基于STEM理念的物理化學(xué)混合式教學(xué)設(shè)計(jì)
——以“單組分系統(tǒng)相圖”為例

劉 妍 胡俊平 畢慧敏 游富英

（邯鄲學(xué)院化學(xué)化工與材料學(xué)院 河北邯鄲 056005）

STEM教育是科學(xué)(Science)、技術(shù)(Technology)、工程(Engineer)和數(shù)學(xué)(Mathematics)教育的簡(jiǎn)稱，是美國在上世紀(jì)80年代為提升國家競(jìng)爭(zhēng)力和自身的創(chuàng)新能力而對(duì)高等教育提出的一項(xiàng)重要的教育戰(zhàn)略[1]。它能讓學(xué)生從多學(xué)科角度參與到復(fù)雜問題的解決過程中，提升學(xué)生對(duì)復(fù)雜知識(shí)的解決能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。

物理化學(xué)是化學(xué)、應(yīng)用化學(xué)等相關(guān)專業(yè)的主干課程。它對(duì)學(xué)生科學(xué)思維和綜合素質(zhì)的培養(yǎng)起著至關(guān)重要的作用[2-3]。由于該課程理論性較強(qiáng)，對(duì)學(xué)生的邏輯分析和數(shù)學(xué)推導(dǎo)能力要求較高，學(xué)生普遍反映它較難學(xué)習(xí)。部分學(xué)生對(duì)該課程的學(xué)習(xí)缺乏信心和興趣。目前，邯鄲學(xué)院化學(xué)化工與材料學(xué)院的物理化學(xué)課程主要采用教師課堂講授為主要教學(xué)形式，雖然建有網(wǎng)絡(luò)資源，但利用率不高。學(xué)生仍然是被動(dòng)聽課，難以很好地跟上課程講授的節(jié)奏。

雨課堂是清華大學(xué)和學(xué)堂在線共同開發(fā)的混合式教學(xué)工具。面對(duì)“互聯(lián)網(wǎng)+”給教育事業(yè)帶來的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，本文依據(jù)STEM理念，依托雨課堂平臺(tái)，線下教學(xué)與線上教學(xué)相結(jié)合，探索物理化學(xué)教學(xué)改革新模式，并以“單組分系統(tǒng)相圖”為案例，詳細(xì)闡述該教學(xué)模式的設(shè)計(jì)與實(shí)施過程，以為高校物理化學(xué)及其他課程教學(xué)改革提供參考與借鑒。

一、基于STEM和雨課堂的物理化學(xué)混合式教學(xué)模型

（一）基于雨課堂教學(xué)應(yīng)用的線上線下混合式教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)

基于雨課堂教學(xué)應(yīng)用的物理化學(xué)線上線下混合式教學(xué)過程分為三部分：課前預(yù)習(xí)、課堂教學(xué)、課后提升。課前，教師通過雨課堂推送給學(xué)生相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的微課、預(yù)習(xí)課件等；學(xué)生根據(jù)自己的時(shí)間完成學(xué)習(xí)，并通過推送的測(cè)試題檢測(cè)知識(shí)掌握情況。這樣既培養(yǎng)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力，也提高了學(xué)習(xí)效率。課堂上，學(xué)生通過微信掃碼簽到；教師依據(jù)雨課堂預(yù)習(xí)數(shù)據(jù)有針對(duì)性地講解重點(diǎn)，采用推送互動(dòng)題或彈幕反饋等方式，增加課堂的趣味性和活躍度，增強(qiáng)學(xué)生聽課效果。課后，上課的課件會(huì)自動(dòng)保存在學(xué)生的手機(jī)上，方便學(xué)生復(fù)習(xí)；學(xué)生的課堂表現(xiàn)數(shù)據(jù)會(huì)被推送給老師，作為平時(shí)成績(jī)的評(píng)定依據(jù)；對(duì)不太理解的內(nèi)容，學(xué)生也可以通過雨課堂與教師進(jìn)行互動(dòng)探討。

（二）基于STEM理念的物理化學(xué)“學(xué)科融合四步法”教學(xué)模式設(shè)計(jì)

STEM理念強(qiáng)調(diào)以真實(shí)情境中的案例為導(dǎo)向，利用數(shù)學(xué)、科學(xué)、工程等相關(guān)聯(lián)學(xué)科的知識(shí)來解決問題，在問題解決的過程中反思與提高。為了把物理化學(xué)中抽象的理論知識(shí)盡可能地具體化、直觀化，并讓學(xué)生主動(dòng)參與知識(shí)的多維化建構(gòu)過程，筆者建立了“學(xué)科融合四步法”教學(xué)模式，即通過“創(chuàng)設(shè)情境提出問題—交流討論探索方案—知識(shí)融合挖掘本質(zhì)—深入研究總結(jié)歸納”四個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)，將知識(shí)、技術(shù)、創(chuàng)新、實(shí)踐等融入課堂，使學(xué)生由被動(dòng)學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)為主動(dòng)學(xué)習(xí)、研究學(xué)習(xí)、合作學(xué)習(xí)，通過解決實(shí)際問題，使學(xué)生建立起各學(xué)科之間的聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)多學(xué)科知識(shí)的有效銜接，促進(jìn)學(xué)生全面發(fā)展。

二、“學(xué)科融合四步法”混合式教學(xué)設(shè)計(jì)——以“單組分系統(tǒng)相圖”為例

相圖是物理化學(xué)中的一個(gè)重要知識(shí)點(diǎn)，前后內(nèi)容聯(lián)系密切，在化工、材料等專業(yè)后續(xù)課程中有廣泛涉及，是物理化學(xué)的一個(gè)教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)。學(xué)生初次接觸，往往感覺抽象難懂。下文以其中的“單組分系統(tǒng)相圖”為例，詳細(xì)介紹該教學(xué)模式設(shè)計(jì)思路，具體見表1。課前，教師通過雨課堂推送復(fù)習(xí)和預(yù)習(xí)資料，并通過課上應(yīng)用、推送測(cè)試題等形式檢查學(xué)生的預(yù)習(xí)效果。課堂上，教師通過多個(gè)案例和問題將化學(xué)、數(shù)學(xué)、技術(shù)、工程聯(lián)系在一起。對(duì)每個(gè)案例，教師都會(huì)創(chuàng)設(shè)情境，提出問題，借助雨課堂隨機(jī)分組和提問功能，采用小組討論、翻轉(zhuǎn)課堂等教學(xué)形式，鼓勵(lì)學(xué)生交流合作，大膽構(gòu)想，提出解決方案，引導(dǎo)學(xué)生借助數(shù)學(xué)、技術(shù)等手段深入分析，最后，點(diǎn)評(píng)、總結(jié)并拓展應(yīng)用。在教學(xué)過程中，學(xué)生多次用到數(shù)學(xué)知識(shí)解決化學(xué)問題，如應(yīng)用相率公式、克拉佩龍方程分析得到水的相圖，應(yīng)用凝固點(diǎn)降低方程和克拉佩龍方程計(jì)算找到水的冰點(diǎn)溫度比三相點(diǎn)溫度低0.01K的原因。學(xué)生也學(xué)到了如何使用origin工具軟件等技術(shù)手段去繪制水的相圖。教師在教學(xué)設(shè)計(jì)中還將二氧化碳的相圖與二氧化碳超臨界流體萃取技術(shù)結(jié)合，讓學(xué)生體會(huì)到相圖在工程中的具體應(yīng)用。

表1 “單組分系統(tǒng)相圖”學(xué)科融合混合式教學(xué)設(shè)計(jì)

三、結(jié)論與啟示

STEM教學(xué)的靈活應(yīng)用，幫助教師解決了物理化學(xué)教學(xué)中很多復(fù)雜、抽象的問題，讓學(xué)生體會(huì)到了數(shù)學(xué)和技術(shù)在實(shí)際工程和生活實(shí)例中的應(yīng)用，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)際問題解決能力。與傳統(tǒng)教學(xué)模式相比，基于STEM理念的混合式教學(xué)課堂教學(xué)方法更加多樣。案例教學(xué)、翻轉(zhuǎn)課堂、小組討論、在線解答等調(diào)動(dòng)了學(xué)生積極性，培養(yǎng)了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力。課堂充滿活力，更加高效。

筆者以物理化學(xué)課程為載體，進(jìn)行了教學(xué)探索，在實(shí)踐的過程中也出現(xiàn)了一些問題，如線上教學(xué)資源的豐富和線下師生互動(dòng)需要教師付出更多時(shí)間和精力，課程中所蘊(yùn)含的跨學(xué)科內(nèi)容需要教師深入挖掘，課堂上自控能力差的學(xué)生可能會(huì)分神等。因此，在具體實(shí)施時(shí)，教師還需充分考慮多種因素，加強(qiáng)教師團(tuán)隊(duì)建設(shè)，加強(qiáng)學(xué)生管理，勇于嘗試，探索適合自己學(xué)校學(xué)生特點(diǎn)的物理化學(xué)教學(xué)模式。