物理化學實驗翻轉課堂教學模式的設計及實踐

李秋艷，王曉軍，朱倩，周穎，錢香蕓

江蘇師范大學化學與材料科學學院，江蘇 徐州 221116

物理化學是從物理現(xiàn)象和化學現(xiàn)象的聯(lián)系入手，來探求化學變化基本規(guī)律的一門科學。物理化學實驗則借用物理的方法來完成化學測試表征任務，是一門多學科交叉的實驗科學。大學物理化學實驗課程(簡稱“物化實驗”)既是對物理化學理論課的驗證及補充，又是本科生必修的一門獨立課程，通過物化實驗課的學習訓練，以期使學生初步了解物理化學研究方法，熟悉物質的物理化學性質和化學反應規(guī)律之間的關系，掌握實驗數(shù)據(jù)的處理及實驗結果的分析與歸納方法，使學生在知識、技能、情感等各方面得到全面的培養(yǎng)?？梢哉f物化實驗是化學化工及相關專業(yè)本科生的一門非常重要的專業(yè)基礎課。

傳統(tǒng)物化實驗的教學方式，是學生提前預習，寫出預習報告，教師上課時再統(tǒng)一講解實驗原理，演示實驗操作步驟，學生按照教師的演示及所講的注意事項完成實驗操作，整個過程學生僅僅體驗了操作步驟，進行了一次驗證實驗，對個中實驗原理、設計思路、為什么如此設計等一知半解，沒有體現(xiàn)和融入自身的設計思想及理念，因而也未能提高自身的動手能力及創(chuàng)新能力?？梢哉f此種教學模式的教學效果不甚理想。教育部關于深化本科教育教學改革全面提高人才培養(yǎng)質量的意見提出，要立足經濟社會發(fā)展需求和人才培養(yǎng)目標，著力打造一大批具有高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度的線下、線上、線上線下混合、虛擬仿真和社會實踐“金課”，積極發(fā)展“互聯(lián)網(wǎng)+教育”，探索智能教育新形態(tài)，推動課堂教學革命。微課、慕課(MOOC)、私播課(SPOC)、虛擬仿真實驗課等這些線上課堂在對傳統(tǒng)課堂提出挑戰(zhàn)的同時，也為“傳統(tǒng)教學模式”向“混合式教學模式”的改革帶來了機遇?！胺D課堂”這種教學模式，便可作為“傳統(tǒng)教學模式”向“混合式教學模式”轉變的一種嘗試[1–3]。王彥沙等以“乙酸解離常數(shù)的測定”為例，研究了翻轉課堂教學模式在大學化學實驗教學中的應用[4]；胡俊平等以“原電池電動勢的測定”為例研究了基于微課的物理化學實驗教學案例設計[5]。翻轉課堂教學模式應用于物理化學實驗中的教學研究還比較少，仍處在探索期，如何做好線上學習與線下學習的銜接工作，如何設計線上教學內容和線下教學過程，如何完善教學評價系統(tǒng)等仍需進一步研究。

為了修正傳統(tǒng)物化實驗教學中的不足，避開傳統(tǒng)物化實驗教學中的弊端，進一步探索翻轉課堂教學模式在物理化學實驗教學中的應用，我們在自制微課的基礎上，選取典型的適合翻轉教學的物化實驗，來源于教材，但不拘泥于教材，非簡單完成課本上的實驗驗證，而是讓學生課下廣泛收集資料，完成實驗創(chuàng)新及設計，課堂交流實踐，以期達到提高學生學習物化實驗的積極性、主動性，培養(yǎng)學生探究實驗新方法，尋找實驗新思路，設計實驗新流程，掌握實驗新原理，培養(yǎng)學生的動手能力、創(chuàng)新能力、實際解決問題的能力，最終取得良好的物化實驗教學效果。

1 物理化學實驗課程翻轉課堂教學模式的設計研究

物化實驗上課人數(shù)少，每班分為幾組，每次十幾個人上課，便于教師與學生的交流互動，物化實驗教學本身的特點決定了其特別適合采用翻轉課堂式教學模式。以江蘇師范大學開設的物理化學實驗課程為例，其中多個實驗都有學生可發(fā)揮的空間，適宜學生去探究、去設計、去創(chuàng)新(具體實驗及創(chuàng)新點列表如表1所示)，因此很適宜教師在翻轉課堂教學設計上做深入的研究。本文以粘度法測高聚物的分子量實驗為例，介紹翻轉課堂教學模式的設計與實施。整個教學設計程序如圖1所示。

圖1 物理化學實驗課程教學設計程序

表1 物理化學實驗及創(chuàng)新點

粘度法測高聚物的分子量，教材中用的是烏氏粘度計[6]，此外還可以用奧氏粘度計(雙管)、單管粘度計，這就留給了學生發(fā)揮的空間，讓他們去查資料去設計，課堂上便可實踐驗證自己的想法。通過學習主體及教材分析，制定出該實驗的教學目標：

(1) 掌握用烏貝路德(Ubbelohde)粘度計測定粘度的原理和方法；

(2) 了解用單管粘度計、雙管粘度計測粘度的方法及優(yōu)缺點；

(3) 了解進行科學研究的一般過程與方法，發(fā)展化學學科核心素養(yǎng)。

然后進行教學微課的設計制作。微課視頻分為兩個，一個包括詳細的實驗原理等教學內容(視頻截圖如圖2)，另一個包括烏氏粘度計的操作演示示范、操作步驟和注意事項(視頻截圖如圖3)。

圖2 實驗原理視頻截圖

圖3 烏氏粘度計的操作示范視頻截圖

學習任務單設計如下：

(1) 請寫出預習報告，包括實驗原理、實驗步驟、數(shù)據(jù)記錄表設計。

(2) 請思考烏氏粘度計中的支管C的作用是什么(烏氏粘度計見圖4)？能否除去C管改為雙管粘度計使用？為什么？

圖4 烏氏粘度計

(3) 還可以用哪種粘度計來測粘度？它跟烏氏粘度計有何區(qū)別，優(yōu)缺點在哪里？請查閱相關資料完成你的創(chuàng)新實驗設計方案，并給出參考文獻。

學習活動組織設計：

實驗班18級2班共48人，全班分為A、B、C、D四組，每次一個實驗室來一組學生12人，12個學生按照“組間同質、組內異質”的原則再分為4個小組，每組三位同學，共同協(xié)作完成實驗任務。

教師將實驗微課、學習任務單通過“課堂派”發(fā)布給學生，學生通過“課堂派”收看視頻，通過學習任務單帶著問題去思考和查資料，設計出自己的實驗流程與步驟，通過手寫拍照或word文件方式上傳實驗設計到作業(yè)系統(tǒng)。教師在后臺實時查看學生作業(yè)提交、視頻收看、學生進入課堂時間、學習時長等情況，做到實時監(jiān)控，及時指導。

教師還需要做大量的調查研究和準備工作。(1) 教師對選定的實驗做文獻調研工作，尋找同一實驗盡可能多的實驗設計方案，弄清每個方案的原理、成敗關鍵、實驗注意事項等，提前做好答疑準備。結合學生提交的實驗設計方案，進行可行性判斷，分析學生方案中出現(xiàn)的問題，若方案不可行，及時給學生指出，安排學生重新修改設計，保證在上課前做好可行方案。(2) 根據(jù)盡可能多的實驗方案，提前做好實驗設備、儀器的準備工作。如表1中所列的幾個實驗，都需要教師提前與實驗員老師做好溝通，及時做好各種備用儀器的準備工作。(3) 課堂上的教學過程設計、教學環(huán)節(jié)時間分配等，寫出課時教學設計方案。對于一個6學時的實驗(240分鐘)，按照傳統(tǒng)的教學模式，教師至少需用一個學時來講解實驗原理，演示實驗操作。新模式設計用1學時的時間讓每組學生簡單陳述他們的設計方案、需要的儀器，教師針對學生設計的方案提出相關問題并給予必要的指導，其他學生亦可對實驗方案進行評論，所有四組學生都匯報完之后，開始進行各自實驗，期間有問題及時與教師交流解決。

教學評價之學生成績評價量表設計如表2所示。

表2 物理化學實驗翻轉課堂教學學生成績評價量表

翻轉課堂的重心和主體是學生，教師做再多的工作、再多的準備，都離不開學生的用心努力。這就要求教師做好對學生的動員工作，要求學生課前要積極觀看教師上傳的微課視頻，以小組為單位，完成學習任務單中教師布置的學習任務及思考題。及時提交預習報告和創(chuàng)新實驗設計方案到作業(yè)系統(tǒng)中，有問題時亦可以在QQ群及課堂派上進行在線問答、師生互動等活動，盡快讓學生適應翻轉課堂的教學模式。最終教學設計的合理與否、教學效果的好壞，還要由物理化學實驗翻轉課堂的實踐來驗證。

2 物理化學實驗課程翻轉課堂教學的實踐研究

實踐采用了對比研究法：18級化學師范的兩個班級，一班設為對照班(48人)，二班作為實驗班(48人)，兩個班級授課教師為同一位教師，對照班采用傳統(tǒng)教學模式進行實驗教學，按照傳統(tǒng)評分方法，滿分100分，預習報告占30%，課堂表現(xiàn)占40%，實驗報告占30%。實驗班按照評價量表給出成績(表2)。通過實驗前、實驗中和實驗后的各類數(shù)據(jù)進行對比，研究得出結論。

實驗班，教師提前兩周發(fā)布預習通知后，學生陸續(xù)登陸課堂派學習，至上課前后臺顯示學生已全部完成視頻學習、作業(yè)提交工作。例如3組學生設計的單管粘度計預習報告部分截圖如圖5所示。他們設計的實驗步驟主要是：(1) 配制聚乙二醇溶液，濃度為40 g·L-1。(2) 在燒杯中加入10 mL蒸餾水，測定水通過粘度計毛細管的時間t0，測三次求平均值。(3) 在燒杯中加入10 mL聚乙二醇溶液，測定溶液通過粘度計毛細管的時間t，測三次求平均值。(4) 繼續(xù)往燒杯中加入5 mL水，即將溶液稀釋后測定溶液通過粘度計毛細管的時間t，測三次求平均值。這樣便可以連續(xù)在燒杯中加入液體，測一系列不同濃度的溶液通過粘度計毛細管的時間。期間有學生通過QQ群提出問題，例如學生問，老師溶液配制的濃度有要求嗎？老師可以按照文獻上設計的方案進行實驗嗎？老師可以設計成這種格式的數(shù)據(jù)記錄表嗎？教師在QQ群里都一一回復。

圖5 學生設計的單管粘度計預習報告(部分截圖)

實驗班課堂上從1組開始匯報各自的實驗設計方案。四個小組中，1、2兩組使用雙管粘度計，3組使用單管粘度計，4組仍采用教材中的烏氏粘度計。期間教師提問其中的原理，包括：烏氏粘度計中的支管C的作用是什么？能否除去C管改為雙管粘度計使用等，學生皆能正確回答?？梢妼W生通過預習，查找資料，對教師留的思考題已理解的非常透徹。各組匯報及學生提問討論完成后，開始各自的實驗。期間有問題時學生亦能及時與教師溝通解決。例如，學生拿到實物儀器，還需仔細觀察毛細管的a、b刻度線在哪里。拿儀器時，教師要提醒學生拿住儀器最粗的支管，不可一把抓。4組設計仍然采用烏氏粘度計，采用連續(xù)加入液體，改變液體濃度的方法，測試不同濃度的液體流過毛細管的時間，由于他們每次加入的液體量比較多，導致最后液體沒過D管處的毛細管，不能使毛細管內液體與下部斷開，教師及時指出問題，讓學生倒掉液體，重新配制所需濃度的溶液，然后從A管加入，重新測量。3組設計使用單管粘度計，可以直接測試燒杯中不同濃度的溶液，測試起來很方便。1、2兩組使用雙管粘度計，每次測完一種濃度的溶液，都需倒掉，重新裝入新液體，而且需要保證每次加入的液體體積相同，不存在連續(xù)加入液體超量的問題，但操作起來稍麻煩?？偠灾?，學生課堂秩序活而不亂，總體效果很好，學生動手操作的積極性很高。

對照班課堂十二名學生，學生交來了預習報告，但內容僅是將實驗課本簡單抄寫一遍，教師講解時若有意提幾個問題，大多學生都答不上來，因為學生寫預習報告時大多不用心，也不清楚重點關注哪些方面，教師也未提前給出預習該注意哪些問題，全靠課堂上重新講解，操作演示，學生機械跟做，教學效果可想而知。

同一個實驗，實驗班與對照班各項平均成績統(tǒng)計，如表3所示。

表3 實驗班與對照班平均成績統(tǒng)計表

采用獨立大樣本(N> 30)，對兩個班級的總平均成績進行平均數(shù)差異顯著性Z檢驗[7]，差異顯著性水平α設為0.05，因檢驗實驗班平均成績是否明顯高于對照班，故用單側檢驗，計算得Z= 3.3 > 1.65，即概率P< 0.05，落入右端小概率區(qū)，即實驗班與對照班平均成績存在顯著性差異，實驗班平均成績明顯高于對照班成績。

實驗之后，通過訪談法，教師也有意訪談了各組組長及成員，問學生是否喜歡這種翻轉課堂式的教學模式？你在實驗過程中有什么收獲？與傳統(tǒng)上課方式比有哪些優(yōu)勢？學生普遍回答更喜歡這種新穎的教學模式，通過預習，學會了如何使用相關數(shù)據(jù)庫檢索文獻，如何進行合理的實驗方案設計，這種模式比傳統(tǒng)教學更富挑戰(zhàn)性，可以實現(xiàn)自己的創(chuàng)新實驗設想。

3 教學反思與總結

翻轉課堂實踐初期，學生在預習上會出現(xiàn)困難，這是長期教學習慣的累積所致，需要逐步改變學生的學習習慣，倡導自主學習，合作學習。這就要求教師做好微課視頻，設計好學習任務單，然后及時做好線上互動引導工作，督促學生做好實驗設計方案，及時給與可行性判斷，做好修改指導工作，若有的小組沒有提出新的設計思路，教師也要幫助他們，引導他們能把書上的實驗原理、實驗流程、設計思路講清楚，相信學生也會有很大的收獲。課堂實踐中也出現(xiàn)了一些問題，例如三人一組，有的同學會一直依賴其他同學的幫助，操作、陳述等一人代勞，這就需要教師嚴格要求并加以引導，組內工作要分工明確，各有側重。

總體來說，翻轉課堂式物化實驗教學，相對于傳統(tǒng)課堂教學，無論是從課前預習、課堂實踐還是從最后的實驗報告，都反映出翻轉課堂的效果要明顯好于傳統(tǒng)課堂教學。翻轉課堂這種以“學”為主、以“授”為輔的新穎教學形式，能夠激發(fā)學生學習的自主性和積極性，有助于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神和思維能力，還可以幫助學生更加深入地理解物理化學原理，對科學研究產生興趣，真正使物理化學實驗教學成為銜接物理化學理論課程與研究生階段專業(yè)研究的橋梁[8]。