物理化学实验翻转课堂教学模式的设计及实践

李秋艳，王晓军，朱倩，周颖，钱香芸

江苏师范大学化学与材料科学学院，江苏 徐州 221116

物理化学是从物理现象和化学现象的联系入手，来探求化学变化基本规律的一门科学。物理化学实验则借用物理的方法来完成化学测试表征任务，是一门多学科交叉的实验科学。大学物理化学实验课程(简称“物化实验”)既是对物理化学理论课的验证及补充，又是本科生必修的一门独立课程，通过物化实验课的学习训练，以期使学生初步了解物理化学研究方法，熟悉物质的物理化学性质和化学反应规律之间的关系，掌握实验数据的处理及实验结果的分析与归纳方法，使学生在知识、技能、情感等各方面得到全面的培养。可以说物化实验是化学化工及相关专业本科生的一门非常重要的专业基础课。

传统物化实验的教学方式，是学生提前预习，写出预习报告，教师上课时再统一讲解实验原理，演示实验操作步骤，学生按照教师的演示及所讲的注意事项完成实验操作，整个过程学生仅仅体验了操作步骤，进行了一次验证实验，对个中实验原理、设计思路、为什么如此设计等一知半解，没有体现和融入自身的设计思想及理念，因而也未能提高自身的动手能力及创新能力。可以说此种教学模式的教学效果不甚理想。教育部关于深化本科教育教学改革全面提高人才培养质量的意见提出，要立足经济社会发展需求和人才培养目标，着力打造一大批具有高阶性、创新性和挑战度的线下、线上、线上线下混合、虚拟仿真和社会实践“金课”，积极发展“互联网+教育”，探索智能教育新形态，推动课堂教学革命。微课、慕课(MOOC)、私播课(SPOC)、虚拟仿真实验课等这些线上课堂在对传统课堂提出挑战的同时，也为“传统教学模式”向“混合式教学模式”的改革带来了机遇。“翻转课堂”这种教学模式，便可作为“传统教学模式”向“混合式教学模式”转变的一种尝试[1–3]。王彦沙等以“乙酸解离常数的测定”为例，研究了翻转课堂教学模式在大学化学实验教学中的应用[4]；胡俊平等以“原电池电动势的测定”为例研究了基于微课的物理化学实验教学案例设计[5]。翻转课堂教学模式应用于物理化学实验中的教学研究还比较少，仍处在探索期，如何做好线上学习与线下学习的衔接工作，如何设计线上教学内容和线下教学过程，如何完善教学评价系统等仍需进一步研究。

为了修正传统物化实验教学中的不足，避开传统物化实验教学中的弊端，进一步探索翻转课堂教学模式在物理化学实验教学中的应用，我们在自制微课的基础上，选取典型的适合翻转教学的物化实验，来源于教材，但不拘泥于教材，非简单完成课本上的实验验证，而是让学生课下广泛收集资料，完成实验创新及设计，课堂交流实践，以期达到提高学生学习物化实验的积极性、主动性，培养学生探究实验新方法，寻找实验新思路，设计实验新流程，掌握实验新原理，培养学生的动手能力、创新能力、实际解决问题的能力，最终取得良好的物化实验教学效果。

1 物理化学实验课程翻转课堂教学模式的设计研究

物化实验上课人数少，每班分为几组，每次十几个人上课，便于教师与学生的交流互动，物化实验教学本身的特点决定了其特别适合采用翻转课堂式教学模式。以江苏师范大学开设的物理化学实验课程为例，其中多个实验都有学生可发挥的空间，适宜学生去探究、去设计、去创新(具体实验及创新点列表如表1所示)，因此很适宜教师在翻转课堂教学设计上做深入的研究。本文以粘度法测高聚物的分子量实验为例，介绍翻转课堂教学模式的设计与实施。整个教学设计程序如图1所示。

图1 物理化学实验课程教学设计程序

表1 物理化学实验及创新点

粘度法测高聚物的分子量，教材中用的是乌氏粘度计[6]，此外还可以用奥氏粘度计(双管)、单管粘度计，这就留给了学生发挥的空间，让他们去查资料去设计，课堂上便可实践验证自己的想法。通过学习主体及教材分析，制定出该实验的教学目标：

(1) 掌握用乌贝路德(Ubbelohde)粘度计测定粘度的原理和方法；

(2) 了解用单管粘度计、双管粘度计测粘度的方法及优缺点；

(3) 了解进行科学研究的一般过程与方法，发展化学学科核心素养。

然后进行教学微课的设计制作。微课视频分为两个，一个包括详细的实验原理等教学内容(视频截图如图2)，另一个包括乌氏粘度计的操作演示示范、操作步骤和注意事项(视频截图如图3)。

图2 实验原理视频截图

图3 乌氏粘度计的操作示范视频截图

学习任务单设计如下：

(1) 请写出预习报告，包括实验原理、实验步骤、数据记录表设计。

(2) 请思考乌氏粘度计中的支管C的作用是什么(乌氏粘度计见图4)？能否除去C管改为双管粘度计使用？为什么？

图4 乌氏粘度计

(3) 还可以用哪种粘度计来测粘度？它跟乌氏粘度计有何区别，优缺点在哪里？请查阅相关资料完成你的创新实验设计方案，并给出参考文献。

学习活动组织设计：

实验班18级2班共48人，全班分为A、B、C、D四组，每次一个实验室来一组学生12人，12个学生按照“组间同质、组内异质”的原则再分为4个小组，每组三位同学，共同协作完成实验任务。

教师将实验微课、学习任务单通过“课堂派”发布给学生，学生通过“课堂派”收看视频，通过学习任务单带着问题去思考和查资料，设计出自己的实验流程与步骤，通过手写拍照或word文件方式上传实验设计到作业系统。教师在后台实时查看学生作业提交、视频收看、学生进入课堂时间、学习时长等情况，做到实时监控，及时指导。

教师还需要做大量的调查研究和准备工作。(1) 教师对选定的实验做文献调研工作，寻找同一实验尽可能多的实验设计方案，弄清每个方案的原理、成败关键、实验注意事项等，提前做好答疑准备。结合学生提交的实验设计方案，进行可行性判断，分析学生方案中出现的问题，若方案不可行，及时给学生指出，安排学生重新修改设计，保证在上课前做好可行方案。(2) 根据尽可能多的实验方案，提前做好实验设备、仪器的准备工作。如表1中所列的几个实验，都需要教师提前与实验员老师做好沟通，及时做好各种备用仪器的准备工作。(3) 课堂上的教学过程设计、教学环节时间分配等，写出课时教学设计方案。对于一个6学时的实验(240分钟)，按照传统的教学模式，教师至少需用一个学时来讲解实验原理，演示实验操作。新模式设计用1学时的时间让每组学生简单陈述他们的设计方案、需要的仪器，教师针对学生设计的方案提出相关问题并给予必要的指导，其他学生亦可对实验方案进行评论，所有四组学生都汇报完之后，开始进行各自实验，期间有问题及时与教师交流解决。

教学评价之学生成绩评价量表设计如表2所示。

表2 物理化学实验翻转课堂教学学生成绩评价量表

翻转课堂的重心和主体是学生，教师做再多的工作、再多的准备，都离不开学生的用心努力。这就要求教师做好对学生的动员工作，要求学生课前要积极观看教师上传的微课视频，以小组为单位，完成学习任务单中教师布置的学习任务及思考题。及时提交预习报告和创新实验设计方案到作业系统中，有问题时亦可以在QQ群及课堂派上进行在线问答、师生互动等活动，尽快让学生适应翻转课堂的教学模式。最终教学设计的合理与否、教学效果的好坏，还要由物理化学实验翻转课堂的实践来验证。

2 物理化学实验课程翻转课堂教学的实践研究

实践采用了对比研究法：18级化学师范的两个班级，一班设为对照班(48人)，二班作为实验班(48人)，两个班级授课教师为同一位教师，对照班采用传统教学模式进行实验教学，按照传统评分方法，满分100分，预习报告占30%，课堂表现占40%，实验报告占30%。实验班按照评价量表给出成绩(表2)。通过实验前、实验中和实验后的各类数据进行对比，研究得出结论。

实验班，教师提前两周发布预习通知后，学生陆续登陆课堂派学习，至上课前后台显示学生已全部完成视频学习、作业提交工作。例如3组学生设计的单管粘度计预习报告部分截图如图5所示。他们设计的实验步骤主要是：(1) 配制聚乙二醇溶液，浓度为40 g·L-1。(2) 在烧杯中加入10 mL蒸馏水，测定水通过粘度计毛细管的时间t0，测三次求平均值。(3) 在烧杯中加入10 mL聚乙二醇溶液，测定溶液通过粘度计毛细管的时间t，测三次求平均值。(4) 继续往烧杯中加入5 mL水，即将溶液稀释后测定溶液通过粘度计毛细管的时间t，测三次求平均值。这样便可以连续在烧杯中加入液体，测一系列不同浓度的溶液通过粘度计毛细管的时间。期间有学生通过QQ群提出问题，例如学生问，老师溶液配制的浓度有要求吗？老师可以按照文献上设计的方案进行实验吗？老师可以设计成这种格式的数据记录表吗？教师在QQ群里都一一回复。

图5 学生设计的单管粘度计预习报告(部分截图)

实验班课堂上从1组开始汇报各自的实验设计方案。四个小组中，1、2两组使用双管粘度计，3组使用单管粘度计，4组仍采用教材中的乌氏粘度计。期间教师提问其中的原理，包括：乌氏粘度计中的支管C的作用是什么？能否除去C管改为双管粘度计使用等，学生皆能正确回答。可见学生通过预习，查找资料，对教师留的思考题已理解的非常透彻。各组汇报及学生提问讨论完成后，开始各自的实验。期间有问题时学生亦能及时与教师沟通解决。例如，学生拿到实物仪器，还需仔细观察毛细管的a、b刻度线在哪里。拿仪器时，教师要提醒学生拿住仪器最粗的支管，不可一把抓。4组设计仍然采用乌氏粘度计，采用连续加入液体，改变液体浓度的方法，测试不同浓度的液体流过毛细管的时间，由于他们每次加入的液体量比较多，导致最后液体没过D管处的毛细管，不能使毛细管内液体与下部断开，教师及时指出问题，让学生倒掉液体，重新配制所需浓度的溶液，然后从A管加入，重新测量。3组设计使用单管粘度计，可以直接测试烧杯中不同浓度的溶液，测试起来很方便。1、2两组使用双管粘度计，每次测完一种浓度的溶液，都需倒掉，重新装入新液体，而且需要保证每次加入的液体体积相同，不存在连续加入液体超量的问题，但操作起来稍麻烦。总而言之，学生课堂秩序活而不乱，总体效果很好，学生动手操作的积极性很高。

对照班课堂十二名学生，学生交来了预习报告，但内容仅是将实验课本简单抄写一遍，教师讲解时若有意提几个问题，大多学生都答不上来，因为学生写预习报告时大多不用心，也不清楚重点关注哪些方面，教师也未提前给出预习该注意哪些问题，全靠课堂上重新讲解，操作演示，学生机械跟做，教学效果可想而知。

同一个实验，实验班与对照班各项平均成绩统计，如表3所示。

表3 实验班与对照班平均成绩统计表

采用独立大样本(N> 30)，对两个班级的总平均成绩进行平均数差异显著性Z检验[7]，差异显著性水平α设为0.05，因检验实验班平均成绩是否明显高于对照班，故用单侧检验，计算得Z= 3.3 > 1.65，即概率P< 0.05，落入右端小概率区，即实验班与对照班平均成绩存在显著性差异，实验班平均成绩明显高于对照班成绩。

实验之后，通过访谈法，教师也有意访谈了各组组长及成员，问学生是否喜欢这种翻转课堂式的教学模式？你在实验过程中有什么收获？与传统上课方式比有哪些优势？学生普遍回答更喜欢这种新颖的教学模式，通过预习，学会了如何使用相关数据库检索文献，如何进行合理的实验方案设计，这种模式比传统教学更富挑战性，可以实现自己的创新实验设想。

3 教学反思与总结

翻转课堂实践初期，学生在预习上会出现困难，这是长期教学习惯的累积所致，需要逐步改变学生的学习习惯，倡导自主学习，合作学习。这就要求教师做好微课视频，设计好学习任务单，然后及时做好线上互动引导工作，督促学生做好实验设计方案，及时给与可行性判断，做好修改指导工作，若有的小组没有提出新的设计思路，教师也要帮助他们，引导他们能把书上的实验原理、实验流程、设计思路讲清楚，相信学生也会有很大的收获。课堂实践中也出现了一些问题，例如三人一组，有的同学会一直依赖其他同学的帮助，操作、陈述等一人代劳，这就需要教师严格要求并加以引导，组内工作要分工明确，各有侧重。

总体来说，翻转课堂式物化实验教学，相对于传统课堂教学，无论是从课前预习、课堂实践还是从最后的实验报告，都反映出翻转课堂的效果要明显好于传统课堂教学。翻转课堂这种以“学”为主、以“授”为辅的新颖教学形式，能够激发学生学习的自主性和积极性，有助于培养学生的创新精神和思维能力，还可以帮助学生更加深入地理解物理化学原理，对科学研究产生兴趣，真正使物理化学实验教学成为衔接物理化学理论课程与研究生阶段专业研究的桥梁[8]。