物理化學“5懂”線上錄播教學

摘 要 物理化學課程內(nèi)容邏輯性強，包含大量的抽象概念和數(shù)學推導，線上教學需保證高度流暢性。針對這一問題，筆者采取多維措施對線上教學進行設計，疫情期間建立了適合物理化學線上教學的“5懂”錄播教學。教學活動突破網(wǎng)絡和時空的影響。

關鍵詞 物理化學 線上教學 錄播 科研 基本理論

中圖分類號：G424? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2021.02.050

"Five Understandings" Online Video-Teaching of Physical Chemistry

LIU Zhaoyue

（School of Chemistry， Beihang University， Beijing 100191）

Abstract Because the course content of physical chemistry is highly logical and includes a large number of concepts and mathematical derivations， the online teaching should be highly fluent. Aiming at this problem， we have taken multi-measures to design online teaching during epidemic and set up a "5-understanding" video- teaching suitable for online teaching of physical chemistry. The teaching activities are not limited by the network， time and space.

Keywords physical chemistry; online teaching; video-teaching; scientific research; basic theory

0 前言

物理化學是北航化學學院化學和應用化學專業(yè)本科生的核心專業(yè)理論課，主要講授化學過程的基本原理和基本規(guī)律，為實際的科研和生產(chǎn)過程提供理論指導。[1]教學內(nèi)容包括熱力學第一、第二定律、多組分體系的熱力學、相平衡、化學平衡、電化學、化學動力學、表面與界面化學以及膠體化學。[2]物理化學課程中的理論是建立在大量抽象的概念、模型以及數(shù)學推導的基礎之上，因此需要縝密地分析和反復地推敲才能理解這些概念的物理意義以及理論適用的體系和條件。[3]由于課程講授的是最基本的理論，學生容易感覺課程內(nèi)容過于陳舊。使學生了解基本理論在科學研究和實際生活中的應用能夠提高學生學習課程的積極性。[4]

在傳統(tǒng)線下教學過程中，邏輯性強的數(shù)學推導需要進行板書，這樣才能夠使學生跟上教學節(jié)奏，更好地理解每一步的物理意義。2020年上半年受新冠疫情的影響，我校物理化學課程不得不采用線上教學模式。線上教學模式主要分為線上直播和線上錄播兩種模式。物理化學課程內(nèi)容中大量的抽象概念和數(shù)學推導，要求線上教學應具備高度的流暢性。對于線上直播教學來說，網(wǎng)速較慢會使學生跟不上教師對概念和公式的推導過程，而網(wǎng)絡卡頓會導致一個數(shù)學推導過程前功盡棄。而且，學生分布在全國各地，網(wǎng)絡情況也受時間或空間的影響，有的學生可能還沒法使用寬帶網(wǎng)絡。上述幾個因素會使學生在直播的某些過程中聽不懂、看不懂公式的推導過程。因此，如何保證線上教學的流暢性是物理化學線上教學的首要問題。

線上錄播的教學課件和視頻能夠使學生學習活動更加靈活和高效。遇到課程中的重難點，學生可以自由地暫停視頻進行思考，或通過反復觀看視頻以及微信群來進行討論。筆者在線下授課的基礎上，通過對課件進行優(yōu)化、錄制教學視頻、在微信群進行翻轉(zhuǎn)課堂、設計例題和作業(yè)以及結合科學研究或?qū)嶋H應用等多維措施使同學們能夠?qū)φn程知識點“看得懂”“聽得懂”“講得懂”“做得懂”以及“用得懂”，建立了適合物理化學線上教學的“5懂”錄播教學。在本文中，筆者對這些教學設計和實踐進行詳細介紹。

1 優(yōu)化課件，使學生能夠“看得懂”

預習和課后復習是線上教學的重要環(huán)節(jié)，應由學生在課前和課后獨立自主完成。因此，翔實、易懂且有針對性的課件資料能夠調(diào)動學生課前和課后學習的積極性和主動性。筆者對線上教學的課件進行了詳細的優(yōu)化，將線下教學中的板書內(nèi)容，如公式的推導和適用條件、重難點、章節(jié)總結以及例題全部植入到課件中，建立了適合本科生自學的課件體系。比如，把不同過程 G的計算方法總結在課件中，便于學生在課后進行總結和自主復習。[5]對于簡單等溫物理過程（dT=0），根據(jù)熱力學基本方程式可知，。而對于任意等溫過程，根據(jù)自由能的定義式可知，。因此，如果已知這個過程的 H和 S，就能計算出此過程的 G。還可以利用 G的物理意義來計算某一個過程的 G。對于等溫、等壓的可逆過程， G等于這個過程所做的非體積功W'，即 G= W'。如果W'=0，顯然 G=0。因此，一個過程 G的計算，可以使用多個方法來計算。這種優(yōu)化的線上課件能夠使學生“看得懂”課程的知識點，提高了自主學習的效率。

2 錄制視頻，使學生能夠“聽得懂”

為了使學生能夠準備掌握課程內(nèi)容，將上述優(yōu)化后的課件錄制成視頻，至少提前一天將壓縮后的視頻上傳至物理化學課程中心和北航云盤供學生下載，保證能夠多渠道獲得學習資料。在上課時間，學生可以連貫地觀看或回放視頻，并提出問題，而不受網(wǎng)絡的影響。視頻中重點強調(diào)課程中所涉及概念、模型以及邏輯推導。比如，“熵”的定義實際上是“熵變”的定義。當始態(tài)和終態(tài)確定后，系統(tǒng)發(fā)生變化的熵變等于可逆變化過程的熱溫熵。“可逆過程”是過程的一個理想模型，是科學的抽象，就像理想氣體是氣體的科學抽象一樣?？赡孢^程實際上就是無限接近的平衡過程。氣體的可逆膨脹和可逆壓縮，氣體處于力學平衡（壓力差無限?。??？赡?zhèn)鳠徇^程，體系處于熱平衡（溫差無限?。?。可逆相變過程（液體在其沸點時的蒸發(fā)或固體在其熔點時的熔化），體系無限接近相平衡。可逆化學反應體系無限接近化學平衡。通常討論的化學平衡（或可逆）以及平衡常數(shù)都是等溫等壓無非體積功下的化學平衡，即。但在有非體積功（比如電功W'）時，化學反應達到平衡（或可逆）的條件是，即電化學平衡。 “化學勢”是熱力學一個重要的物理量，可以用來判斷在無非體積功條件下廣義傳質(zhì)過程的方向，包括物質(zhì)的擴散、流體流動、相變以及化學反應。狹義的化學勢就是偏摩爾吉布斯自由能。在其他變量不變的情況下，某一組分B化學勢（ B）對溫度的偏微商是這一組分偏摩爾熵的負值（-SB）?；瘜W勢（ B）對壓力的偏微商是這一組份的偏摩爾體積。“蒸氣壓”是液體自身的性質(zhì)。對于純液體來說，溫度對蒸氣壓的影響服從克勞修斯-克拉貝龍方程。在溫度不變的條件下，壓力（p）對液體的蒸氣壓（pV）有如下影響：[6]

其中 Vm（l） 和Vm（g）分別為液相和氣相的摩爾體積。由于，因此壓力對蒸氣壓的影響很小。在很多情況下，可以忽略壓力對液體蒸氣壓的影響。通過對視頻的學習，使學生在課堂上能夠“聽得懂”課程的基本知識點、重點和難點，提高課堂學習的效率。

3 利用微信群翻轉(zhuǎn)課堂，使學生能夠“講得懂”

利用微信群翻轉(zhuǎn)課堂來了解學生對知識點的理解程度，以及對知識點的解是否有偏差。每次課筆者會準備10～20個與課程教學內(nèi)容相關的問題進行科學設疑，提前發(fā)布，讓學生帶著問題學習并回答。

對于課程中的重點和難點問題，例如“如何利用化學勢來推導理想液態(tài)混合物的性質(zhì)？”“溶劑和溶質(zhì)的化學勢表達式如何推導？”“多組分體系的熱力學基本關系式如何表達？”以及“熱力學判據(jù)及適用條件”等，邀請學生進行語音講解或手寫拍照來討論，使學生能夠“講得懂”所學到的知識點。老師在學生回答問題之后進行及時點評，掌握學生對知識點的掌握程度并及時糾錯。

4 準備習題和作業(yè)，使學生能夠“做得懂”

習題和課后作業(yè)是課堂教學的延伸和補充，可起到鞏固和應用知識點的作用。[7]筆者會在課堂教學中和學生討論一些具體的例題以及題目中所涉及的知識點，使學生能夠?qū)⑺鶎W習到的知識點應用到具體的實例中。每一章課后，會布置兩次作業(yè)并推送復習題，在規(guī)定的時間內(nèi)通過電子郵件提交，對作業(yè)的共性問題進行討論，目的是使學生能夠運用課程知識點“做得懂”習題。

5 結合科學研究或?qū)嶋H應用，使學生能夠“用得懂”

由于課程主要講授的是化學過程的基本理論和規(guī)律，學生在學習課程的過程中容易感覺課程內(nèi)容過于經(jīng)典和陳舊。實際上，基本理論和規(guī)律對科學研究和實際應用具有重要的指導意義。在線上教學過程中，筆者把科學研究或?qū)嶋H應用與授課內(nèi)容結合。通過揭示其中所涉及的物理化學知識點，使學生認識到物理化學課程的重要性，拓寬學生的視野，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新科研意識。例如，在講到熱力學第二定律中化學反應的 G判據(jù)知識點時，引導學生利用 G判據(jù)來解決水分解反應的方向問題。在學習化學勢概念時，基于化學勢和電化學勢概念來推導科學研究中濃差電池的電動勢和液接電勢。表1是筆者將科學研究和實際應用與授課內(nèi)容結合的具體事例以及所涉及的課程知識點。這些教學設計使學生能夠“用得懂”所學的知識點來解決實際科研問題，提高課程的授課效果。

6 總結

依據(jù)物理化學的課程特點，筆者利用優(yōu)化的課件、錄制視頻、微信群翻轉(zhuǎn)課堂、習題作業(yè)以及結合科學研究等多維措施使同學們能夠?qū)φn程知識點“看得懂”“聽得懂”“講得懂”“做得懂”以及“用得懂”，建立了適合物理化學的“5懂”線上錄播教學模式。學生反饋良好。線上錄播教學效果在學生期末考試成績中有所體現(xiàn)。其中，優(yōu)秀率（90-100分）比例達到38%，良好率（80-90分）比例達到42%，80分以下僅占20%，考試成績達到甚至超過了線下教學。在隨后的線上教學過程中，我們將會探索更多的措施來完善課程教學，使師生都得到更多的收獲和成長。

基金項目：北京航空航天大學線上線下混合式一流本科課程校級立項“物理化學”（北航教字[2020]2號）

參考文獻

[1] 王群，王銳.科研促進近化學專業(yè)物理化學教學探索與實踐[J].大學化學，2016，31（4）：33-38.

[2] 張樹永，侯文華，刁國旺.高等學校化學類專業(yè)物理化學相關教學內(nèi)容與教學要求建議[J].大學化學，2017，32（2）：9-18.

[3] 陳亞芍，寧清茹.思維導圖在物理化學教學中的應用[J].大學化學，2017，32（3）：24-29.

[4] 劉兆閱.利用前沿研究提高物理化學的教學效果[J].化學教育，2018，39（24）：15-19.

[5] 傅獻彩，沈文霞，姚天揚，侯文華.物理化學（上冊）[M].高等教育出版社，2008.

[6] 朱文濤.基礎物理化學[M].清華大學出版社，2015.

[7] 陳益山.物理化學教學改革探索：整合課堂內(nèi)外教學[J].化學教育，2015，36（2）：19-22.