思維構(gòu)建導(dǎo)向工科《物理化學(xué)》混合式教學(xué)研究

＊果崇申 周欣 王群 趙美玉 顏美

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)化工與化學(xué)學(xué)院 黑龍江 150001）

《物理化學(xué)》為化學(xué)與化工類本科生專業(yè)基礎(chǔ)課程，同時(shí)也為考研課程，課程知識(shí)體系龐大并后續(xù)分化為多個(gè)學(xué)科內(nèi)的方向，同時(shí)其支撐后續(xù)專業(yè)課程學(xué)習(xí)[1-3]。《物理化學(xué)》作為化工相關(guān)專業(yè)重要的課程之一,其授課質(zhì)量與學(xué)生對(duì)其掌握情況決定學(xué)生培養(yǎng)質(zhì)量。然而《物理化學(xué)》由于其公式繁多、應(yīng)用前提嚴(yán)格、邏輯性強(qiáng)、課程內(nèi)容廣、概念抽象等特點(diǎn)一直以來被認(rèn)為是教師難教、學(xué)生難學(xué)的課程。在教學(xué)實(shí)踐中，如何提升教學(xué)效果一直以來是相關(guān)一線教師努力的方向。目前，國(guó)內(nèi)諸多高校開設(shè)了《物理化學(xué)》線上MOOC學(xué)習(xí)資源用以擴(kuò)展與增補(bǔ)線下學(xué)習(xí)，如天津大學(xué)、南京大學(xué)、北京化工大學(xué)、武漢大學(xué)、北京師范大學(xué)等高校分別構(gòu)建了MOOC在線資源[3-5]。線上線下混合式教學(xué)模式的優(yōu)點(diǎn)在于能夠拓展學(xué)習(xí)的時(shí)間與空間，線上知識(shí)學(xué)習(xí)可為線下課程提供更多的教學(xué)形式選擇，如課堂討論、知識(shí)拓展、翻轉(zhuǎn)課堂等。在眾多高校降低本科生培養(yǎng)方案學(xué)時(shí)的情況下，混合式教學(xué)模式變?yōu)橹匾难a(bǔ)強(qiáng)手段。然而，針對(duì)本門課程特點(diǎn)，以往MOOC學(xué)習(xí)資源也存在一定的局限，如主要以知識(shí)點(diǎn)形式呈現(xiàn)，線上資源章節(jié)之間連貫性不強(qiáng)；線上授課對(duì)于學(xué)習(xí)難度較大的《物理化學(xué)》課程相比于線下課堂教學(xué)效果較差；MOOC學(xué)習(xí)無法有效解決學(xué)生習(xí)題能力等，因此構(gòu)建新型的混合式教學(xué)方法十分的迫在眉睫。

1.思維構(gòu)建導(dǎo)向混合式教學(xué)線上學(xué)習(xí)資源建設(shè)要旨

在線資源主要為課堂實(shí)錄的精品課程以及MOOC課程，可提供學(xué)生預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)的便利，但對(duì)于學(xué)生解題指導(dǎo)、深入學(xué)習(xí)、隨時(shí)隨地習(xí)題練習(xí)、調(diào)動(dòng)學(xué)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(fā)學(xué)生興趣，部分教學(xué)照本宣科過于枯燥。理想的線上學(xué)習(xí)手段應(yīng)利用現(xiàn)代化和多元化網(wǎng)絡(luò)手段，抓住當(dāng)代大學(xué)生對(duì)網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)電子產(chǎn)品的依賴，提供課程視頻資源、手機(jī)電子書、手機(jī)題庫(kù)軟件，構(gòu)建“實(shí)時(shí)學(xué)，隨地學(xué)”混合式教學(xué)模式，對(duì)傳統(tǒng)課堂教學(xué)起到補(bǔ)充強(qiáng)化的增效作用，激發(fā)學(xué)生的主動(dòng)性和創(chuàng)造性，提供學(xué)習(xí)的便利性，有效地拓展學(xué)生學(xué)習(xí)的時(shí)間與空間。針對(duì)物理化學(xué)學(xué)難，做題更難的困境，應(yīng)開發(fā)手機(jī)端習(xí)題App，并配答案詳解，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生課余時(shí)間，“化零為整”的資源整合，提高學(xué)生課后自學(xué)的便利。目前，天津大學(xué)物理化學(xué)教學(xué)團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了手機(jī)端的習(xí)題庫(kù)，其配套習(xí)題與全國(guó)諸多院校的考研試題可通過圣才電子書App在手機(jī)端與電腦端進(jìn)行習(xí)題練習(xí)。物理化學(xué)附屬實(shí)驗(yàn)課程對(duì)于理解課程知識(shí)，擴(kuò)展學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰ζ鹬种匾淖饔谩Ｈ绾谓鉀Q傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足，是目前新工科建設(shè)與課程創(chuàng)新改革的重要問題。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)具有時(shí)空靈活性，模擬實(shí)驗(yàn)不受時(shí)空的限制，學(xué)生可根據(jù)自身的學(xué)習(xí)情況與時(shí)間開展實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)，對(duì)學(xué)生動(dòng)手、實(shí)踐、實(shí)驗(yàn)安全等方面提供保障[6-11]。

根據(jù)目前混合式教學(xué)發(fā)展趨勢(shì)，哈爾濱工業(yè)大學(xué)化工與化學(xué)學(xué)院物理化學(xué)教學(xué)團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了多維融合的混合式教學(xué)線上學(xué)習(xí)資源，用以實(shí)現(xiàn)多元化的學(xué)習(xí)模式。

(1)線上課堂資源建設(shè)

首先構(gòu)建了真實(shí)課堂實(shí)錄的電子資源，將名師授課全過程以信息化的形式呈現(xiàn),供學(xué)生課前預(yù)學(xué)、回顧復(fù)習(xí)、考前提升等。解決了課上學(xué)生跟不上和學(xué)不透的問題，為學(xué)生提供課下再學(xué)習(xí)和再認(rèn)識(shí)的資源。相比于模塊化的MOOC課程，真實(shí)課堂教學(xué)更具有連貫性和系統(tǒng)性，并且課堂內(nèi)容更加生動(dòng)與鮮活，學(xué)生可根據(jù)情況定點(diǎn)回訪疑點(diǎn)與難點(diǎn)，補(bǔ)缺授課過程中學(xué)生遺聽與漏聽的內(nèi)容。特色線上資源可以高效的擴(kuò)展學(xué)生學(xué)習(xí)空間，在特殊期間發(fā)揮著重要作用，是對(duì)傳統(tǒng)課程的有效延伸。

(2)線上思維導(dǎo)構(gòu)與解題技巧資源建設(shè)

本教學(xué)團(tuán)隊(duì)錄制了物理化學(xué)解題與知識(shí)框架視頻資源，同學(xué)可通過移動(dòng)端長(zhǎng)江雨課堂資源與物理化學(xué)教師主頁進(jìn)行在線觀看學(xué)習(xí)。重點(diǎn)針對(duì)本課程解題難，構(gòu)建的解題思維線上資源有效輔助了深入學(xué)習(xí)，在學(xué)生期末考試與研究生升學(xué)考試中發(fā)揮了重要作用，解決了在教學(xué)實(shí)踐出現(xiàn)的書讀懂但不會(huì)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(jié)聯(lián)系與上下冊(cè)聯(lián)系的思維構(gòu)建。如判定化學(xué)反應(yīng)方向判據(jù)△G≤0其應(yīng)用前提條件為等溫等壓沒有非體積功，由于在上冊(cè)熱力學(xué)知識(shí)中通常為沒有非體積功過程，學(xué)生容易形成思維慣性重點(diǎn)去關(guān)注等溫等壓條件。而在下冊(cè)涉及的光化學(xué)反應(yīng)，如等溫等壓下自然界中發(fā)生的植物光合作用為一△G>0反應(yīng)。之所以出現(xiàn)貌似判據(jù)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(jù)應(yīng)為△G≤Wf，其中等號(hào)成立的條件是可逆過程。因此，通過這樣實(shí)例很好的詮釋吉布斯自由能判據(jù)的使用條件，以及光化學(xué)與熱化學(xué)之間的區(qū)別與聯(lián)系。此外，通過△H與Qp之間的關(guān)系聯(lián)立熱化學(xué)與電化學(xué)。△H=Qp成立的前提條件為等壓沒有非體積功。在熱力學(xué)部分此公式經(jīng)常被用于反應(yīng)熱與等壓熱的計(jì)算，而在電化學(xué)部分由于存在非體積功電功，以上等式不成立，對(duì)于可逆電池的熱效應(yīng)需要通過熵的定義式進(jìn)行求算。

(3)線上特色思政資源建設(shè)

思政教育是課程教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，國(guó)內(nèi)諸多高校均開展了相關(guān)的教學(xué)活動(dòng)，但目前為止的思政線上資源及特色思政教育發(fā)展過于緩慢。本教學(xué)團(tuán)隊(duì)實(shí)行了國(guó)防導(dǎo)向課程思政建設(shè)，以哈工大視頻中心提供的“八百壯士”視頻紀(jì)錄片為思政線上學(xué)習(xí)資源，做哈工大特色的思政教育。秉承我校科研強(qiáng)校，國(guó)防強(qiáng)校，保家衛(wèi)國(guó)以己任的特色辦學(xué)模式去感染學(xué)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(xué)生“家-國(guó)-校”情懷。弘揚(yáng)我校大國(guó)工匠精神，培育有信仰的未來工程師，培養(yǎng)學(xué)生愛國(guó)主義情懷和堅(jiān)定投身祖國(guó)建設(shè)的決心，體現(xiàn)為愛國(guó)情懷+奉獻(xiàn)精神+民族自豪感。

(4)課程實(shí)驗(yàn)線上資源建設(shè)

物理化學(xué)作為實(shí)驗(yàn)學(xué)科的基礎(chǔ)課程，其附屬的實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)于學(xué)生正確把握基礎(chǔ)理論和創(chuàng)新能力培養(yǎng)具有十分重要的意義。然而目前信息化建設(shè)主要圍繞理論教學(xué)，相對(duì)而言實(shí)驗(yàn)教學(xué)網(wǎng)絡(luò)信息化與虛擬仿真建設(shè)相對(duì)落后，成為綜合信息化建設(shè)中的盲區(qū)。如何解決傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足是目前新工科建設(shè)、課程改革內(nèi)容中討論的一個(gè)熱點(diǎn)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)能高效互動(dòng)，學(xué)生可根據(jù)自身的需求和薄弱環(huán)節(jié)展開物化實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)預(yù)學(xué)與復(fù)習(xí)的便利[12]。同時(shí)虛擬仿真平臺(tái)具有時(shí)間與空間上的靈活性，在特殊時(shí)期階段發(fā)揮著重要作用。物理化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)建設(shè)將對(duì)學(xué)生動(dòng)手、實(shí)踐、創(chuàng)新等全面發(fā)展起到重要作用。本教學(xué)團(tuán)隊(duì)依托于本學(xué)院國(guó)家級(jí)化學(xué)實(shí)驗(yàn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，開設(shè)了物理化學(xué)虛擬仿真平臺(tái)，為課程實(shí)驗(yàn)提供預(yù)習(xí)和預(yù)操作支持，學(xué)生可以通過仿真平臺(tái)模擬實(shí)驗(yàn)全過程后再預(yù)約課程實(shí)驗(yàn)，保證實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量及實(shí)驗(yàn)室安全。同時(shí)為了提供更加便利的實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，本教學(xué)團(tuán)隊(duì)還開設(shè)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的微信公眾號(hào)客戶端，提供實(shí)驗(yàn)原理講解，真人實(shí)驗(yàn)示范視頻，數(shù)據(jù)處理解析等諸多環(huán)節(jié)。

2.思維構(gòu)建導(dǎo)向混合式教學(xué)線下學(xué)習(xí)資源建設(shè)要旨

基于以上提及多種在線學(xué)習(xí)手段對(duì)于傳統(tǒng)課堂的拓展，線下課堂更應(yīng)該注重章節(jié)串聯(lián)、精準(zhǔn)分類、概念擴(kuò)展等手段，用于構(gòu)建特有的物理化學(xué)學(xué)習(xí)思維。

(1)章節(jié)知識(shí)點(diǎn)串聯(lián)促進(jìn)思維構(gòu)建

首先應(yīng)構(gòu)建思維導(dǎo)向明確的課程知識(shí)體系。物理化學(xué)課程涉及內(nèi)容較多，很多章節(jié)看似分散確又存在內(nèi)部知識(shí)點(diǎn)聯(lián)系，如何正確的梳理好章節(jié)之間的關(guān)系是影響課程教學(xué)效果的主要因素之一。如物理化學(xué)中熱力學(xué)第一與第二定律為重要知識(shí)內(nèi)容，其擴(kuò)展與延伸內(nèi)容為化學(xué)勢(shì)與化學(xué)平衡，并且在下冊(cè)在電化學(xué)部分及膠體與界面章節(jié)均有體現(xiàn)。如化學(xué)勢(shì)是偏摩爾吉布斯自由能，其引入是對(duì)組成可變體系的熱力學(xué)函數(shù)擴(kuò)展應(yīng)用，通過化學(xué)勢(shì)可推導(dǎo)出稀溶液的依數(shù)性相關(guān)公式。同時(shí)化學(xué)勢(shì)可判斷物理與化學(xué)過程的方向與限度，包括化學(xué)反應(yīng)的方向和平衡點(diǎn)。通過化學(xué)勢(shì)推導(dǎo)出計(jì)算化學(xué)平衡位置的物理量△rGmΘ與方向判據(jù)△rGm，而△rGmΘ又可通過熱力學(xué)基本定律進(jìn)行求解，因此這三部分內(nèi)容屬于強(qiáng)相關(guān)內(nèi)容。電化學(xué)部分對(duì)于基本熱力學(xué)函數(shù)、熱、功的計(jì)算直接關(guān)聯(lián)熱力學(xué)基本定律，但由于存在非體積功電功又有一定區(qū)別。在表界面章節(jié)，其對(duì)熱力學(xué)基本關(guān)系式引入了表面功的關(guān)聯(lián)項(xiàng)，但整體上與熱力學(xué)部分的關(guān)聯(lián)性不高，屬于弱關(guān)聯(lián)內(nèi)容。因此，線下課程資源的授課大綱、教材、習(xí)題冊(cè)更應(yīng)該注重“強(qiáng)相關(guān)”內(nèi)容合并呈現(xiàn)，“弱關(guān)聯(lián)”內(nèi)容呼應(yīng)呈現(xiàn)，更加有利于學(xué)生對(duì)于知識(shí)點(diǎn)的整體把握，促進(jìn)從知識(shí)“點(diǎn)”到“線”的銜接。

(2)課程知識(shí)分類思維構(gòu)建

物理化學(xué)課程具有前提條件多，公式繁多容易混亂等特點(diǎn)。根據(jù)課程特點(diǎn)，線下學(xué)習(xí)資源與課堂授課應(yīng)該注重知識(shí)分類歸納。如熱力學(xué)部分內(nèi)容，需要求算的熱力學(xué)狀態(tài)函數(shù)變化、功與熱會(huì)根據(jù)不同物理化學(xué)過程而利用不同公式與方法。教師授課過程中需要培養(yǎng)學(xué)生對(duì)知識(shí)進(jìn)行分類的思維，將其分類總結(jié)為簡(jiǎn)單物理變化（P，V，T變化）、復(fù)雜物理變化（相變與混合）、化學(xué)反應(yīng)，在應(yīng)對(duì)不同物理化學(xué)過程時(shí)，首先在思維中呈現(xiàn)出具體的類別，進(jìn)而導(dǎo)向于這一類別中的具體解題技巧與知識(shí)內(nèi)涵。同時(shí)，對(duì)于有些章節(jié)知識(shí)要進(jìn)行多維分類。如在相圖部分，課程呈現(xiàn)的二組分相圖較多，應(yīng)按照溫區(qū)與組分互溶情況倆個(gè)維度首先進(jìn)行有效分類。根據(jù)溫區(qū)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(jù)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(gè)相關(guān)分類組合出諸多二組分相圖，并且根據(jù)二者的各自分類總結(jié)一定的規(guī)律。最后，對(duì)于復(fù)雜相圖將引入第三個(gè)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(dāng)以上三個(gè)維度明確以后，對(duì)于二組分相圖可深入的理解并提升應(yīng)對(duì)未知相圖的解析能力。

(3)知識(shí)推衍思維構(gòu)建

線下教學(xué)中應(yīng)該更加注重培養(yǎng)學(xué)生舉一反三的推衍能力，針對(duì)相似知識(shí)點(diǎn)、相關(guān)理論、類似公式的深入與升華理解，能夠在復(fù)雜知識(shí)點(diǎn)中總結(jié)出規(guī)律并延伸至其它相關(guān)知識(shí)點(diǎn)。同時(shí)，需要培養(yǎng)學(xué)生敢于挑戰(zhàn)教材的創(chuàng)新思維與敢于嘗試新理論探索能力。筆者在教學(xué)實(shí)踐中，鼓勵(lì)學(xué)生通過化學(xué)勢(shì)推導(dǎo)液體飽和蒸氣壓隨溫度變化關(guān)系式與壓力對(duì)液體飽和蒸汽壓影響關(guān)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(xué)勢(shì)的應(yīng)用，加深了學(xué)生對(duì)于此物理量的理解。另外，以化學(xué)勢(shì)代替吉布斯自由能進(jìn)行相關(guān)推導(dǎo)存在明顯優(yōu)勢(shì)，如化學(xué)勢(shì)處理平衡問題更加容易理解，以強(qiáng)度性質(zhì)化學(xué)勢(shì)推衍強(qiáng)度性質(zhì)飽和蒸氣壓不用考慮體系容量，并且利用化學(xué)勢(shì)處理相平衡問題更加直觀，推導(dǎo)過程更加嚴(yán)謹(jǐn)，可擴(kuò)展化學(xué)勢(shì)應(yīng)用，同時(shí)可培養(yǎng)學(xué)生敢于創(chuàng)新嘗試的思維能力，敢于挑戰(zhàn)經(jīng)典的創(chuàng)新意識(shí)。

(4)應(yīng)用思維構(gòu)建

物理化學(xué)課程可服務(wù)于諸多自然學(xué)科，且與生產(chǎn)與生活息息相關(guān)。課程建設(shè)過程中更應(yīng)該注重知識(shí)體系與實(shí)際應(yīng)用的聯(lián)系教學(xué)。注重知識(shí)點(diǎn)涵蓋應(yīng)用，應(yīng)用促進(jìn)知識(shí)點(diǎn)理解的方式。課程授課應(yīng)注重生活中物理化學(xué)知識(shí)帶動(dòng)趣味性，以及生產(chǎn)中的物理化學(xué)原理體現(xiàn)應(yīng)用性。引導(dǎo)學(xué)生利用所學(xué)課程知識(shí)解釋與分析自然現(xiàn)象，促進(jìn)學(xué)以致用、學(xué)以善用、學(xué)以樂用。培養(yǎng)學(xué)生愛觀察、善思考的學(xué)習(xí)能力，從了解自然現(xiàn)象升華到規(guī)律認(rèn)知。課程成績(jī)中也應(yīng)該體現(xiàn)對(duì)應(yīng)用方面的考核，調(diào)動(dòng)學(xué)生主動(dòng)尋找物理化學(xué)應(yīng)用的實(shí)例，討論其中自然原理，且深入定性討論與定量的計(jì)算，培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際工程問題的能力。注重課程考核環(huán)節(jié)中增加相應(yīng)的課程報(bào)告與課程設(shè)計(jì)，改變?cè)袉我辉嚲硎降目己朔绞剑尤菀准ぐl(fā)學(xué)生的主動(dòng)性與提升知識(shí)的實(shí)際掌握能力，實(shí)現(xiàn)以應(yīng)用帶理論學(xué)習(xí)的教學(xué)模式，為新工科背景下人才培養(yǎng)做出重要貢獻(xiàn)。

3.結(jié)語

總之，混合式教學(xué)改革應(yīng)同時(shí)兼顧理論教學(xué)與實(shí)踐倆方面的線上資源建設(shè)。線上學(xué)習(xí)資源應(yīng)從單純的MOOC學(xué)習(xí)資源向線上特色思政資源，向在線習(xí)題資源與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)資源等多元化方向發(fā)展。線下課程應(yīng)更加注重培養(yǎng)學(xué)生對(duì)于知識(shí)綜合性思維的構(gòu)建，包括課程整體的邏輯關(guān)聯(lián)、發(fā)散擴(kuò)展、知識(shí)分類、聯(lián)系應(yīng)用。綜合性線上線下混合式教學(xué)模式有助于學(xué)生在知識(shí)獲得與思想政治素質(zhì)培養(yǎng)方面獲得積極結(jié)果，可在創(chuàng)新人才培養(yǎng)方面做出重要貢獻(xiàn)，且對(duì)于培養(yǎng)復(fù)合型創(chuàng)新人才起到至關(guān)重要的作用。