 謝 丹 孟秋冬

(湖南城市學院 材料與化學工程學院,湖南 益陽 413000)

物理化學實驗是材料、化學、化工等專業開設的實驗基礎課[1]。開設物理化學實驗課有利于促進學生對物理化學理論知識的理解和應用，有利于學生掌握物理化學實驗方法，有利于培養學生嚴謹的科學態度[2]。盡管不同高校有不同的辦學水平，但物理化學實驗由于其本身的難度和特點，表現出共同的教學困境：(1)物理化學實驗原理抽象，邏輯思維性強；(2)實驗需現學現用的儀器多。在有限的物理化學實驗課時內，要求學生掌握實驗原理、實驗方法、儀器使用方法、數據處理，完成實驗任務，學生感到困難。將物理化學實驗教學分散錄制成微課[3]，將微課教學視頻上傳到雨課堂平臺[4]，借用翻轉課堂優勢[5]，采用“雨課堂+翻轉課堂”教學模式，將傳統的“教師實驗課堂講解”移至課前，課堂解決學生提出的物理化學實驗中的問題和完成實驗任務，提升學生的學習效果，解決物理化學實驗的教學困境。

1 物理化學實驗的教學困境

1.1 物理化學實驗原理抽象

物理化學實驗原理抽象、公式多，這些公式都有特定的應用條件。以“凝固點降低法測定蔗糖摩爾質量”為例，盡管實驗做完了，學生數據處理也正確，但問學生“為了提高實驗的準確度，是否可用增加溶質濃度的方法?”，學生不會從“凝固點降低是稀溶液的一個依數性”原理去分析回答問題。學生能夠用外推法求ΔTf，可是當問學生“如不用外推法求凝固點，一般ΔTf會偏大還是偏小?”，學生卻回答不出來。在物理化學實驗中，大多數學生只會“照方抓藥”地操作實驗，根本不會從實驗原理分析問題。

1.2 物理化學實驗需現學現用的儀器多

物理化學實驗需現學現用的儀器多，學生預習時只看教材文字描述，很難掌握儀器的操作方法。水飽和蒸汽壓的測定需要用到真空泵、真空穩壓包、飽和蒸汽壓測量儀；乙酸乙酯皂化反應速率常數的測定需要用到電導率儀；揮發性雙液系沸點-組成圖的繪制需要用到沸點測定儀和阿貝折光儀。物理化學實驗中有些儀器的講解需要的時間長，例如蔗糖水解反應速率常數的測定需用到的旋光儀。如果按傳統教學課堂講解旋光儀原理、使用方法、三分視界(三分視野視場亮度相一致的暗視場，圖1中B時讀數)和讀數(圖1中F旋光儀讀出的旋光度為+9.30°)，儀器現學現用，又必須講解實驗原理和數據處理，學生一下子難以掌握。

圖1 旋光儀三分視界和讀數

2 雨課堂平臺的物理化學實驗微課

在物理化學實驗原理、儀器使用方法學生學習困難處，設計微課，突破物理化學實驗教學困境。物理化學實驗原理的微課，采用雨課堂4.1版語言+ppt屏幕錄屏，并在雨課堂平臺配備一定量典型習題。儀器使用方法的微課，采用語言講解和操作示范，直接錄像拍攝。每節微課控制時間，精心設計突出重點。例如，蔗糖水解反應速率常數的測定實驗，實驗原理學生感到困難。微課教學中，教師講解實驗原理時結合蔗糖水解方程式，提問①：蔗糖水解反應中H+為催化劑，其濃度在水解前后變化嗎？學生回答“不變”。提問②：與蔗糖比較，反應物H2O過量，H2O的濃度可認為不變，蔗糖水解反應的速率由那種反應物濃度決定？學生回答“由蔗糖濃度決定”。提問③：蔗糖水解反應的速率由蔗糖濃度決定，反應為幾級反應？學生回答“作為一級反應處理”。提問④：由于反應物蔗糖、產物葡萄糖和果糖均有旋光性，如何測定反應物濃度？學生回答“通過測定旋光度來間接測定反應物濃度”。提問⑤：結合一級反應速率方程，如何推導旋光度與速率常數的表達式？啟發、推導旋光度與速率常數的表達式lg(at-a∞)=-(kt/2.303)+lg(a0-a∞)，at、a∞分別為蔗糖水解時間t和完全水解后的旋光度，k為速率常數。提問⑥：如何求速率常數k？學生回答“lg(at-a∞)對時間t作圖線性擬合，由斜率求速率常數k”。蔗糖水解反應實驗原理采用雨課堂4.1版語言+ppt屏幕錄屏，制作微課教學視頻于實驗課前發給學生反復學習。

3 “雨課堂+翻轉課堂”的物理化學實驗微課教學

3.1 物理化學實驗課前

如圖2，物理化學實驗課前教師將物理化學實驗微課視頻在雨課堂平臺發布，將傳統的“教師實驗課堂講解”作為實驗預習任務，規定實驗預習任務、時間和預習要求。雨課堂平臺自動記錄學生的預習情況，將學生預習情況按比例(如20%)作為實驗成績，調動學生預習實驗的積極性。例如，乙醇-乙酸乙酯雙液系溫度-組成圖的繪制實驗，可制作3個微課教學視頻：①實驗原理與實驗步驟教學視頻；②沸點測定儀和阿貝折光儀使用方法教學視頻；③數據處理教學視頻。實驗開課前，統計預習情況并算出相應得分，統計學生提出的問題。

圖2 “雨課堂+翻轉課堂”的物理化學實驗微課教學

為了檢驗學生預習效果，教師可根據實驗原理、儀器使用方法、數據處理、實驗步驟和注意事項，精心設計預習題，雨課堂可提供多種形式的測試題。將預習題上傳到雨課堂平臺，規定學生定時線上測試，通過測試掌握學生學習的困難。例如，乙醇-乙酸乙酯雙液系溫度-組成圖的繪制實驗的預習題：①如何判斷乙醇-雙液系已達氣液平衡？②沸點儀中平衡氣相和液相如何取樣？③測定氣相和液相折光率時為什么要將待測液冷卻？④一次氣液平衡后蒸餾瓶內液體倒出不徹底，是否影響下一次乙醇-乙酸乙酯雙液系樣品的測定？⑤乙醇-乙酸乙酯的折光率-組成工作曲線為一直線，理論上兩點即可確定一條直線，實驗中為何還要進行多點測定？⑥簡述用阿貝折光儀測定樣品折光率的步驟？⑦簡述阿貝折光儀如何讀數？⑧乙醇-乙酸乙酯雙液系實驗測得的沸點和標準大氣壓下的沸點是否一致？為什么？⑨如果要測定純乙醇、純乙酸乙酯的沸點，蒸餾瓶必須洗凈，而且烘干，而測定混合液沸點和組成時，蒸餾瓶則不洗也不烘，為什么?⑩雙液系的沸點-組成圖有哪幾種類型？乙醇-乙酸乙酯雙液系屬于哪一類？

3.2 物理化學實驗課中

物理化學實驗課中學生掃碼進入雨課堂，課堂上教師不再按傳統實驗課堂教學模式系統地講解實驗原理和步驟，而是重點就預習中出現的疑難問題，組織學生交流討論，在教師的指導和同學的交流協助中解決實驗中的疑難問題和實驗注意事項。這部分課堂教學用雨課堂“語音+錄屏”，支持教學過程回放。例如測定蔗糖稀溶液的凝固點實驗，當析出固體較多時測得的凝固點數據是否準確，實驗結果偏大還是偏小?教師引導學生分析：①析出的固體是蔗糖還是溶劑水？學生回答“溶劑水”。②析出的固體多會使凝固點下降(ΔTf)變大還是變小？學生回答“變大”。③引導學生根據蔗糖分子量計算公式M=(Kf×mB)/(ΔTf×mA)，其它物理量不變，ΔTf變大時會使測定結果蔗糖分子量M偏小。

3.3 物理化學實驗課后

物理化學實驗課后，教師要求學生書寫實驗報告。實驗報告除了實驗原理、誤差分析、結果與討論等常規要求外，教師可要求學生用origin軟件作圖，要求學生上傳實驗報告到雨課堂，教師在雨課堂評閱和修改學生的實驗報告。教師在評閱學生實驗報告中發現，有部分學生origin作圖不美觀，實驗報告中物理量沒有單位。教師把物理化學實驗報告中的問題總結歸納，在雨課堂中以“語音+屏幕錄屏”與學生交流，促進學生實驗能力更上一層樓。教師也可將優秀的實驗報告選出來上傳到雨課堂平臺，發揮榜樣的示范效應。

4 教學效果

采用“雨課堂+翻轉課堂”教學模式的物理化學實驗微課教學，能解決物理化學實驗的教學困境，提升學生的學習效果。調查學生后，“雨課堂+翻轉課堂”教學模式的物理化學實驗微課教學效果具體表現為：(1)實驗預習更具有針對性和有效性。傳統物理化學實驗教學盡管也有實驗預習，但學生在預習時無法把握實驗預習的重點和難點，學生對實驗教材內容“平均用力”，預習效果差。采用“雨課堂+翻轉課堂”教學模式的物理化學實驗微課教學，學生反映微課視頻中教師“聲情并茂”的啟發、講解和演示，比“無聲”的實驗教材，實驗預習更具有針對性；雨課堂可提供多種形式的實驗預習測試題，檢驗和校正學生的實驗預習效果，提高實驗預習的有效性。(2)課堂討論學生“成竹在胸”，思維活躍。把傳統實驗課堂講解的實驗原理、儀器使用方法通過教學視頻上傳到雨課堂平臺，在實驗前已經被學生反復學習，又有雨課堂習題的鞏固和提高，學生已“成竹在胸”。大多數同學在物理化學實驗課中能積極主動參與到教師組織的疑難問題的交流討論中來，學生表現思維活躍。而傳統實驗教學中疑難問題的交流討論，大部分學生無法參與進來，往往“啟而不發”。(3)實驗操作規范。傳統物理化學實驗教學盡管也有教師演示實驗和操作示范，由于實驗時人數多、部分學生短時走神、部分學生記憶能力不強，常常造成老師剛剛完成演示和示范，學生馬上實驗操作就不規范或錯誤的問題。雨課堂教師操作演示和示范的教學微課視頻可反復觀看，學生普遍反映比傳統課堂教師“一次性”操作演示和示范的效果好。例如水飽和蒸汽壓的測定，傳統課堂教師“一次性”現場操作演示和示范后，許多學生在裝置安裝、實驗時多個閥門的開啟或關閉時操作錯誤，而使用雨課堂平臺的翻轉課堂的物理化學實驗微課教學，由于學生能夠多次反復觀看教學視頻，學生操作時沒有錯誤，實驗操作規范，實驗過程順利。

5 結語

利用雨課堂平臺優勢，針對物理化學實驗的教學困境，設計微課并上傳到雨課堂平臺；采用“雨課堂+翻轉課堂”教學模式的物理化學實驗微課教學，在物理化學實驗教學中取得良好的教學效果，學生在掌握物理化學實驗原理和儀器使用方法、實驗數據處理方法、實驗結果分析等方面的能力有顯著的提高。