工科大学化学课程的混合式互动教学的实施与探索

＊沈翔 谢静 周成冈

（中国地质大学（武汉）材料与化学学院 湖北 430074）

大学化学是大专院校面向非化学化工类工科专业大一学生开设的一门公共基础课，是化学和工程学科之间的桥梁。这门课程可以开阔学生的化学视野、活跃学生的化学思维、有助于全面构建工科学生的知识体系、培养富于开拓创新的复合型人才[1]。大学化学是物理化学、无机化学和结构化学的综合课程，传统的课堂教学受限于学时数，各部分内容无法深入涉及，加上各部分知识点分散、内容抽象、理论知识深奥，这些给教师讲授带来了实质性困难，传授的知识量有限。其中物质结构、化学热力学、化学动力学章节概念抽象繁杂，不同公式适用条件也不同，大一学生学习起来难以把握重点和深入理解，影响了学生的学习热情和学习效果。这也会造成化学基础较差的学生学习兴趣不高、课程参与度低，加上师生、生生互动交流不充分，不利于培养学生的自主学习能力[2]。这些都导致工科大学化学的教学目标难以实现。

随着信息技术的发展，利用互联网技术开展线上视频公开课、精品资源共享课、大规模在线开放课程已在各高校全面展开。在线开放课程——慕课（MOOC）是高校各教育教学教研组集体智慧的结晶，具有重难点突出、覆盖面广、涉猎领域全、参与人数多的特点，这种全新的现代教学模式丰富拓展了个性化教学的策略和手段[3-6]。建构主义认为，自主学习者在一定的情境下，可以借由教师和人工智能网络的帮助，通过师生间、人机间的互动来获取知识。教师将在线教学和传统课堂教学讲授有机结合，能够实现信息化教育与传统教育的优势互补，帮助学生学会深度学习和自我评价学习效果[7-8]。学生在课前借助在线开放课程进行自主学习，通识性内容可以使用便携式终端利用非固定时段时间学习，重点和难点内容可以借助线上教学视频回放与资料深入理解，学生还可以利用线上章节测试与作业检验和自评学习效果[9-11]。这种“线上+线下”的混合式教学模式遵循以学生为中心的现代教育理念，任课老师通过学生线上学习效果的反馈，有针对性地制定出线下课堂教学策略，通过在课堂上对课程内容重难点的剖析帮助学生完成知识碎片的加工与整合，开展深度学习，最终实现知识创新。

工科大学化学课程的改革与创新不仅对教师在课件组织、课堂把控、知识深度与熟练程度上提出了更高的要求，也是对学生自主学习习惯和学生个体素质能力的挑战。任课教师只有不断提高个人教学能力和水平，积累在慕课环境下改善传统教学方法的经验，才能充分调动学生对大学化学课程的学习积极性、提高学习效率。

1.大学化学混合式教学的设计原则

大学化学C的教学授课课时为48学时，包括热力学和化学平衡（学时12，考试比重25%-30%），化学反应动力学（学时4，考试比重10%-15%），溶液和离子平衡（学时10，考试比重20%-25%），氧化还原反应和电化学（学时10，考试比重20%-25%），物质结构基础（学时12，考试比重25%-30%），在热力学部分，授课老师要引入四个新的状态函数：热力学能、焓、熵和吉布斯函数，其中热力学能和熵有明确的物理意义，热力学焓和吉布斯函数是推演的函数，状态函数的变化量只与始态和终态有关而与变化的途径无关，而吉布斯函数变是判断化学反应进行方向的唯一依据；在这一章节也引入了平衡常数的概念，它反映了在一定温度和标准条件下，化学反应达到平衡时，产物的平衡分压以相应计量系数为方次的幂的乘积与反应物的平衡分压以相应化学计量系数为方次的幂的乘积之比是个常数，平衡常数是化学反应限度的标志，通过比较反应商和平衡常数的大小可以判断浓度、压力和温度对化学平衡的影响。在物质结构基础部分，授课老师将介绍波函数和薛定谔方程，通过介绍量子化的概念引出四个量子数和原子轨道，进一步讲授电子云和原子轨道角度分布图以及核外电子分布的规律，重点讲授共价键的形成和分子的空间结构，重点介绍价键理论和杂化轨道理论。这两个章节引入了很多新的概念，需要同学们记忆和深入理解的难点比较多，虽然在线学习突破了时间和地点的限制，但这些教学若缺少教师的指导，学生就不能很好地安排学习进程和进行知识点的甄别，也无法把握课程内容的重点和难点，很难达到学习目标。“线上+线下”的混合式教学的重要任务是帮助学生学会自主学习，通过要求学生完成线上自主学习内容和线下作业的双重学习强化学生对课程重点和难点内容的理解，教学设计应遵循以下原则：（1）学生是教育教学的中心，所有教学安排均要围绕学生难于理解和掌握的知识点来进行设计；（2）在教学过程中，教师要在课前布置学习任务，并通过QQ群讨论区或学习通[12]结合线下授课内容实时对学生的线上学习给予引导、答疑和监督，并安排学生完成线上单元自测和线下作业强化；（3）根据学生留言获取学生“线上+线下”课堂的学习反馈，有针对性地对学生不易掌握的重难点知识点在线下课堂上进行进一步解惑，对学生的课后作业反映的集中问题进行习题课讲解；（4）教师要结合学生“线上+线下”的学习情况建立过程性评价和实行多元化成绩考核模式，通过适当加大平时成绩的比例提高学生学习大学化学的兴趣，促进学生更好地自主学习。

2.大学化学混合式教学的实施方案与效果

为了提高学生的学习效果，在线学习需要在老师的监督和引导下进行。在每个章节学习开始前，都会在QQ群上发布课程公告、上传教学视频和线下课程PPT，并将课程章节的重点难点知识点和学习要求告诉学生，引导学生明确学习目标和完成学习自评。比如氧化还原反应和电化学章节，这部分内容大一新生在高中时期学习过，但大学化学对此部分内容进行了较大的扩展和深化，因此在配平这类有电子转移化学反应要强调化合价和氧化数的区别，要重点强调吉布斯函数变和非体积功的关系，帮助学生推演电极电位的能斯特方程（相对电池的半反应），强调浓度会影响氧化还原电对的电极电势，进一步结合电池电动势的能斯特方程和热化学的等温方程式推演出氧化还原反应的标准平衡常数和电池电动势的关系式，在此章节授课老师一定要引导学生把整个章节内容串联起来并加强习题训练，最终达到对章节内容的融会贯通。在化学动力学部分，重点要求学生掌握反应历程和基元反应的概念，强调可以根据质量作用定律写出化学反应的速率方程，要求学生重点掌握阿伦尼乌斯方程，了解温度和活化能对反应速率的影响，这部分要学生理解温度对标准平衡常数的影响和温度对反应速率常数的差异性，在此章节授课老师一定要引导学生加强记忆和理解并进行习题自测，最终完成学习目标。在物质结构部分，要求学生多看结构模型来拓展空间立体感，重点要求学生掌握杂化轨道理论，原子轨道杂化可以形成具有更强的方向性和成键能力的新的杂化轨道进而形成更稳定的分子，而对配离子的杂化轨道要结合典型案例促进学生对该部分内容的理解。

学生根据自己的实际情况，按照授课老师布置要重点掌握的章节知识点，自主安排在线学习的时间和进度。在规定时间段内，学生借助慕课平台的教学视频学习课程的核心知识，通过完成练习和单元测试来自评学习效果。而QQ讨论区的发（回）帖数量和课程访问频率有助于加深学生对重点和难点知识的理解。与此同时，教师实时了解参与学生的姓名、人数和互动情况，根据每个学生的学习反馈有针对性地进行帮助，及时解决学生在学习中遇到的问题，确保所有学生完成学习目标。

表1是2019-2020年度第二学期地质工程专业一年级新生大学化学期末考试的成绩，由于2020年上半年所有学生无法返校学习，课程教学主要通过线上直播和慕课的形式来完成，任课教师在课前于QQ群发布预习任务和章节要掌握的重难点内容，在直播过程中考察参与学生的姓名、人数和互动情况，通过线上章节自测实时了解每个学生的学习效果，对易错的知识点和线上课后作业学生反映的集中问题进行PPT讲解，最后通过线上规定时间的期末考试来验证学生的最终学习效果，线上单元自测成绩、线上考勤、章节课后作业完成情况和期末考试成绩按照一定的权重汇总为每个学生的最终成绩。从表中可以看出，经过这样的学习安排71.17%的学生取得了优良的学习成绩，有引导和约束的在线学习显著提高了学生的学习参与度和积极性。21.62%的学生认为线上教学是一种好的教学形式，但对学生的自主学习能力要求较高。7.21%的学生说不太适应这种线上教学方式，认为传统的线下教学课堂能更好地促进学生学习兴趣和积极性。

表1 2019-2020年第二学期地质工程专业一年级大学化学期末笔试成绩

为此，2019-2020年度第二学期针对环境工程专业大一新生安排了“线上+线下”混合式课堂教学，从课堂出勤率、作业完成情况、章节测验正确率、课堂讨论参与度等多个维度对学生的学习进行评价。学生按照任课老师发布的章节学习内容和要求结合教师发送的线上教学视频与PPT，在课前借助慕课平台进行自主学习，并在规定学习时间内把握学习进度和完成线上单元测试自评。任课老师根据学生对重难点内容学习的情况反馈，对易错较难的知识点和章节课后作业学生集中反映的问题进行线下讲解和知识内化。课程采用多模式和全程化的考核模式，学生的成绩评价由线上和线下两部分构成，包括线上章节测试、线下章节作业，平时考勤和期末考试。从表2中可以看出，经过“线上+线下”的混合式教学安排39.42%的学生取得了优良的学习成绩，37.5%的学生适应这种混合式教学的新形式，但需要学生有较高的自主学习能力，22.12%的学生通过混合式教学实践提升了学习活跃度，不及格率降低为零，说明混合式教学提升了学生学习大学化学的兴趣，反映了教师的引导、约束和评价有利于提升学生的自主学习积极性，证明了学生成绩评价体系的改进有助于改善教学质量。

表2 2020-2021年第二学期环境工程专业一年级大学化学期末笔试成绩

3.教学评价与考核方式的优化

教学评价贯穿整个教与学的过程，对调控教学活动具有重要作用。与传统教学相比，混合式是将在线学习和传统教学相结合，教学的教学目标、教学内容和教学组织都发生了巨大变化，其评价机制也要发生重大改变。“线上+线下”的混合式教学要求学生完成很多类型的学习任务，例如线上签到、课堂参与度、在线章节测试、线上视频学习、章节课后作业、期末考试等，教学设计和安排要以学生为中心实行全程化管理，为了保障学生的参与度和提升学生的学习积极性，需要加大平时成绩的比例，将考勤、在线测试和线下作业完成情况都纳入到平时成绩的考核内容，构建以学生为本的多元化的考核模式。针对地质工程大一新生开展了完全线上直播教学和线上考试的教学模式，通过提高线上学习考勤、章节课后作业和单元测试等形式考核内容的比重，优化了平时成绩和期末考试的权重，取得了较好的学习效果。期末考试在中国大学MOOC、腾讯会议等平台上进行，考试合理安排试题难度，注重学生对课程重难点内容的理解，在提高网络教学资源的利用率同时取得了较好的教学效果。而对环境工程大一新生的教学实践表明，混合式教学有助于提升部分化学基础较差、对大学化学的学习兴趣不高的学生的学习积极性和自主学习能力。

4.结语

在面向非化学化工专业的工科大学化学课程教学中，抓住所授课专业学生的知识结构特点，将优质在线课程资源与线下课堂讲授有机结合，弥补了传统大学化学教学课程内容多与课时不足之间的矛盾，提高了大学化学教学的实效性。这种“线上+线下”的混合式教学真正实现了以学生为本的现代教育理念，是培养学生自主学习能力和提升教学质量的有效方法。然而，目前大学工科专业低年级的化学公共基础课一般人数比较多，这对立足于学生自主学习能力和个性化需求的混合式教学是一个大的挑战，同时也对任课教师的知识储备、教学引导和组织以及教学评价方法提出更高的要求，混合式教学模式在大班教学的推广应用还需在教学组织、教学方法和教学评价等方面进行改革创新。