思维构建导向工科《物理化学》混合式教学研究

＊果崇申 周欣 王群 赵美玉 颜美

（哈尔滨工业大学化工与化学学院 黑龙江 150001）

《物理化学》为化学与化工类本科生专业基础课程，同时也为考研课程，课程知识体系庞大并后续分化为多个学科内的方向，同时其支撑后续专业课程学习[1-3]。《物理化学》作为化工相关专业重要的课程之一,其授课质量与学生对其掌握情况决定学生培养质量。然而《物理化学》由于其公式繁多、应用前提严格、逻辑性强、课程内容广、概念抽象等特点一直以来被认为是教师难教、学生难学的课程。在教学实践中，如何提升教学效果一直以来是相关一线教师努力的方向。目前，国内诸多高校开设了《物理化学》线上MOOC学习资源用以扩展与增补线下学习，如天津大学、南京大学、北京化工大学、武汉大学、北京师范大学等高校分别构建了MOOC在线资源[3-5]。线上线下混合式教学模式的优点在于能够拓展学习的时间与空间，线上知识学习可为线下课程提供更多的教学形式选择，如课堂讨论、知识拓展、翻转课堂等。在众多高校降低本科生培养方案学时的情况下，混合式教学模式变为重要的补强手段。然而，针对本门课程特点，以往MOOC学习资源也存在一定的局限，如主要以知识点形式呈现，线上资源章节之间连贯性不强；线上授课对于学习难度较大的《物理化学》课程相比于线下课堂教学效果较差；MOOC学习无法有效解决学生习题能力等，因此构建新型的混合式教学方法十分的迫在眉睫。

1.思维构建导向混合式教学线上学习资源建设要旨

在线资源主要为课堂实录的精品课程以及MOOC课程，可提供学生预习和复习的便利，但对于学生解题指导、深入学习、随时随地习题练习、调动学生积极性等诸多方面还存在不足。诸多MOOC视频过于片段化及难以激发学生兴趣，部分教学照本宣科过于枯燥。理想的线上学习手段应利用现代化和多元化网络手段，抓住当代大学生对网络和移动电子产品的依赖，提供课程视频资源、手机电子书、手机题库软件，构建“实时学，随地学”混合式教学模式，对传统课堂教学起到补充强化的增效作用，激发学生的主动性和创造性，提供学习的便利性，有效地拓展学生学习的时间与空间。针对物理化学学难，做题更难的困境，应开发手机端习题App，并配答案详解，充分调动学生课余时间，“化零为整”的资源整合，提高学生课后自学的便利。目前，天津大学物理化学教学团队实现了手机端的习题库，其配套习题与全国诸多院校的考研试题可通过圣才电子书App在手机端与电脑端进行习题练习。物理化学附属实验课程对于理解课程知识，扩展学生实验能力起着十分重要的作用。如何解决传统实验教学的不足，是目前新工科建设与课程创新改革的重要问题。虚拟仿真实验教学系统具有时空灵活性，模拟实验不受时空的限制，学生可根据自身的学习情况与时间开展实验学习，对学生动手、实践、实验安全等方面提供保障[6-11]。

根据目前混合式教学发展趋势，哈尔滨工业大学化工与化学学院物理化学教学团队构建了多维融合的混合式教学线上学习资源，用以实现多元化的学习模式。

(1)线上课堂资源建设

首先构建了真实课堂实录的电子资源，将名师授课全过程以信息化的形式呈现,供学生课前预学、回顾复习、考前提升等。解决了课上学生跟不上和学不透的问题，为学生提供课下再学习和再认识的资源。相比于模块化的MOOC课程，真实课堂教学更具有连贯性和系统性，并且课堂内容更加生动与鲜活，学生可根据情况定点回访疑点与难点，补缺授课过程中学生遗听与漏听的内容。特色线上资源可以高效的扩展学生学习空间，在特殊期间发挥着重要作用，是对传统课程的有效延伸。

(2)线上思维导构与解题技巧资源建设

本教学团队录制了物理化学解题与知识框架视频资源，同学可通过移动端长江雨课堂资源与物理化学教师主页进行在线观看学习。重点针对本课程解题难，构建的解题思维线上资源有效辅助了深入学习，在学生期末考试与研究生升学考试中发挥了重要作用，解决了在教学实践出现的书读懂但不会做题的矛盾。此外，此线上资源更注重相同与相似概念的章节联系与上下册联系的思维构建。如判定化学反应方向判据△G≤0其应用前提条件为等温等压没有非体积功，由于在上册热力学知识中通常为没有非体积功过程，学生容易形成思维惯性重点去关注等温等压条件。而在下册涉及的光化学反应，如等温等压下自然界中发生的植物光合作用为一△G>0反应。之所以出现貌似判据有误的原因是由于光合作用中存在非体积功光，在此过程中判据应为△G≤Wf，其中等号成立的条件是可逆过程。因此，通过这样实例很好的诠释吉布斯自由能判据的使用条件，以及光化学与热化学之间的区别与联系。此外，通过△H与Qp之间的关系联立热化学与电化学。△H=Qp成立的前提条件为等压没有非体积功。在热力学部分此公式经常被用于反应热与等压热的计算，而在电化学部分由于存在非体积功电功，以上等式不成立，对于可逆电池的热效应需要通过熵的定义式进行求算。

(3)线上特色思政资源建设

思政教育是课程教学的重要环节，国内诸多高校均开展了相关的教学活动，但目前为止的思政线上资源及特色思政教育发展过于缓慢。本教学团队实行了国防导向课程思政建设，以哈工大视频中心提供的“八百壮士”视频纪录片为思政线上学习资源，做哈工大特色的思政教育。秉承我校科研强校，国防强校，保家卫国以己任的特色办学模式去感染学生。以身边可见与熟知老师的事例与科研成果完成“思政在身边”的“零距离”效果，塑造学生“家-国-校”情怀。弘扬我校大国工匠精神，培育有信仰的未来工程师，培养学生爱国主义情怀和坚定投身祖国建设的决心，体现为爱国情怀+奉献精神+民族自豪感。

(4)课程实验线上资源建设

物理化学作为实验学科的基础课程，其附属的实验教学对于学生正确把握基础理论和创新能力培养具有十分重要的意义。然而目前信息化建设主要围绕理论教学，相对而言实验教学网络信息化与虚拟仿真建设相对落后，成为综合信息化建设中的盲区。如何解决传统实验教学的不足是目前新工科建设、课程改革内容中讨论的一个热点。虚拟仿真实验教学系统能高效互动，学生可根据自身的需求和薄弱环节展开物化实验学习，实现预学与复习的便利[12]。同时虚拟仿真平台具有时间与空间上的灵活性，在特殊时期阶段发挥着重要作用。物理化学虚拟仿真实验建设将对学生动手、实践、创新等全面发展起到重要作用。本教学团队依托于本学院国家级化学实验虚拟仿真实验室，开设了物理化学虚拟仿真平台，为课程实验提供预习和预操作支持，学生可以通过仿真平台模拟实验全过程后再预约课程实验，保证实验教学质量及实验室安全。同时为了提供更加便利的实验教学资源，本教学团队还开设了实验教学的微信公众号客户端，提供实验原理讲解，真人实验示范视频，数据处理解析等诸多环节。

2.思维构建导向混合式教学线下学习资源建设要旨

基于以上提及多种在线学习手段对于传统课堂的拓展，线下课堂更应该注重章节串联、精准分类、概念扩展等手段，用于构建特有的物理化学学习思维。

(1)章节知识点串联促进思维构建

首先应构建思维导向明确的课程知识体系。物理化学课程涉及内容较多，很多章节看似分散确又存在内部知识点联系，如何正确的梳理好章节之间的关系是影响课程教学效果的主要因素之一。如物理化学中热力学第一与第二定律为重要知识内容，其扩展与延伸内容为化学势与化学平衡，并且在下册在电化学部分及胶体与界面章节均有体现。如化学势是偏摩尔吉布斯自由能，其引入是对组成可变体系的热力学函数扩展应用，通过化学势可推导出稀溶液的依数性相关公式。同时化学势可判断物理与化学过程的方向与限度，包括化学反应的方向和平衡点。通过化学势推导出计算化学平衡位置的物理量△rGmΘ与方向判据△rGm，而△rGmΘ又可通过热力学基本定律进行求解，因此这三部分内容属于强相关内容。电化学部分对于基本热力学函数、热、功的计算直接关联热力学基本定律，但由于存在非体积功电功又有一定区别。在表界面章节，其对热力学基本关系式引入了表面功的关联项，但整体上与热力学部分的关联性不高，属于弱关联内容。因此，线下课程资源的授课大纲、教材、习题册更应该注重“强相关”内容合并呈现，“弱关联”内容呼应呈现，更加有利于学生对于知识点的整体把握，促进从知识“点”到“线”的衔接。

(2)课程知识分类思维构建

物理化学课程具有前提条件多，公式繁多容易混乱等特点。根据课程特点，线下学习资源与课堂授课应该注重知识分类归纳。如热力学部分内容，需要求算的热力学状态函数变化、功与热会根据不同物理化学过程而利用不同公式与方法。教师授课过程中需要培养学生对知识进行分类的思维，将其分类总结为简单物理变化（P，V，T变化）、复杂物理变化（相变与混合）、化学反应，在应对不同物理化学过程时，首先在思维中呈现出具体的类别，进而导向于这一类别中的具体解题技巧与知识内涵。同时，对于有些章节知识要进行多维分类。如在相图部分，课程呈现的二组分相图较多，应按照温区与组分互溶情况俩个维度首先进行有效分类。根据温区维度将相图分为气-液相图，液-液相图与液-固相图。其次，在根据高温相之间与低温相之间的互溶情况，分为完全互溶，部分互溶与完全不互溶。以上俩个相关分类组合出诸多二组分相图，并且根据二者的各自分类总结一定的规律。最后，对于复杂相图将引入第三个思维维度即形成化合物情况、低共熔混合物与恒沸物等特定情况。当以上三个维度明确以后，对于二组分相图可深入的理解并提升应对未知相图的解析能力。

(3)知识推衍思维构建

线下教学中应该更加注重培养学生举一反三的推衍能力，针对相似知识点、相关理论、类似公式的深入与升华理解，能够在复杂知识点中总结出规律并延伸至其它相关知识点。同时，需要培养学生敢于挑战教材的创新思维与敢于尝试新理论探索能力。笔者在教学实践中，鼓励学生通过化学势推导液体饱和蒸气压随温度变化关系式与压力对液体饱和蒸汽压影响关系式，代替教材中通过克拉贝龙方程获得克-克方程过程。一方面，延伸了化学势的应用，加深了学生对于此物理量的理解。另外，以化学势代替吉布斯自由能进行相关推导存在明显优势，如化学势处理平衡问题更加容易理解，以强度性质化学势推衍强度性质饱和蒸气压不用考虑体系容量，并且利用化学势处理相平衡问题更加直观，推导过程更加严谨，可扩展化学势应用，同时可培养学生敢于创新尝试的思维能力，敢于挑战经典的创新意识。

(4)应用思维构建

物理化学课程可服务于诸多自然学科，且与生产与生活息息相关。课程建设过程中更应该注重知识体系与实际应用的联系教学。注重知识点涵盖应用，应用促进知识点理解的方式。课程授课应注重生活中物理化学知识带动趣味性，以及生产中的物理化学原理体现应用性。引导学生利用所学课程知识解释与分析自然现象，促进学以致用、学以善用、学以乐用。培养学生爱观察、善思考的学习能力，从了解自然现象升华到规律认知。课程成绩中也应该体现对应用方面的考核，调动学生主动寻找物理化学应用的实例，讨论其中自然原理，且深入定性讨论与定量的计算，培养学生解决实际工程问题的能力。注重课程考核环节中增加相应的课程报告与课程设计，改变原有单一试卷式的考核方式，更加容易激发学生的主动性与提升知识的实际掌握能力，实现以应用带理论学习的教学模式，为新工科背景下人才培养做出重要贡献。

3.结语

总之，混合式教学改革应同时兼顾理论教学与实践俩方面的线上资源建设。线上学习资源应从单纯的MOOC学习资源向线上特色思政资源，向在线习题资源与虚拟仿真实验资源等多元化方向发展。线下课程应更加注重培养学生对于知识综合性思维的构建，包括课程整体的逻辑关联、发散扩展、知识分类、联系应用。综合性线上线下混合式教学模式有助于学生在知识获得与思想政治素质培养方面获得积极结果，可在创新人才培养方面做出重要贡献，且对于培养复合型创新人才起到至关重要的作用。