相平衡的教學設計案例與思考

王女，趙勇，劉兆閱

北京航空航天大學化學學院，北京 100191

相平衡是物理化學的重要內容，相關內容在工業分離及提純領域有重要應用，但學生理解和掌握有一定的難度。本文以“純物質系統相圖分析”為例，從問題提出、理論形成、理論應用、前沿拓展幾個方面進行教學設計，取得了較好的教學效果。

1 教學內容及教學目標

1.1 教學內容

根據“高等學校化學類專業物理化學相關教學內容與教學要求建議(2020版)”[1]，結合我校工科專業物理化學課程的教學特點，本章的主要教學內容如圖1所示，包括掌握相平衡的普遍規律——相律，并會利用相律來分析單組分相圖、二組分雙液體系相圖、二組分固液體系相圖，并能夠將抽象的相律與實際現象結合起來分析問題，用相律來指導相圖的分析及應用[2,3]。其中，純物質系統相圖分析是本章第二節的內容，是相平衡一章中承上啟下、至關重要的一節內容。本部分教學內容旨在讓學生在深入理解相律的基礎上，會用相律分析純物質相圖，掌握純物質相圖的特點。在教學過程中，不僅需要學生掌握純物質相圖特征這一新的知識點，而且對學生理解上一節學習的相律在深度和廣度上提出了新要求。教師要幫助學生逐步理解相律的重要含義，為學生后續學習相律在二組分相圖中的應用奠定基礎。

圖1 “相平衡”的教學內容

1.2 教學目標

1.2.1 知識傳授

(1) 能夠說明純物質相圖的繪制方法。

(2) 能夠說明純物質相圖中點、線、面的含義。

(3) 能夠說明和利用水的相圖。

1.2.2 能力培養

(1) 能夠繪制簡單的相圖。

(2) 能夠利用克拉貝龍方程(Clapeyron方程)說明相關規律。

(3) 能夠在繪制過程中提出問題、分析問題和解決問題。

1.2.3 價值塑造

(1) 明確物質是第一性的，能夠進行分類、歸納并推廣應用，解決實際工程及基礎科學前沿的問題。

(2) 能夠解決實際問題、建立模型、主動發現規律，體現創新思考。

(3) 說明中國科學家在本領域所做出的杰出貢獻和艱辛歷程，說明中國在化學、材料等領域在世界科學舞臺中的重要作用。

2 教學設計的基本理念與思路

根據建構主義學習理論[4,5]，學習是引導學生從原有經驗出發，生長建構起新的經驗。在教學過程中，主要采用“問題探究式”教學理念，按照實驗/現象-理論-應用-拓展的思路開展教學活動，具體的教學思路如圖2所示：

圖2 教學進程圖

(1) 問題的提出：由生活中常見的相平衡問題導入課程。

(2) 理論的形成：水的相圖分析。

在教師的引導和啟發下，結合相律，通過實驗測定數據描點劃線的方法繪制水的相圖，通過分析得出純物質相圖的特點及規律。

(3) 理論的應用：舉一反三及知識拓展。

通過詳細分析水的相圖，引申到二氧化碳、硫、碳的相圖，進一步驗證相平衡理論的正確性和適用條件，使得理論進一步合理化，并結合科學前沿拓展認識，在解決“老”問題的過程中提出“新”問題，引出后續知識的內容和發展方向。

3 “純物質系統相圖分析”教學案例設計

針對本單元的教學難點及重點，結合化學是一門理論和實驗并重的學科特點，從問題的提出、純物質相圖理論的形成、純物質相圖的分析及應用、拓展與思考依次展開本節課的教學活動，通過各個教學環節的有機結合，實現從知識傳授到能力培養、到價值塑造全方位的人才培養目標。具體的教學環節設計如表1所示。

表1 教學環節設計

(續表1)

(續表1)

4 “問題探究式”教案設計的應用效果與教學反思

4.1 課堂應用效果

“相平衡”的理論知識是工業分離和提純技術的基礎，同時也是物理化學課程中比較難理解的一部分內容，特別是對于我校材料類的學生，相平衡是其后續課程“物理冶金原理”“材料現代研究方法”的基礎，學生普遍反映相平衡理論知識的掌握難度較大，在針對“課程難度和理解程度”的調查問卷中，66.67%的學生認為課程的教學過程難度適中，33.33%的學生認為課程很難。在近期的教學活動中，經過“問題探究式”教案設計及教學實踐，課堂上明顯能夠感知到學生的興趣和參與度有所提高，學生普遍認為能夠較好地理解和掌握“相平衡”一章的基本內容，能夠根據相律分析基本相圖，并對教師的教學活動安排有很高的評價。調查問卷顯示，83.33%的學生認為課程的教學過程難度適中，認為課程較難的同學比例下降至16.67%。圖3為案例應用前后對照班“相平衡”一章小測驗的正確率對比圖，發現改革后每道題的正確率均高于改革前。此外，在經過教案設計后的教學實踐中，有91.67%的學生認為前沿知識拓展能夠調動課后學習的積極性，從被動灌輸轉為主動學習；87.5%的學生認為思政環節設計與課程內容緊密結合。因此，應用效果對比充分說明了改革后的教學模式讓學生在問題中學習，提升了學生的學習興趣，從知識傳授、能力培養、到學生的價值觀塑造，全方位提升了教學效果。

圖3 課堂應用效果

4.2 教改前后成績對比

基于在“相平衡”一章中的教學改革嘗試的良好效果，教師逐步在其他章節也開展教案設計改革，圖4為改革前后學生的成績對比。改革前，對照班級的平均分為70.6，優秀率(90-100分)為10.25%，良好率(80-89分)為21.79%，及格率為84.62%；改革后，對照班級的平均分為75.1，優秀率為15.51%，良好率為49.99%，及格率為93.11%。此外，在成績評定方面，增加了前沿拓展討論大作業，要求學生根據學習興趣自行選題分組討論(每組2-3人，每人至少要選擇一個前沿課題)，期末前安排2學時的集中展示，由學生代表展示討論結果，占期末總評成績的10%。87.5%的學生認為該教學環節很適合，并且可以通過課后調研學到知識。考試成績顯示，經教學改革后，學生成績的優良率和及格率有顯著的提升，這是由于改革后的教案以生活生產中的實際問題或現象為出發點，引導學生將復雜的公式和抽象的理論知識與實際問題結合起來，能更好地掌握理論知識，并具備利用理論知識分析實際問題的能力，教學目標達成度較高。

圖4 改革前后的成績對比

4.3 教學反思

根據教育部提出的“兩性一度”的金課標準，教師在教學模式上進行了很多探索，從傳統的講授式教學模式到混合型教學模式、研究型教學模式、討論式教學模式、探究式教學模式等[3,12]，力爭實現課前、課中、課后，線上、線下全方位教學手段的結合，實現更好的教學效果。在本節課的教學活動中，由于理論具有很好的應用場景，采用“問題探究式”教案設計深入淺出，讓學生學習的注意力更加集中，提高了學習的興趣。同時，有些課程內容由于教學時間的關系無法在課堂上深入展開，為了滿足學生高階性、創新性、挑戰度的需求，在今后的教學活動中，我們還將根據不同層次的學生，增加課程內容廣度和深度。重點引導學生學習知識點形成和發展過程中的科學方法，學習基礎理論發展過程中的邏輯思維。在課程的各大板塊中引入不同深度的案例，引導學生課后進行分析、比較和討論，培養培養學生分析問題、解決問題的能力以及創新思維。

5 結語

基于建構主義理論的“問題探究式”教學設計，目的在于通過精心設計的環環相扣的教學素材和嚴謹的教學環節，引導學生從實驗開始認識相圖的繪制、相圖的分析、相圖的應用，理解相律和相圖的關系，總結其特點和規律，并能夠舉一反三進行復雜相圖的分析。通過教學實踐，在授課過程中，著重講授如何將實際問題轉化成抽象的理論模型，既可以激發學生學習的興趣，并且可以培養學生發現問題、解決問題、理論聯系實際的能力，取得了很好的教學效果。經過該章節的教學實踐活動和取得的良好教學效果表明，“問題探究式”教學思路的設計可以推廣到本課程的其他教學板塊，從而形成物理化學課程深入淺出的教學體系。