“課堂內外、線上線下”一體化教學模式探索與實踐
——以物理化學課程教學為例

劉文萍，陳 上，吳賢文，李佑稷

（吉首大學 化學化工學院，湖南 吉首 416000）

物理化學是化學化工類及相關專業的重要基礎課，是從研究物質的化學和物理現象之間的聯系入手，借助數學和物理的理論和方法，來探求化學變化基本規律的一門學科，其概念抽象、公式繁多、理論性、系統性和邏輯性強。這些特點決定了該課程能夠培養學生核心素養，提高其抽象思維能力以及分析解決實際問題的綜合能力，但同時也使學生學習起來普遍感到困難[1-2]。多年的教學實踐發現，物理化學課程教學存在三個主要問題：概念抽象難理解、公式多易出錯及理論聯系實際難。

為了解決物理化學課程教學存在的主要問題，2018年初，學校開始利用學習通開展線上、線下混合式教學。經過4年多的探索與實踐，堅持“以學生為主體，以教師為主導”的教學理念，遵循“高階性、創新性和挑戰度”金課標準，通過教學資源、教學內容、教學方法、教學手段、考評體系等多方位改革創新，建立“課堂內外、線上線下”一體化教學模式，構建線上、線下混合式金課。

一 在學習通中建立系統、豐富的課程資源

經過4年多的積累，在學習通建立了系統、豐富的課程資源，為“課堂內外、線上線下”一體化教學模式順利實施提供了保障。制作了143個教學視頻，總時長2 185min，涵蓋課程主要內容及典型習題解析，用于學生線上自主學習；編撰了1 079道含詳細答案解析的測驗題，涵蓋課程主要知識點，學生平時容易犯錯、容易混淆的知識點、公式、原理，用于學生查漏補缺及靈活運用訓練；整理收集了352個非視頻資源，用于學生預習、復習與拓展。

二 通過典型案例和思政教育元素重構教學內容

（一）引入典型案例，化抽象概念為具體實例

以典型案例為導向，化抽象概念為具體實例，精簡、重組教學內容，比如熱力學第二定律主要是解決變化的方向與限度問題，其中最常用的判據是吉布斯自由能判據。學完這一章，通過典型案例：用化學熱力學方法解決石墨變成金剛石的可能性問題，化抽象概念為具體實例，通過以下幾個問題引導學生學以致用，進行高階學習：①常溫常壓下，石墨能否轉化成金剛石？②改變溫度，石墨能否轉化成金剛石？③改變壓力，石墨能否轉化成金剛石？④至少要加多大壓力石墨才能轉化成金剛石？⑤查閱文獻了解高溫高壓（HTHP）法制備金剛石的研究進展。要求學生課后分組討論，通過詳細地熱力學計算回答以上問題，所需數據自行從熱力學數據表上查閱。

偏摩爾量的概念抽象，很多同學難以理解，其含義是：在等溫、等壓條件下，在大量的定組成系統中，加入單位物質的量的B物質所引起廣度性質Z的變化值。我們就通過“白酒勾兌”的典型案例，化抽象概念為具體實例。在15℃和大氣壓力下，某酒窖中存有酒10.0m3，其中含乙醇的質量分數為0.96，現欲加水調制含乙醇的質量分數為0.56的酒。已知該條件下，純水的密度為999.1 kg/m3，乙醇的質量分數為0.96時，水和乙醇的偏摩爾體積分別為14.61×10-6和58.01×10-6m3/mol，乙醇的質量分數為0.56時，水和乙醇的偏摩爾體積分別為17.11×10-6和56.58×10-6m3/mol，試計算：①應加入水的體積；②加入水后，能得到含乙醇的質量分數為0.56的酒的體積[3]。在解題之前，首先請學生回答水的偏摩爾體積的含義是什么？針對學生的回答，老師不斷修正，直到學生能正確回答出乙醇的質量分數為0.96時，水的偏摩爾體積為14.61×10-6m3/mol的含義是15℃和大氣壓力下，在大量的乙醇的質量分數為0.96的酒中加入1mol水，該酒的體積增加14.61×10-6m3。然后再引導學生應用偏摩爾量的集合公式、混合前后乙醇的物質的量保持不變求得①應加入水的體積為5.75m3，②加入水后，能得到含乙醇的質量分數為0.56的酒的體積15.27m3。“白酒勾兌”典型案例，既使學生很好地理解了偏摩爾量的含義及引入偏摩爾量這一概念的必要性，又培養了學生解決復雜問題的綜合能力和高級思維。

另有用克拉貝龍方程解決滑冰鞋為什么要裝冰刀的問題；用克-克方程解決高原煮飯要用高壓鍋的問題；用水的相圖解決凍干、風干和烘干的技術路線；用水鹽體系相圖解決愛斯基摩人獲取淡水方法；用原電池電動勢解決金屬腐蝕問題；用動力學方法解決抗菌素注射時間間隔問題等。

（二）挖掘思政教育元素，踐行立德樹人

把物理化學學科發展簡史、物理化學家的生平軼事、物理化學與諾貝爾獎等引入課堂教學，激發學生學習興趣，愛國熱情和崇尚科學的精神。例如，首屆諾貝爾化學獎獲得者范霍夫，他從化學動力學開始，進而廣泛地研究熱力學，特別是有關稀溶液的滲透壓問題，把化學動力學、熱力學和物理測定統一起來，建立了物理化學的基礎[4]。為捍衛電離理論而奮斗的阿侖尼烏斯，他對電化學及溶液理論等一系列問題的解釋，在建立現代物理化學和分析化學方面起了特別巨大的作用，榮獲了1903年度諾貝爾化學獎[4]。中國物理化學奠基人之一的黃子卿先生，他以嚴謹的科學態度精心設計實驗裝置，精確測定了水的三相點。黃老告訴學生和晚輩，“科學的核心是一個‘新’字：新的理論，新的方法，新的公式，新的技術，新的數據。”也就是說，要永遠不停止探索和追求[5]。中國膠體科學的主要奠基人傅鷹先生，在表面化學的吸附理論方面進行了深入、系統、獨具特色的研究工作，受到國際學術界的重視，但他2次婉拒美國優厚條件，一心報效祖國，在學習傅鷹的科研成果時，更應傳承其實事求是、嚴謹細致、不懈探索的治學精神[6]。

三 建立并完善“課堂內外、線上線下”一體化教學模式

物理化學課程遵循“兩性一度”線上、線下混合式金課標準，堅持“以學生為中心”，運用問題探究式教學法，以問題為導向，由淺入深、由表及里地完成“課堂內外、線上線下”一體化教學，如圖1所示。

圖1 物理化學課程“課堂內外、線上線下”一體化教學模式

（一）課前——課堂外（線上學習通平臺）

教師通過線上教學平臺發布課程通知，明確線上任務，引導學生線上自主學習，自主測驗。

（二）課中——課堂內（線下教學課堂）

充分發揮混合式教學優勢，教師通過線上教學平臺活動獲取實時監測數據，實時把握學生學習詳情，從而實施針對性的課堂講授。在課堂教學中應做到以下幾點。

1）教師每次課前線上查看測驗統計詳情，對于正確率低于60%的題目線下及時講解，把暴露的問題及時解決，掃清學生學習障礙，增強學生學好物理化學的信心。每次上新課前都會對上次課的重點知識點做總結復習，便于學生承上啟下，溫故而知新。上新課前有時會給學生上臺展示線上任務完成情況的機會，比如講解“石墨能否轉化成金剛石”，以激勵學生有學好物理化學的激情。

2）課堂上教師著重把基本概念和基本公式講清楚講透徹，突出重點，突破難點；在講解基本原理時，強調本學科邏輯思維方法的建立，理論與實際相結合，化抽象概念為形象具體事例，使學生能舉一反三；強調邏輯推導，避免死記硬背，多做鋪墊性講授，公式使用條件都在推導過程中讓學生自己歸納總結；重視課程內容框架的建立，讓學生明白每一章、每一節是要解決什么問題，它在整個知識體系處于什么位置。每上完一節，經常請學生猜想下一節我們將學習什么內容。

3）以問題為導向，提高學生注意力，輔以分組討論，加強學生交流互動。實際教學中強調學生的參與性，而發表意見的正誤不作為課程考察的依據，通過不斷地討論互動，學生解決問題的思路充分展示給教師，教師了解實際情況后，才能有針對性地教，做到有的放矢，再通過啟發式、層層引導式的剖析，給出解決方案，使學生理解掌握重難點，建立學科邏輯思維框架。

4）在教學中注重幫助學生建立辯證唯物主義世界觀和運用科學的方法論，從馬克思主義哲學思想的角度來分析和認識物理化學課程的基礎知識、基本原理和基本方法。例如，熱力學第一定律可表述為“第一類永動機是不可能造成的”。熱力學第二定律可表述為“第二類永動機是不可能造成的”。這兩個熱力學定律是不能通過演繹或推導出來，實踐是檢驗真理的唯一標準，迄今為止，第一類、第二類永動機的制造都以失敗而告終，反過來就證明了熱力學第一、第二定律的正確性。物理化學中每個公式都有特定的使用范圍和限制條件，這就說明真理是絕對真理和相對真理的辯證統一。常溫常壓下，通過熱力學計算可知反應：石墨（s）→金剛石（s）的△rGm＞0，說明常溫常壓下，石墨不能變成金剛石（s），但當壓力大于1.5×109Pa時，石墨（s）→金剛石（s）的△rGm＜0，此時石墨就能變成金剛石（s），從這一典型案例告訴學生能與不能都是相對的，創造條件就可以把不可能變成可能，現在大家覺得物理化學學不好，只是因為還不夠努力，習題做少了，只要足夠努力，多做題，物理化學也一定能學好。在介紹反應級數的測定方法時，積分法數據處理簡單，對反應級數是簡單的正數時，其結果較好，但當級數是分數時，很難嘗試成功；而微分法可適用于非整數級數反應，但要三次作圖，引入的誤差較大，提醒學生也要一分為二地看待同學，每個人都有優點也有缺點，多看長處有利于同學和諧相處。在溶膠中加入極少量的可溶性高分子化合物，可導致溶膠迅速沉淀，這是高分子化合物對溶膠的絮凝作用。但在溶膠中加入一定量的高分子化合物，能顯著提高溶膠對電解質的穩定性，這是高分子化合物對溶膠的穩定作用，都是高分子化合物，量少時是絮凝劑，量多時是穩定劑，作用完全相反，提醒學生凡事都要堅持適度原則，防止“過”或“不及”，適當地玩游戲，可放松心情，如果沉迷于游戲，就會玩物喪志。

（三）課后——課堂外（線上學習通平臺）

教學中充分利用學習通的功能，建立線上學習和師生交流平臺，并為線下教學提供可分析的教學數據，成為實施線上線下一體化教學的重要手段。課后的線上學習活動目的主要在于檢驗學習效果，幫助學生進一步深刻理解概念和理論，并提高實際運用能力。

1）線上每次課后要求學生完成與本次課內容相關的測驗題，學生提交后即能看到成績及詳細的答案解析，引導學生及時查漏補缺，歸納總結。第一次課就跟學生說明，課后測驗占平時成績的10%，不是按照測驗成績，而是按照參與次數計成績，這樣學生沒有壓力，不把測驗當負擔，而把測驗當成查漏補缺的工具，且很樂意運用這一工具，主動請老師把課后測驗設置成可重復測驗。每章上完后要求所有學生同時線上完成單元考試，各單元考試平均成績占平時成績的10%，這樣安排設計既便于督促學生每學一章要進行歸納總結，及時消化，又便于教師了解真實學情，有的放矢。

2）線上發布與本次課程內容相關的作業，主要是計算題，學生完成后先自己對照線上課程資料里的參考答案自查，若有問題可線上回看教學視頻，或習題講解視頻，或把問題發布在學習通討論里，由同學或老師線上解答，若沒有問題拍照線上提交，然后同學間互評，每人互評2份，同學間作業互評制度促使學生必須深度理解所學知識。每章上完要求學生歸納總結繪制思維導圖，督促學生從內在邏輯結構層面整體把握本章節的主要知識，厘清知識點之間的聯系，構建出完整的知識框架體系，提高學生學習的積極性和主動性，同時還充分調動了學生的思維活動，培養了學生嚴密的邏輯思維能力[7]。

3）線上時常發布若干與日常生活相關的討論，引導學生運用所學物理化學原理分析解答，提高學生理論聯系實際能力。比如：夏天在絕熱的房間內，能否把冰箱的門打開當空調用？手機充放電過程是否為可逆過程？食鹽為什么是融雪劑，尿素可以當成融雪劑用嗎？為什么把二氧化碳固體叫做干冰？為什么小液滴都成球形？為什么江河入海處常形成三角洲？對于每個參與討論學生的回復，老師都會一一查看，如有問題及時指出。學有余力的同學還可進行拓展學習，挑戰高階，比如學完“反應級數的測定法”，可設計“電導率法測定乙酸乙酯皂化反應的反應級數”詳細實驗方案，與老師預約到物理化學實驗室按照自己設計的實驗方案進行開放性實驗；到中國知網查找學院老師或學生發表的有關動力學文章。比如李佑稷老師課題組做的各種復合材料光電催化降解亞甲基藍，彭志遠老師課題組做的各種改性單寧對亞甲基藍的吸附，張帆老師課題組做的各種新型復合材料對重金屬離子的吸附，余佶老師課題組做的各種茶葉活性成分的浸出，分析總結他們測定反應級數的實驗思路及方法。學完“原電池”，可以去了解吳賢文老師課題組做的新能源材料（水系或非水系鋰/鈉/鉀/鋅離子電池、鋅空電池）的設計、制備、結構表征及應用。

4）學習通成為學生和教師可跨時間、跨地域交流互動的平臺。學生學習中遇到問題可隨時發布到學習通討論里，其他學生或教師會及時解答；學生可利用學習通積極參與課程資源建設，提供不同解題思路，幫老師糾正PPT內容或答案解析中的錯誤；教師可經常利用學習通發布學情問卷調查，根據學生要求適當調整上課進度、內容、方式等。

四 改革傳統評價機制，探索和實踐多元評價方法

本課程考核包含過程考核（占40%）與期末考試（占60%）兩部分。過程考核中線下課堂出勤和課堂表現各占20%，線上作業占30%，線上課后測驗占10%，線上單元考試占10%，線上章節學習和問題討論各占5%，主要考察學生的學習態度，線上學習和討論的參與度，該比例能充分調動學生線下、線上學習和討論的積極性。為鼓勵學生的質疑精神，完善線上課程資源，凡是指出老師PPT內容或答案解析中錯誤的或提供新的解析方法的學生，在平時成績總評分上1次加1分，平時總評成績最高為100分。期末采用閉卷考試，主要考察知識的掌握及應用情況。該評價方式提高了過程性評價占比，發揮線上線下混合式教學優勢，有利于提高學習效果。

五 “課堂內外、線上線下”一體化教學效果

豐富系統的線上資源，為學生物理化學課程學習突破難點提供了支撐；線上線下緊密結合的方式，使教師成為服務者和引導者；平時注重思維過程，淡化考核結果，使學生樂于線上學習。4年多線上課程累計瀏覽量達278萬次，選課459人，互動4 597次。最近一期20化師化學班共135名學生線上章節學習次數高達86 500次，人均640次；共發1 837帖，其中學生1 440帖，124位學生自主參與了線上交流互動，指出老師PPT內容或答案解析中錯誤5人次，提供新的解析方法7人次。已結課的學生要求重新開放線上課程，進行考研復習。

“課堂內外、線上線下”一體化教學使學生主動走向深度學習。實施4年多，學生對物理化學由開始的畏懼變成喜歡，提高了學習成就感，推動其走向深度學習，因此期末考試平均分、優良率和及格率均明顯提高，見表1，成為不少學生自我評價掌握最扎實的專業課，也因此成為大部分學生考研首選專業課。16、17、18化學班41位考上研究生的同學中有22位選考了物理化學，占53.7%；16、17、18化師班46位考上研究生的同學中有33位選考物理化學，占71.7%，這些研究生中近50%同學還選擇了物理化學專業。

表1 期末考試成績分布表

問卷調查表明，學生對“課堂內外、線上線下”一體化的物理化學課程教學模式認可度高達99.1%，93.9%的學生認為這種教學模式比傳統線下教學模式學習效果更好。2019年該課程獲得校優秀本科教學質量獎，2021年該課程被認定為校級精品在線開放課程，省級線上、線下混合式一流本科課程。