翻轉課堂應用于物理化學熱力學教學的思考

吳愛兵

(唐山學院 環境與化學工程系，河北 唐山 063000)

熱力學作為物理化學中最重要的組成部分，研究能量與化學變化或物理變化的相互關系，對其他部分的學習具有極其重要的指導意義。因此物理化學中熱力學部分的教學研究具有重要意義。通過調查發現教師和學生普遍認同的影響學生學習熱力學部分甚至整門物理化學的原因包括：概念的抽象性、教學方法以教師為中心和學生學習動機不足等。概念的理解至關重要，是學習好后續的定理、定律及公式的基礎。絕大多數學生認為教學應該更多的促進概念的理解而不是記憶。然而，令人遺憾的是傳統的熱力學教學不僅內容有些過多，而且沒有更多的關注學生的學習需求。另外，學生對物理化學這門課的態度或看法也在很大程度上影響其學習成效。學生進入具有負面看法和低期望值的物理化學課程學習的情況并不少見，顯然這對物理化學的學習十分不利。因此教師探索新的教學方法以扭轉學生對物理化學的消極看法，并提供給其積極有效的學習體驗，這樣有利于改善其學習成效。

翻轉課堂作為一種新興的教學方法，是對傳統教學方法的顛覆性改變。它通過在課前把指導性教學材料在線發給學生，學生可以隨時隨地觀看視頻或文本、就某個問題參與在線討論或展開研究等。翻轉課堂強調以學生為中心，在課堂上提供給學生有意義的深入探討教學主題的學習機會。現代化教育技術在翻轉課堂中發揮著重要作用。教師發給學生的教學材料形式多種多樣，其中微課視頻較多。視頻的長度通常以十到十五分鐘為宜。翻轉課堂中可以讓學生進行各種各樣的活動，包括原始文件分析、辯論或演講、基于項目的學習、以及技能發展或概念實踐等。在這些活動中，在有限的課堂時間內并在教師的指導下，學生能夠有效地鍛煉發現問題、協作解決問題等高階思維能力。教師與學生的互動減少了傳統課程中的說教性而更加趨于因人而異的個性化，同時學生愉快地參與到課堂活動中從而達到知識獲取和建構的目的[1]。

本文首先分析翻轉課堂應用于物理化學熱力學教學需要思考的三個問題，然后給出熱力學翻轉課堂教學的三個步驟：

1 翻轉課堂應用于物理化學熱力學教學需要思考的三個問題

1.1 熱力學翻轉課堂教學內容的選擇

熱力學部分在整門物理化學課程中占的比重非常大，另外考慮到學生在物理化學的先修課程——無機化學中已經學過了有關熱力學的大部分基礎知識，所以在有限的物理化學課時前提下關于如何選擇熱力學內容進行翻轉課堂教學是一個十分必要的問題。根據熱力學內容特點，適合翻轉課堂教學主要包括以下三類：(1)定理定律：熱力學中的定律有的簡單易懂(如實質為能量守恒定律的熱力學第一定律)，學生很容易就能理解記憶，然而有的定理(如卡諾定理)卻抽象難懂，光憑學生自學或課堂上教師的單純講授很難使其理解掌握。如果學生在翻轉課堂前預先觀看教師發的有關卡諾定理的微課視頻等材料，課上結合教師的講授及小組討論等活動，就能夠收到較好的學習效果。(2)操作步驟：熱力學中的有些定理定律是通過實驗得來的，課本上的實驗是用幾張靜態圖來展示的，學生學起來不能夠很好地理解實驗進行過程中的動態變化。另外在熱力學驗證性實驗(如純液體飽和蒸氣壓的測定)的教學中，教師在講臺上結合實驗講義即使講得再清楚細致，學生在實驗過程中也會出現這樣那樣的問題甚至實驗失敗。如果教師事先將錄制好的實驗小視頻發給學生，讓他們在實驗前認真觀看并提出幾個典型的關于某幾個操作步驟的目的或作用的問題，實驗開始前再讓學生們進行小組討論回答問題，最后教師就注意事項進行點評提醒，這樣就能使學生們的實驗順利進行，有效鍛煉其動腦及動手能力。(3)難點知識：熱力學中的有些物理量是后續有關熱力學計算中經常涉及到的狀態函數，對其定義及物理意義的準確理解是教學的難點。例如熱力學第二定律中的熵，是之后定義另外兩個重要的狀態函數亥姆霍茲函數和吉布斯函數的基礎，單純地以課本作為教材很難使學生透徹地理解并掌握其定義及物理意義。教師可以通過在課前發給學生有關熵的起源(如“熵”的造字人介紹)及其物理意義的延伸(如“熵”與人類健康的關系)等材料，激發起學生的學習興趣，課上講授后再讓他們分小組討論，這樣就能夠使他們有效化解難點知識[2]。

1.2 熱力學微課內容的選擇

微課或視頻是翻轉課堂教學方法中教師發給學生材料的形式之一，通常制作微課的時間是微課時間的幾倍甚至十幾倍，需要花費教師大量的精力和時間，所以合理選擇熱力學內容進行微課的制作也是需要考慮的一個問題。熱力學內容中適合制作微課的主要包括以下三類：(1)簡單的原理知識：如熱力學第一定律中的狀態函數與途徑函數、熱力學第二定律中的克拉佩龍方程等，利用微課可以清晰的比較狀態函數與途徑函數的區別、掌握克拉佩龍方程的適用條件及有關計算等。(2)清晰的操作步驟：如純液體飽和蒸氣壓的測定、乙醇-環己烷雙液系氣液平衡相圖的測繪等實驗，制作成微課可以將整個實驗過程形象直觀地展現在學生眼前，短短幾分鐘或十幾分鐘的微課視頻勝過教師講幾十分鐘的效果[3]。(3)生動的實例解釋：熱力學中的一些定理定律能夠用來解釋生產生活中的具體實例，如多組分系統熱力學中稀溶液的依數性其中一點——滲透壓，這點性質可以用來解釋海水淡化的原理，制作圖文并茂甚至配有動圖或小視頻的微課，不僅可以激發學生的學習興趣，而且可以提高其利用理論知識解釋實際問題的能力。

1.3 熱力學翻轉課堂與傳統課堂教學方法的組合

雖然翻轉課堂扭轉了傳統課堂中學生由被動學習變為主動學習的中心地位，但是不能完全否定傳統課堂中講師講授的重要作用，也不得不看到翻轉課堂的合理設計和有效實施還存在著各種各樣需要多方面亟待解決的問題。在熱力學部分的教學過程中，根據教學內容特點、教學環境條件和學生學習能力等，可以采取翻轉課堂與傳統課堂相組合的教學方法，揚長避短，取得好的教學效果。

2 翻轉課堂應用于物理化學熱力學教學的三個步驟

2.1 翻轉課堂的設計

翻轉課堂的課前材料可以以各種形式(教科書、網頁、微課或視頻等)提供，但是最容易操作上手也是應用最多的的形式是有語音旁白的幻燈片(PowerPoint，以下稱為有聲ppt)。考慮到學生所學的知識，教師將提前用錄屏軟件制作好的有聲ppt和提出的幾個與待講授內容相關的典型問題發給學生。關于提出的問題，注意緊扣教學內容，且教學目的明確、內容清晰，使學生在較短的時間內抓住教師授課內容重點和難點。以熱力學第一定律為例，告知學生重點是狀態與狀態函數、熱力學第一定律及恒容熱、恒壓熱、焓的概念及化學反應熱效應的計算、可逆過程及可逆體積功的計算等，難點是狀態函數的特性與狀態函數法的應用，可逆過程的理解和絕熱不可逆體積功的計算。微課視頻力求短小精悍，避免拖沓冗長或是教學錄像的重復，比較簡單的方式是將ppt課件配以語音講解錄制成微課。微課的時間控制在15分鐘以內，以保證學生在注意力能夠高度集中階段完成課程學習。設計的問題答案在微課中應有跡可循，問題還應具有一定的啟發性、總結性和延伸性，控制在3到5個為宜。微課的發布主要利用微信或QQ群等媒介，學生在收到微課視頻后，根據自己計劃自由觀看學習，并將學習效果在線上及時反饋給教師。教師根據學生集中反饋的問題，有針對性的設計課堂翻轉活動。

2.2 翻轉課堂教學的實施

根據教學內容和學生集中反饋的問題，選擇有代表性的作為課堂授課內容的切入點，讓學生帶著問題認真聽講以得到答案。以熱力學為例，教師講授根據熱力學第一、第二定律等公式推導判斷過程方向的狀態函數判據(如熵判據、亥姆霍茲函數判據和吉布斯函數判據)時，提示性地引入推導條件，使學生順著教師的思路一步步順理成章地得到結果，并使學生體會到學習成就感的同時加深記憶效果。對于重點、難點進行詳細講解，并發布提升任務，如習題、案例分析等，實現課堂指導互動，使學生知識內化和鞏固。為了加強學生協作學習的能力，通過分組討論等方式讓學生就某個問題進行小組討論，然后教師對學生討論結果進行分析。另外在課時允許的條件下，教師請一到兩位表達能力較強的學生登上講臺講解某個熱力學知識點，之后隨機請聽講學生針對該知識點提出問題，最后由教師進行點評和總結，實現生生互動和師生互動，提高教學效果。

2.3 翻轉課堂的評價與反思

翻轉課堂的評價包括課堂教學評價和學生學習評價。對翻轉課堂的教學評價主要包括對教師課前、課中、課后的教學評價。學生作為翻轉課堂學習過程的主體，其學習成效評價也主要包括課前、課中、課后的學習評價。另外可以考慮將教學模式的評價加入到教學評價中，通過合理設置教師教學活動評價、學生學習成效評價和教學模式的評價各自所占的權重，得到最終的教學評價結果。根據評價結果反思在翻轉課堂中教師的活動組織、學生的學習討論和教學模式的實施等環節的改進措施。

3 結語

物理化學中最重要的熱力學部分應用翻轉課堂教學具有重要意義，需要從多方面考慮到熱力學教學內容及微課內容的選擇，采用翻轉課堂與傳統課堂相結合的教學方法，通過對翻轉課堂的課前設計、課中實施及課后評價與反思，同時提高教師的教學效果和學生的學習效果。