線上線下混合式物理化學實驗研究型教學改革

田東亮

北京航空航天大學化學學院，北京 100191

化學是一門重要的基礎自然科學，在人類的衣食住行等生存條件和社會的文明進步中具有重要的意義。物理化學采用物理的原理和方法研究化學現象并揭示其本質，是現代化學發展的理論根基[1,2]。實驗是研究化學的基礎，揭示化學本質的必經之路。化學實驗的教學在學生動手能力、科學素養及綜合創新能力培養中具有極其重要的作用，加強實驗教學已成為當代全面提高學生綜合素質的迫切要求[3-5]。物理化學實驗通常開設在大學二、三年級，是建立在化學類相關專業本科生學好無機化學、有機化學、分析化學基礎上的一門高階課程，是學生所學理論知識向應用過渡的重要階段，是培養學生創新思維能力和科學素養的重要環節，是化學方法及思維從實踐中來并用于指導實踐的重要橋梁[6-8]。

實驗室現場操作是常規的實驗教學方式，也是培養學生動手能力的有效手段[9-12]。傳統的物理化學實驗教學采用課前預習并完成預習報告，課上教師講學生聽，教師操作演示學生做，之后學生撰寫實驗報告。雖然這種實驗教學方式能夠很好地完成實驗教學任務，但是學生學習的興趣不高，積極性差，學生的創新能力提高不明顯。近年來，隨著現代信息技術的不斷發展，各種線上教學形式不斷涌現，如雨課堂、云班課、騰訊會議、虛擬仿真實驗平臺等不斷增加。特別是面對突如其來的新冠疫情，傳統實驗教學遇到了極大的困難。響應教育部“停課不停教，停課不停學”的要求，我校開展了物理化學實驗線上教學，順利完成了教學任務，保障了不同學期與不同課程的銜接問題，達到了較為滿意的效果。但是，在實際實驗教學過程中，如何增強學生的動手能力和綜合創新能力仍然具有很大的挑戰性[13-16]。

因此，為了充分發揮線上靈活、個性化的教學優勢，并結合線下實際操作有利于培養學生嚴謹求實的動手操作能力和科學素養，強化學生創新思維和創新能力培養的特點，進行線上線下相結合的混合式教學是當前物理化學實驗教學的趨勢，有利于解決實驗教學中“教師應該怎么教，學生應該怎么學”，“教師應該怎么講，學生應該怎么做”，“如何提高上課效率和質量的問題”。

1 我校物理化學實驗開設情況

在近3年的實驗教學實踐中，采用線上線下相結合的形式，完成包含課前預習、預習報告(含預習思考題)、實驗課前學生講解和示范操作、學生提問和糾正、教師糾正和強調重點注意事項的方式，進行講解教學、學生具體操作、教師隨堂答疑和指導、課后論文式實驗報告、實驗總結、期末總結等教學內容及過程。其中，我們采用課程中心網站發布通知和提供電子資料、微信解決共性和個性問題、物理化學虛擬仿真平臺(北京微瑞集智科技有限公司)等預習、電子化論文式實驗報告總結，以及騰訊會議交流和討論等線上手段開展教學，收到了很好的效果。尤其是應對突如其來的新冠疫情，為了避免發生聚集性疫情，學生不能返校，線下為主的實驗課程停開。如何突破時間和空間限制，在特殊時期進行實驗教學，是我們所關注的焦點。基于長期的教學探索實踐基礎和充分的調研，結合我校具體情況，我們制定了疫情期間物理化學實驗的線上教學方案，保障了不同學期與不同課程的銜接問題，收到了較為滿意的效果。同時，也為進一步加強實驗教學效果和提升學生的學習效果奠定了堅實的基礎。

2 線上線下混合式研究型教學實踐

堅持以學生為本的教學理念，不僅要注重學生對理論知識的理解，更要加強學生動手操作能力、科學思維和創新能力的培養。教學實踐中，一方面要重視學生對理論知識，包括實驗背景、原理的理解；另一方面要加強學生發現、提出、分析和解決問題的創新思維能力培養；再一方面強化學生分析總結、設計創新的能力培養。最后，培養學生整體把握、科學改進與綜合創新的能力。鑒于此，為了實現整體課程目標，我們從課程設計、教學實施、總結反饋等方面進行了探究與實踐。綜合使用現代信息手段，完成了線上線下相結合的實驗教學。下面主要以春季學期開設的物理化學實驗1 (8個實驗，包括燃燒熱的測定、液體飽和蒸汽壓的測定、粘度法測定高聚物的摩爾質量、分配系數和平衡常數的測定、分解反應平衡常數的測定、雙液體系沸點-組成圖的繪制、二組分合金體系相圖的繪制、凝固點降低法測摩爾質量)為例進行介紹，如表1所示。

表1 物理化學實驗線上線下相結合的開設方式

2.1 課程設計

在教學過程中，我們始終堅持線上教學輔助線下教學，以高質量完成教學內容和能力培養目標，進行了實施方案的設計。堅持三步走的策略，即圍繞課前預習、課堂實施、課后總結與分析全面展開。在教學內容方面，選用自編電子化講義，保證內容與教學目標的統一；同時，選用中國大學慕課，其中包括湖南大學基礎化學實驗(物理化學)、西安交通大學和大連理工大學物理化學實驗等作為參考材料，要求學生們進行預習；在此基礎上，結合我們的實際實驗操作部分，選取了虛擬實驗平臺進行預操作，其中包括兩個虛擬實驗平臺，即微實化學虛擬仿真平臺(北京微瑞集智科技有限公司)和Mlabs (慕樂網絡科技(大連)有限公司)，兩個平臺內容相互補充，共同為我校物理化學實驗教學提供支撐，保證學生在到達實驗室進行實驗操作之前已經完成了預操作，熟悉了整個流程和儀器的要點，以及實驗中的一些基本注意事項，整個過程結合微信進行答疑。在實驗室實操階段，首先提問學生具體操作及核心要點，之后學生間互相提問及補充，教師糾正學生描述中的錯誤及補充講解，進一步細化引導實驗關鍵內容、注意事項等。在此基礎上，學生進行實際操作，教師規范操作的同時引導學生逐步提出問題、分析問題、解決問題，培養其科學思維和能力。課后實驗總結階段，我們要求學生采用科研式論文報告對實驗過程進行總結，重新回顧實驗過程及其中的重要原理及方法。總結討論和交流階段，課后對實驗內容及論文式報告進行總結和專題分析，其中也包括教師對學生的反饋進行總結回復等。通過充分發揮教師為主導和學生為主體的優勢，將課程與訓練結合，提升學生的綜合創新能力。

2.2 課程教學實施

在教學過程中，我們圍繞課前預習、課中實驗操作，和課后總結反饋與專題討論三個重要階段開展線上線下相結合的研究型教學，采用了課程中心網站、微信群、大學慕課、虛擬實驗平臺、教學實驗室、電子郵箱、騰訊會議等線上線下教學方式進行不同任務的教學，采取了理論→實踐→理論的教學與學習認知過程，加強了理論和方法的掌握及其融通，提升了獲得用于指導實踐解決復雜問題方法的能力(圖1)。

圖1 導學結合提升學生綜合創新能力的線上線下混合式教學設計

2.2.1 課前預習

通過學校課程中心網站給學生提供自編電子講義和一些相關的科學前沿文獻電子資料進行預習，深入了解實驗背景，和在當時背景條件下的實驗原理和實驗方法，了解其優勢和局限性，通過學習加深對科學家前期研究工作的理解，樹立正確的價值觀和人生觀，培養其專業認同感和自豪感。進一步根據實驗內容進行部分設計，如燃燒熱的測量中不同固液燃料的測定方法，分解反應平衡常數的測定中實驗步驟的確定，二組分合金體系相圖的繪制中設計試劑鉛錫樣品的質量配比及實驗步驟等，并完成課后的思考題。同時，參看提供的大學慕課中湖南大學、西安交通大學和大連理工大學等物理化學實驗的參考資料及本校物理化學課程組自錄視頻資料，對實驗儀器的原理和操作進行熟悉，了解其工作原理和注意事項。通過文獻調研、資料收集、分析和評價，培養學生的總結能力，進一步加強學生的實驗設計和改進能力。拓展學生的知識廣度和深度，提升學生分析、評價和解決問題的方法和能力培養，體現出物理化學實驗的高階性。同時，采取了微信答疑模式，若有疑問可以隨時通過微信進行提問和交流，克服了學生學習中答疑時間上的限制。

2.2.2 課中實驗教學

教學過程中，主要采用翻轉課堂形式教學，加強生生互動、師生互動，教師引導啟發和探究教學，極大程度上加強了學生的個性化、差異化和精準化指導，培養學生發現、提出并解決問題的能力，以及嚴謹科學的態度和團結協作的能力，實現了因材施教，提高了上課的效率和質量。首先，課上針對預習情況進行提問，檢查預習效果。針對實驗預習中存在的一些問題，我們在課上先統一解決，然后學生講解實驗和示范操作，學生提問進行互動，教師進行指正并強調主要事項。該過程中，引導學生深入了解實驗的背景、目的原理，以及該實驗的應用及前景(圖2)，以思路圖的形式給出本實驗的設計及儀器工作原理、具體使用方法，并強調實驗操作中的注意事項。在此基礎上，學生進行操作，通過臨時調整實驗參數，增加設計性部分，提升實驗教學的挑戰度。同時，讓學生帶著教師的問題和提示進行操作，及時準確發現并記錄，對于實驗中的異常現象要記錄并進行討論，培養學生嚴謹的思維、應變能力和創新能力。

圖2 物理化學實驗研究型教學講解部分實例

2.2.3 課后總結

實驗課后，學生們根據課上的教學內容進行梳理和撰寫科研論文式報告[17,18]，這種科研論文報告要求學生按照統一的格式撰寫，再次讓學生以整體的形式理解和把握實驗內容，使學生進一步明確為什么做這個實驗、怎么做這個實驗和做了這個實驗后有什么用，以及對這個實驗的體會和改進建議，極大程度上提高了學生的總結分析能力(圖3)。通過撰寫改進建議，加強了學生對實驗的細致觀察和積極思考，提高了學生分析、分解、設計和解決復雜實際問題的能力。實驗報告撰寫完后通過電子郵件發送至統一郵箱，便于收發和批改，批改過程也采用電子化方式，批改后將存在問題及時反饋給學生，便于進一步修改，并且將寫得比較好的實驗報告以電子版的形式給大家作為參考范例。針對科研論文式報告的重點數據分析和討論、實驗設計及其他重要事項安排了專題講解(根據具體情況安排線上或線下的形式)，并和學生進行討論，提供最為有效的上課方式，同時安排微信群隨時答疑，快速及時解決了學生學習過程中的疑問。

圖3 論文式實驗報告實踐要求及實例

為了進一步了解學生的學習情況和對課程的建議，以便在今后的課程中進行針對性改革，在學期期末總結時我們采取了騰訊會議的形式進行線上PPT匯報展示，同學們都非常認真地總結了自己學習中的優點、存在問題與不足，同時也對課程中內容設置以及課程的未來建設提出了自己的合理建議(圖 4)。

圖4 物理化學實驗期末總結學生線上PPT匯報展示實例(騰訊會議截圖)

2.2.4 實驗室開放

我校大類招生分流后的學生化學基礎參差不齊，為了解決這一問題，我們為學生開放實驗室，積極鼓勵學生在時間允許的條件下通過線上預約完善課內實驗、加強實驗和拓展實驗。一方面，讓基礎差一點的學生能更好地掌握和完善上課內容，解決這些學生吃“好”的問題；另一方面，基礎好的學生進一步拓展和深化，解決這些學生“吃飽”的問題。通過實驗室的開放，進一步加強物理化學實驗在學生科學素養和創新能力培養中的重要作用。

2.2.5 成績評價

根據線上線下物理化學實驗教學具體情況，設置了線上線下相結合的預習+反饋+課堂互動+實操+實驗報告+專題報告+期末總結建議的課程考核模式。注重過程考核，通過線上線下相結合的教學實踐，學生普遍歡迎這一教學模式，100%的同學能按照指定任務完成相應實驗內容，提高了學生的主動參與性；80%以上的同學能夠認真地完成每一環節；50%的同學能夠很好地完成并提出適當改進建議，表現良好；30%的同學能夠很好地完成并進行拓展和創新，而且表現優秀。在實驗課的教學質量和效果方面，學生對我們的課程給予了肯定，認為“物理化學實驗課程收獲大，真正實現了由知識學習向方法學習和能力學習的轉變，以及創新思維和能力的培養”，提升學生的動手能力、嚴謹意識和科學素養，促進教師“導”與學生“學”雙重結合，最終實現教學相長。

2.2.6 同行及學生反饋

線上線下混合式研究型實驗教學改革得到了師生的肯定和認可。期末問卷調查表明，所有學生都贊同線上線下物理化學實驗教學，該過程可以有效保證教學培養計劃的順利執行，其中發現90%以上的學生認為可以很好地進行線上學習，掌握了查閱文獻的方法，提高了科學分析、評價和總結，以及分解、設計實驗以解決復雜問題的綜合創新能力。同時，學生們一致認為實地觀看實驗儀器和進行現場操作是實驗教學的核心基礎內容。學生們對實驗研究型教學過程中的課前學生講解、生生互動、師生互動給予了充分肯定，認為可以有效加強學生的自律性，提高課程的學習效果。課程教學中啟發引導、設計成分增加、論文式報告等可以很好地培養其邏輯思維能力和科學研究的能力，80%以上的學生能很好地完成論文式報告，20%的學生在教師的指導和督促下可以完成。學生們在期末PPT總結展示中也都表達了自己的心聲，從剛開始把這門課程要求開展文獻調研、實驗設計和寫論文式實驗報告當成一門“硬課”的抵觸，到適應后的收獲喜悅，最后認為這是一門獲取知識學習方法的“好課”，并且都認為這種教學過程應該延續下去。

因此，這種線上線下相結合的物理化學實驗研究型教學，很好地發揮了線上線下混合式教學的優勢，為更好地培養學生的綜合創新能力奠定了基礎。這一點與我們設計實驗教學內容的初心是一致的，也進一步證明了我們課程設計的合理性。該實驗教學的成功經驗也為其他課程教學實施提供了借鑒。

3 結語

以學生為中心，開展了線上線下混合式物理化學實驗研究型教學改革。在教學內容設計、實驗操作、論文報告總結和專題分析等方面進行了教學實踐。基于線上教學靈活、個性化的特點，很好地輔助線下教學實現課程目標，充分發揮了教師為主導和學生為主體的優勢，將理論方法與實際訓練相結合，提升學生的科學素養和綜合創新能力，為其他課程的改革與建設提供了很好的范例。