翻转课堂应用于物理化学热力学教学的思考

吴爱兵

(唐山学院 环境与化学工程系，河北 唐山 063000)

热力学作为物理化学中最重要的组成部分，研究能量与化学变化或物理变化的相互关系，对其他部分的学习具有极其重要的指导意义。因此物理化学中热力学部分的教学研究具有重要意义。通过调查发现教师和学生普遍认同的影响学生学习热力学部分甚至整门物理化学的原因包括：概念的抽象性、教学方法以教师为中心和学生学习动机不足等。概念的理解至关重要，是学习好后续的定理、定律及公式的基础。绝大多数学生认为教学应该更多的促进概念的理解而不是记忆。然而，令人遗憾的是传统的热力学教学不仅内容有些过多，而且没有更多的关注学生的学习需求。另外，学生对物理化学这门课的态度或看法也在很大程度上影响其学习成效。学生进入具有负面看法和低期望值的物理化学课程学习的情况并不少见，显然这对物理化学的学习十分不利。因此教师探索新的教学方法以扭转学生对物理化学的消极看法，并提供给其积极有效的学习体验，这样有利于改善其学习成效。

翻转课堂作为一种新兴的教学方法，是对传统教学方法的颠覆性改变。它通过在课前把指导性教学材料在线发给学生，学生可以随时随地观看视频或文本、就某个问题参与在线讨论或展开研究等。翻转课堂强调以学生为中心，在课堂上提供给学生有意义的深入探讨教学主题的学习机会。现代化教育技术在翻转课堂中发挥着重要作用。教师发给学生的教学材料形式多种多样，其中微课视频较多。视频的长度通常以十到十五分钟为宜。翻转课堂中可以让学生进行各种各样的活动，包括原始文件分析、辩论或演讲、基于项目的学习、以及技能发展或概念实践等。在这些活动中，在有限的课堂时间内并在教师的指导下，学生能够有效地锻炼发现问题、协作解决问题等高阶思维能力。教师与学生的互动减少了传统课程中的说教性而更加趋于因人而异的个性化，同时学生愉快地参与到课堂活动中从而达到知识获取和建构的目的[1]。

本文首先分析翻转课堂应用于物理化学热力学教学需要思考的三个问题，然后给出热力学翻转课堂教学的三个步骤：

1 翻转课堂应用于物理化学热力学教学需要思考的三个问题

1.1 热力学翻转课堂教学内容的选择

热力学部分在整门物理化学课程中占的比重非常大，另外考虑到学生在物理化学的先修课程——无机化学中已经学过了有关热力学的大部分基础知识，所以在有限的物理化学课时前提下关于如何选择热力学内容进行翻转课堂教学是一个十分必要的问题。根据热力学内容特点，适合翻转课堂教学主要包括以下三类：(1)定理定律：热力学中的定律有的简单易懂(如实质为能量守恒定律的热力学第一定律)，学生很容易就能理解记忆，然而有的定理(如卡诺定理)却抽象难懂，光凭学生自学或课堂上教师的单纯讲授很难使其理解掌握。如果学生在翻转课堂前预先观看教师发的有关卡诺定理的微课视频等材料，课上结合教师的讲授及小组讨论等活动，就能够收到较好的学习效果。(2)操作步骤：热力学中的有些定理定律是通过实验得来的，课本上的实验是用几张静态图来展示的，学生学起来不能够很好地理解实验进行过程中的动态变化。另外在热力学验证性实验(如纯液体饱和蒸气压的测定)的教学中，教师在讲台上结合实验讲义即使讲得再清楚细致，学生在实验过程中也会出现这样那样的问题甚至实验失败。如果教师事先将录制好的实验小视频发给学生，让他们在实验前认真观看并提出几个典型的关于某几个操作步骤的目的或作用的问题，实验开始前再让学生们进行小组讨论回答问题，最后教师就注意事项进行点评提醒，这样就能使学生们的实验顺利进行，有效锻炼其动脑及动手能力。(3)难点知识：热力学中的有些物理量是后续有关热力学计算中经常涉及到的状态函数，对其定义及物理意义的准确理解是教学的难点。例如热力学第二定律中的熵，是之后定义另外两个重要的状态函数亥姆霍兹函数和吉布斯函数的基础，单纯地以课本作为教材很难使学生透彻地理解并掌握其定义及物理意义。教师可以通过在课前发给学生有关熵的起源(如“熵”的造字人介绍)及其物理意义的延伸(如“熵”与人类健康的关系)等材料，激发起学生的学习兴趣，课上讲授后再让他们分小组讨论，这样就能够使他们有效化解难点知识[2]。

1.2 热力学微课内容的选择

微课或视频是翻转课堂教学方法中教师发给学生材料的形式之一，通常制作微课的时间是微课时间的几倍甚至十几倍，需要花费教师大量的精力和时间，所以合理选择热力学内容进行微课的制作也是需要考虑的一个问题。热力学内容中适合制作微课的主要包括以下三类：(1)简单的原理知识：如热力学第一定律中的状态函数与途径函数、热力学第二定律中的克拉佩龙方程等，利用微课可以清晰的比较状态函数与途径函数的区别、掌握克拉佩龙方程的适用条件及有关计算等。(2)清晰的操作步骤：如纯液体饱和蒸气压的测定、乙醇-环己烷双液系气液平衡相图的测绘等实验，制作成微课可以将整个实验过程形象直观地展现在学生眼前，短短几分钟或十几分钟的微课视频胜过教师讲几十分钟的效果[3]。(3)生动的实例解释：热力学中的一些定理定律能够用来解释生产生活中的具体实例，如多组分系统热力学中稀溶液的依数性其中一点——渗透压，这点性质可以用来解释海水淡化的原理，制作图文并茂甚至配有动图或小视频的微课，不仅可以激发学生的学习兴趣，而且可以提高其利用理论知识解释实际问题的能力。

1.3 热力学翻转课堂与传统课堂教学方法的组合

虽然翻转课堂扭转了传统课堂中学生由被动学习变为主动学习的中心地位，但是不能完全否定传统课堂中讲师讲授的重要作用，也不得不看到翻转课堂的合理设计和有效实施还存在着各种各样需要多方面亟待解决的问题。在热力学部分的教学过程中，根据教学内容特点、教学环境条件和学生学习能力等，可以采取翻转课堂与传统课堂相组合的教学方法，扬长避短，取得好的教学效果。

2 翻转课堂应用于物理化学热力学教学的三个步骤

2.1 翻转课堂的设计

翻转课堂的课前材料可以以各种形式(教科书、网页、微课或视频等)提供，但是最容易操作上手也是应用最多的的形式是有语音旁白的幻灯片(PowerPoint，以下称为有声ppt)。考虑到学生所学的知识，教师将提前用录屏软件制作好的有声ppt和提出的几个与待讲授内容相关的典型问题发给学生。关于提出的问题，注意紧扣教学内容，且教学目的明确、内容清晰，使学生在较短的时间内抓住教师授课内容重点和难点。以热力学第一定律为例，告知学生重点是状态与状态函数、热力学第一定律及恒容热、恒压热、焓的概念及化学反应热效应的计算、可逆过程及可逆体积功的计算等，难点是状态函数的特性与状态函数法的应用，可逆过程的理解和绝热不可逆体积功的计算。微课视频力求短小精悍，避免拖沓冗长或是教学录像的重复，比较简单的方式是将ppt课件配以语音讲解录制成微课。微课的时间控制在15分钟以内，以保证学生在注意力能够高度集中阶段完成课程学习。设计的问题答案在微课中应有迹可循，问题还应具有一定的启发性、总结性和延伸性，控制在3到5个为宜。微课的发布主要利用微信或QQ群等媒介，学生在收到微课视频后，根据自己计划自由观看学习，并将学习效果在线上及时反馈给教师。教师根据学生集中反馈的问题，有针对性的设计课堂翻转活动。

2.2 翻转课堂教学的实施

根据教学内容和学生集中反馈的问题，选择有代表性的作为课堂授课内容的切入点，让学生带着问题认真听讲以得到答案。以热力学为例，教师讲授根据热力学第一、第二定律等公式推导判断过程方向的状态函数判据(如熵判据、亥姆霍兹函数判据和吉布斯函数判据)时，提示性地引入推导条件，使学生顺着教师的思路一步步顺理成章地得到结果，并使学生体会到学习成就感的同时加深记忆效果。对于重点、难点进行详细讲解，并发布提升任务，如习题、案例分析等，实现课堂指导互动，使学生知识内化和巩固。为了加强学生协作学习的能力，通过分组讨论等方式让学生就某个问题进行小组讨论，然后教师对学生讨论结果进行分析。另外在课时允许的条件下，教师请一到两位表达能力较强的学生登上讲台讲解某个热力学知识点，之后随机请听讲学生针对该知识点提出问题，最后由教师进行点评和总结，实现生生互动和师生互动，提高教学效果。

2.3 翻转课堂的评价与反思

翻转课堂的评价包括课堂教学评价和学生学习评价。对翻转课堂的教学评价主要包括对教师课前、课中、课后的教学评价。学生作为翻转课堂学习过程的主体，其学习成效评价也主要包括课前、课中、课后的学习评价。另外可以考虑将教学模式的评价加入到教学评价中，通过合理设置教师教学活动评价、学生学习成效评价和教学模式的评价各自所占的权重，得到最终的教学评价结果。根据评价结果反思在翻转课堂中教师的活动组织、学生的学习讨论和教学模式的实施等环节的改进措施。

3 结语

物理化学中最重要的热力学部分应用翻转课堂教学具有重要意义，需要从多方面考虑到热力学教学内容及微课内容的选择，采用翻转课堂与传统课堂相结合的教学方法，通过对翻转课堂的课前设计、课中实施及课后评价与反思，同时提高教师的教学效果和学生的学习效果。