思維構建導向工科《物理化學》混合式教學研究

＊果崇申 周欣 王群 趙美玉 顏美

（哈爾濱工業大學化工與化學學院 黑龍江 150001）

《物理化學》為化學與化工類本科生專業基礎課程，同時也為考研課程，課程知識體系龐大并后續分化為多個學科內的方向，同時其支撐后續專業課程學習[1-3]。《物理化學》作為化工相關專業重要的課程之一,其授課質量與學生對其掌握情況決定學生培養質量。然而《物理化學》由于其公式繁多、應用前提嚴格、邏輯性強、課程內容廣、概念抽象等特點一直以來被認為是教師難教、學生難學的課程。在教學實踐中，如何提升教學效果一直以來是相關一線教師努力的方向。目前，國內諸多高校開設了《物理化學》線上MOOC學習資源用以擴展與增補線下學習，如天津大學、南京大學、北京化工大學、武漢大學、北京師范大學等高校分別構建了MOOC在線資源[3-5]。線上線下混合式教學模式的優點在于能夠拓展學習的時間與空間，線上知識學習可為線下課程提供更多的教學形式選擇，如課堂討論、知識拓展、翻轉課堂等。在眾多高校降低本科生培養方案學時的情況下，混合式教學模式變為重要的補強手段。然而，針對本門課程特點，以往MOOC學習資源也存在一定的局限，如主要以知識點形式呈現，線上資源章節之間連貫性不強；線上授課對于學習難度較大的《物理化學》課程相比于線下課堂教學效果較差；MOOC學習無法有效解決學生習題能力等，因此構建新型的混合式教學方法十分的迫在眉睫。

1.思維構建導向混合式教學線上學習資源建設要旨

在線資源主要為課堂實錄的精品課程以及MOOC課程，可提供學生預習和復習的便利，但對于學生解題指導、深入學習、隨時隨地習題練習、調動學生積極性等諸多方面還存在不足。諸多MOOC視頻過于片段化及難以激發學生興趣，部分教學照本宣科過于枯燥。理想的線上學習手段應利用現代化和多元化網絡手段，抓住當代大學生對網絡和移動電子產品的依賴，提供課程視頻資源、手機電子書、手機題庫軟件，構建“實時學，隨地學”混合式教學模式，對傳統課堂教學起到補充強化的增效作用，激發學生的主動性和創造性，提供學習的便利性，有效地拓展學生學習的時間與空間。針對物理化學學難，做題更難的困境，應開發手機端習題App，并配答案詳解，充分調動學生課余時間，“化零為整”的資源整合，提高學生課后自學的便利。目前，天津大學物理化學教學團隊實現了手機端的習題庫，其配套習題與全國諸多院校的考研試題可通過圣才電子書App在手機端與電腦端進行習題練習。物理化學附屬實驗課程對于理解課程知識，擴展學生實驗能力起著十分重要的作用。如何解決傳統實驗教學的不足，是目前新工科建設與課程創新改革的重要問題。虛擬仿真實驗教學系統具有時空靈活性，模擬實驗不受時空的限制，學生可根據自身的學習情況與時間開展實驗學習，對學生動手、實踐、實驗安全等方面提供保障[6-11]。

根據目前混合式教學發展趨勢，哈爾濱工業大學化工與化學學院物理化學教學團隊構建了多維融合的混合式教學線上學習資源，用以實現多元化的學習模式。

(1)線上課堂資源建設

首先構建了真實課堂實錄的電子資源，將名師授課全過程以信息化的形式呈現,供學生課前預學、回顧復習、考前提升等。解決了課上學生跟不上和學不透的問題，為學生提供課下再學習和再認識的資源。相比于模塊化的MOOC課程，真實課堂教學更具有連貫性和系統性，并且課堂內容更加生動與鮮活，學生可根據情況定點回訪疑點與難點，補缺授課過程中學生遺聽與漏聽的內容。特色線上資源可以高效的擴展學生學習空間，在特殊期間發揮著重要作用，是對傳統課程的有效延伸。

(2)線上思維導構與解題技巧資源建設

本教學團隊錄制了物理化學解題與知識框架視頻資源，同學可通過移動端長江雨課堂資源與物理化學教師主頁進行在線觀看學習。重點針對本課程解題難，構建的解題思維線上資源有效輔助了深入學習，在學生期末考試與研究生升學考試中發揮了重要作用，解決了在教學實踐出現的書讀懂但不會做題的矛盾。此外，此線上資源更注重相同與相似概念的章節聯系與上下冊聯系的思維構建。如判定化學反應方向判據△G≤0其應用前提條件為等溫等壓沒有非體積功，由于在上冊熱力學知識中通常為沒有非體積功過程，學生容易形成思維慣性重點去關注等溫等壓條件。而在下冊涉及的光化學反應，如等溫等壓下自然界中發生的植物光合作用為一△G>0反應。之所以出現貌似判據有誤的原因是由于光合作用中存在非體積功光，在此過程中判據應為△G≤Wf，其中等號成立的條件是可逆過程。因此，通過這樣實例很好的詮釋吉布斯自由能判據的使用條件，以及光化學與熱化學之間的區別與聯系。此外，通過△H與Qp之間的關系聯立熱化學與電化學。△H=Qp成立的前提條件為等壓沒有非體積功。在熱力學部分此公式經常被用于反應熱與等壓熱的計算，而在電化學部分由于存在非體積功電功，以上等式不成立，對于可逆電池的熱效應需要通過熵的定義式進行求算。

(3)線上特色思政資源建設

思政教育是課程教學的重要環節，國內諸多高校均開展了相關的教學活動，但目前為止的思政線上資源及特色思政教育發展過于緩慢。本教學團隊實行了國防導向課程思政建設，以哈工大視頻中心提供的“八百壯士”視頻紀錄片為思政線上學習資源，做哈工大特色的思政教育。秉承我校科研強校，國防強校，保家衛國以己任的特色辦學模式去感染學生。以身邊可見與熟知老師的事例與科研成果完成“思政在身邊”的“零距離”效果，塑造學生“家-國-校”情懷。弘揚我校大國工匠精神，培育有信仰的未來工程師，培養學生愛國主義情懷和堅定投身祖國建設的決心，體現為愛國情懷+奉獻精神+民族自豪感。

(4)課程實驗線上資源建設

物理化學作為實驗學科的基礎課程，其附屬的實驗教學對于學生正確把握基礎理論和創新能力培養具有十分重要的意義。然而目前信息化建設主要圍繞理論教學，相對而言實驗教學網絡信息化與虛擬仿真建設相對落后，成為綜合信息化建設中的盲區。如何解決傳統實驗教學的不足是目前新工科建設、課程改革內容中討論的一個熱點。虛擬仿真實驗教學系統能高效互動，學生可根據自身的需求和薄弱環節展開物化實驗學習，實現預學與復習的便利[12]。同時虛擬仿真平臺具有時間與空間上的靈活性，在特殊時期階段發揮著重要作用。物理化學虛擬仿真實驗建設將對學生動手、實踐、創新等全面發展起到重要作用。本教學團隊依托于本學院國家級化學實驗虛擬仿真實驗室，開設了物理化學虛擬仿真平臺，為課程實驗提供預習和預操作支持，學生可以通過仿真平臺模擬實驗全過程后再預約課程實驗，保證實驗教學質量及實驗室安全。同時為了提供更加便利的實驗教學資源，本教學團隊還開設了實驗教學的微信公眾號客戶端，提供實驗原理講解，真人實驗示范視頻，數據處理解析等諸多環節。

2.思維構建導向混合式教學線下學習資源建設要旨

基于以上提及多種在線學習手段對于傳統課堂的拓展，線下課堂更應該注重章節串聯、精準分類、概念擴展等手段，用于構建特有的物理化學學習思維。

(1)章節知識點串聯促進思維構建

首先應構建思維導向明確的課程知識體系。物理化學課程涉及內容較多，很多章節看似分散確又存在內部知識點聯系，如何正確的梳理好章節之間的關系是影響課程教學效果的主要因素之一。如物理化學中熱力學第一與第二定律為重要知識內容，其擴展與延伸內容為化學勢與化學平衡，并且在下冊在電化學部分及膠體與界面章節均有體現。如化學勢是偏摩爾吉布斯自由能，其引入是對組成可變體系的熱力學函數擴展應用，通過化學勢可推導出稀溶液的依數性相關公式。同時化學勢可判斷物理與化學過程的方向與限度，包括化學反應的方向和平衡點。通過化學勢推導出計算化學平衡位置的物理量△rGmΘ與方向判據△rGm，而△rGmΘ又可通過熱力學基本定律進行求解，因此這三部分內容屬于強相關內容。電化學部分對于基本熱力學函數、熱、功的計算直接關聯熱力學基本定律，但由于存在非體積功電功又有一定區別。在表界面章節，其對熱力學基本關系式引入了表面功的關聯項，但整體上與熱力學部分的關聯性不高，屬于弱關聯內容。因此，線下課程資源的授課大綱、教材、習題冊更應該注重“強相關”內容合并呈現，“弱關聯”內容呼應呈現，更加有利于學生對于知識點的整體把握，促進從知識“點”到“線”的銜接。

(2)課程知識分類思維構建

物理化學課程具有前提條件多，公式繁多容易混亂等特點。根據課程特點，線下學習資源與課堂授課應該注重知識分類歸納。如熱力學部分內容，需要求算的熱力學狀態函數變化、功與熱會根據不同物理化學過程而利用不同公式與方法。教師授課過程中需要培養學生對知識進行分類的思維，將其分類總結為簡單物理變化（P，V，T變化）、復雜物理變化（相變與混合）、化學反應，在應對不同物理化學過程時，首先在思維中呈現出具體的類別，進而導向于這一類別中的具體解題技巧與知識內涵。同時，對于有些章節知識要進行多維分類。如在相圖部分，課程呈現的二組分相圖較多，應按照溫區與組分互溶情況倆個維度首先進行有效分類。根據溫區維度將相圖分為氣-液相圖，液-液相圖與液-固相圖。其次，在根據高溫相之間與低溫相之間的互溶情況，分為完全互溶，部分互溶與完全不互溶。以上倆個相關分類組合出諸多二組分相圖，并且根據二者的各自分類總結一定的規律。最后，對于復雜相圖將引入第三個思維維度即形成化合物情況、低共熔混合物與恒沸物等特定情況。當以上三個維度明確以后，對于二組分相圖可深入的理解并提升應對未知相圖的解析能力。

(3)知識推衍思維構建

線下教學中應該更加注重培養學生舉一反三的推衍能力，針對相似知識點、相關理論、類似公式的深入與升華理解，能夠在復雜知識點中總結出規律并延伸至其它相關知識點。同時，需要培養學生敢于挑戰教材的創新思維與敢于嘗試新理論探索能力。筆者在教學實踐中，鼓勵學生通過化學勢推導液體飽和蒸氣壓隨溫度變化關系式與壓力對液體飽和蒸汽壓影響關系式，代替教材中通過克拉貝龍方程獲得克-克方程過程。一方面，延伸了化學勢的應用，加深了學生對于此物理量的理解。另外，以化學勢代替吉布斯自由能進行相關推導存在明顯優勢，如化學勢處理平衡問題更加容易理解，以強度性質化學勢推衍強度性質飽和蒸氣壓不用考慮體系容量，并且利用化學勢處理相平衡問題更加直觀，推導過程更加嚴謹，可擴展化學勢應用，同時可培養學生敢于創新嘗試的思維能力，敢于挑戰經典的創新意識。

(4)應用思維構建

物理化學課程可服務于諸多自然學科，且與生產與生活息息相關。課程建設過程中更應該注重知識體系與實際應用的聯系教學。注重知識點涵蓋應用，應用促進知識點理解的方式。課程授課應注重生活中物理化學知識帶動趣味性，以及生產中的物理化學原理體現應用性。引導學生利用所學課程知識解釋與分析自然現象，促進學以致用、學以善用、學以樂用。培養學生愛觀察、善思考的學習能力，從了解自然現象升華到規律認知。課程成績中也應該體現對應用方面的考核，調動學生主動尋找物理化學應用的實例，討論其中自然原理，且深入定性討論與定量的計算，培養學生解決實際工程問題的能力。注重課程考核環節中增加相應的課程報告與課程設計，改變原有單一試卷式的考核方式，更加容易激發學生的主動性與提升知識的實際掌握能力，實現以應用帶理論學習的教學模式，為新工科背景下人才培養做出重要貢獻。

3.結語

總之，混合式教學改革應同時兼顧理論教學與實踐倆方面的線上資源建設。線上學習資源應從單純的MOOC學習資源向線上特色思政資源，向在線習題資源與虛擬仿真實驗資源等多元化方向發展。線下課程應更加注重培養學生對于知識綜合性思維的構建，包括課程整體的邏輯關聯、發散擴展、知識分類、聯系應用。綜合性線上線下混合式教學模式有助于學生在知識獲得與思想政治素質培養方面獲得積極結果，可在創新人才培養方面做出重要貢獻，且對于培養復合型創新人才起到至關重要的作用。