化工專業(yè)物理化學課程線上線下混合式教學的研究

鄭勇，王鑫，王凱，田大勇，牛永生(安陽工學院 化學與環(huán)境工程學院，河南 安陽 455000)

0 引言

化工是社會和經(jīng)濟發(fā)展的主要領域之一，相關(guān)的教育和科研工作得到了國內(nèi)外的高度重視。其中，物理化學課程是廣大本科院校普遍開設的一門專業(yè)基礎必修課，在化工專業(yè)教育教學和人才培養(yǎng)上發(fā)揮著重要作用[1]。該課程采用物理的科學理論和實驗方法對化學反應進行系統(tǒng)研究，旨在揭示分子結(jié)構(gòu)、體系性質(zhì)、反應規(guī)律之間的內(nèi)在聯(lián)系，進一步豐富了化學化工的基礎知識和理論體系，是連接基礎課和其他專業(yè)課的橋梁，也為生產(chǎn)技術(shù)的創(chuàng)新奠定了科學基礎[2-3]。通過課程的學習，學生的理論知識面得到了擴展，提高了邏輯思維和分析解決化工實際問題的能力。

由于物理化學課程具有較強的理論性和抽象性，部分學生在學習過程中無法較好地理解和運用有關(guān)知識，容易產(chǎn)生一定的厭學情緒，不利于提高教學效率[4]。對于任課教師來說，在有限的課堂時間內(nèi)去完成這樣一門專業(yè)性極高的理論課講授，同樣具有較大的難度和挑戰(zhàn)性。這意味著，任課教師不僅需要具備扎實的專業(yè)知識，而且還得擁有過硬的教學能力。在此背景下，如何克服各種主客觀不利因素的影響，有效解決課程教學問題是工作的關(guān)鍵。其中，優(yōu)化課程教學模式、完善并改進教學方法、增強學生的學習積極性是課程改革的主要方向。近年來，隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，一些新的教學方法與手段不斷涌現(xiàn)，特別是以網(wǎng)絡課程平臺、在線教學工具為代表的信息化技術(shù)為傳統(tǒng)的課堂教學提供了更多有效的途徑和機遇[5-6]。

本文從上述背景出發(fā)，針對物理化學課程的教學現(xiàn)狀和化工專業(yè)人才培養(yǎng)需求，深入研究了適用于本課程的線上線下混合式教學模式與方法，有關(guān)工作取得了積極進展并得到了初步應用。

1 課程教學特點與存在問題

物理化學課程主要涵蓋了熱力學、化學平衡、多組分系統(tǒng)、相平衡、電化學、量子力學、界面現(xiàn)象、動力學和膠體化學等重要的化學化工理論知識。其中，熱力學、電化學、動力學、量子力學等內(nèi)容涉及到了較多的概念、專業(yè)術(shù)語和理論公式，有關(guān)內(nèi)容在學習過程中需要運用一定的理論假設、邏輯推理、計算求證方法，這對學生的專業(yè)基礎和思維能力提出了較高的要求。例如，熱力學中體系與環(huán)境之間的熱傳遞、體積功的推導和計算需要學生具備必要的物理學、化學、高等數(shù)學知識，同時還得借助邏輯思維進行推導演算。在統(tǒng)計熱力學、量子力學、物質(zhì)結(jié)構(gòu)等內(nèi)容的講授中，還考察了學生對概率學、原子分子軌道理論、空間結(jié)構(gòu)等知識的了解程度。受制于各種主客觀條件，一些學生無法系統(tǒng)掌握相關(guān)知識和方法，難以做到靈活運用，影響了學習的積極性，對課程教學產(chǎn)生了不利影響。同時，部分學生缺乏足夠的自律性，在上課前后沒有及時進行預習、復習和練習，錯失了查漏補缺的寶貴時間。在此情況下，傳統(tǒng)、單一的課堂教學方法和模式難以滿足實際課程教學與人才培養(yǎng)的需要。因此，轉(zhuǎn)變現(xiàn)有教學模式，利用網(wǎng)絡信息技術(shù)和教學平臺，大力研究并發(fā)展線上線下混合式教學是物理化學課程發(fā)展的必由之路。

2 教學研究

2.1 研究內(nèi)容

(1)課程教學資源的完善與優(yōu)化。充分利用互聯(lián)網(wǎng)絡的信息優(yōu)勢，牢牢把握物理化學學科發(fā)展的前沿，廣泛查閱國內(nèi)外權(quán)威數(shù)據(jù)庫和出版社網(wǎng)站，不斷優(yōu)化并完善教材、課件、試題、視頻、教案、參考書、軟件等線上線下教學資源。在此背景下，將科研領域的新發(fā)現(xiàn)、新理論、新技術(shù)與課程內(nèi)容有機結(jié)合。大力借鑒同類院校的先進教學材料和經(jīng)驗，重點開展物理化學課程規(guī)劃教材、題庫、在線視頻的交流學習。通過上述工作，形成適用于化工類專業(yè)人才培養(yǎng)模式的創(chuàng)新性知識體系。

(2)線下教學方法的改進。在傳統(tǒng)線下教學的基礎上，進一步加強課堂中的師生互動和小組討論。教師根據(jù)課程內(nèi)容和教學目標，利用問答、演示、視頻等形式對學生進行及時的提示和啟發(fā)，促進學生的獨立思考和邏輯思維能力的培養(yǎng)。另外，通過隨堂測驗、問卷調(diào)研、作業(yè)、期中考試等方式掌握課程教學效果和學生學習進展。根據(jù)課程發(fā)展和人才培養(yǎng)的需要，不斷改進線下教學方法。

(3)線上教學平臺的建設。繼續(xù)推動校內(nèi)外各項物理化學課程線上課程平臺的建設和應用，重點開展網(wǎng)絡教學、課程視頻、在線測驗和網(wǎng)上答疑等關(guān)鍵環(huán)節(jié)的教學研究工作。團隊教師根據(jù)課程特點和專業(yè)特長，各司其責，在線上教學平臺的建設上共同協(xié)作，著力解決經(jīng)費、技術(shù)、設備不足的問題，確保相關(guān)平臺的順利運行。此外，積極學習和吸收國內(nèi)外一流的教學理念，積極利用慕課、微課等在線教學新模式，充實線上教學內(nèi)容和方法。

(4)混合式課程教學的設計與實踐。在線上線下課程教學建設的基礎上，對教學內(nèi)容和模式進行系統(tǒng)設計、論證和整合，突破傳統(tǒng)課堂教學在時間、空間和方法上的局限性，形成適用于化工專業(yè)人才培養(yǎng)的混合式課程教學體系。同時，完善相應的考核體系，提高平時成績比重，著重考察學生在課程線上線下教學期間的學習表現(xiàn)。加強混合式教學在課堂內(nèi)外的實踐，重點提高理論知識在生產(chǎn)實習、專業(yè)設計、畢業(yè)實習等實踐環(huán)節(jié)中的應用，在實踐過程中持續(xù)推進課程教學的改革與發(fā)展。

2.2 研究模式與方法

(1)翻轉(zhuǎn)式課堂教學。積極引導學生通過線上和線下課程資源進行課前預習，培養(yǎng)學生自主學習能力。在課堂教學過程中，利用多媒體和網(wǎng)絡技術(shù)優(yōu)勢，增強師生之間的互動，提供更多的時間進行交流和答疑。同時，發(fā)揮學生主體地位，鼓勵學生之間的合作探究，使課堂氣氛更加輕松活躍。例如，在膠體化學的講授中，教師以生活中常見的牛奶、豆?jié){、果凍、墨水、涂料等食品和用品為例，引導學生進行互動討論，分析其中包含的物質(zhì)組成特點和科學原理。從霧霾產(chǎn)生、污水凈化、浮游選礦等自然和生產(chǎn)現(xiàn)象出發(fā)，激發(fā)學生對其中包含的物理化學理論知識的探究樂趣。通過上述教學方式，同時培養(yǎng)學生獨立思考和復習的能力，及時跟進課程的后續(xù)內(nèi)容。

(2)課程在線教學視頻。針對課程內(nèi)容與線上教學特點，積極組織本校師生錄制物理化學課程理論課以及配套實驗課的在線教學視頻。在此基礎上，進一步優(yōu)化了教學內(nèi)容，突出重點難點，加強了例題和實例的講解。例如，在電化學的教學視頻中引入了鋰電池、新能源汽車等實例，同時演示了實驗操作和反應現(xiàn)象，更加形象、生動地傳達了本課程的重要性。其次，將核心課程內(nèi)容制作成微課視頻，在較短的時間內(nèi)傳達并突出重點，起到畫龍點睛的作用。有關(guān)視頻較好地還原了線下課堂教學過程，使學生可以隨時隨地在線觀看，提高了課后的學習效率，有利于鞏固教學效果。

(3)學習通在線教學平臺。利用學習通在線教學平臺的優(yōu)勢，將線下授課與線上預習、小組討論、隨堂測驗、作業(yè)批改等課程教學環(huán)節(jié)進行了有機結(jié)合。通過上述方法，一方面提高學生的學習興趣和積極性，另一方面還能夠提高教師的授課效率，有利于教學資源的共享利用和對外交流。其次，根據(jù)平臺學習的大數(shù)據(jù)對學生的學習情況進行及時統(tǒng)計和分析，為學生進行更為有效的學業(yè)督導和鼓勵，形成教與學的可持續(xù)循環(huán)。

(4)雨課堂在線教學工具。在課堂教學過程中，采用雨課堂在線教學工具對課件、教材、試題等資源進行了優(yōu)化設計。學生可以通過網(wǎng)絡終端實時跟進教學進度，對課程內(nèi)容提出問題、意見，為師生溝通和交流提供了便利。另外，利用雨課堂的語音和視頻直播功能，任課教師還能夠完成課后的在線輔導等工作，學生則可以根據(jù)需要隨時查看影音回放，選擇感興趣的內(nèi)容進行反復學習。

(5)計算機軟件和程序輔助教學。與其他專業(yè)課程相比，物理化學課程涉及到了較多的理論知識、計算公式和分子結(jié)構(gòu)等專業(yè)內(nèi)容，大多較為抽象。根據(jù)課程特點，系統(tǒng)探索和利用相應的計算機軟件和程序進行輔助教學。例如：在線下教學中向?qū)W生講解數(shù)據(jù)作圖、擬合和優(yōu)化時，采用Origin、Excel等軟件進行演示和處理；在講授反應方程式、反應機理和操作流程時，利用MathType、Visio、CAD等軟件進行書寫和繪制；當介紹分子和晶體結(jié)構(gòu)時，通過ChemOff ice、Diamond、CrystalMaker等軟件進行制作和展示。另外，借助網(wǎng)絡技術(shù)和智能終端，開發(fā)適用于線上學習、測驗的小程序和APP軟件，更好地輔助課程教學。

2.3 研究結(jié)果

近年來，團隊教師堅持“以學生為本，教學相長”的教學理念，圍繞化工類專業(yè)的教學特點和人才培養(yǎng)目標，不斷提高了物理化學課程線上線下混合式教學設計水平。首先，加強課程教學內(nèi)容、教學模式和教學方法的改進，根據(jù)本科院?；I(yè)的實際情況融入更為系統(tǒng)化、個性化的教學方案。重點提高了熱力學、化學平衡、電化學和動力學等核心理論知識的講授和應用，促進師生之間線下與線上的互動交流，拓展了教學空間；其次，合理運用線下資料、線上教學資源和平臺，充分發(fā)揮軟件、視頻、動畫、圖片、慕課、微課等多媒體和現(xiàn)代信息技術(shù)的優(yōu)勢，激發(fā)了學生的學習積極性，提高了教學效率。與以往相比，學生不僅掌握了更為豐富的專業(yè)知識，而且進一步體驗到了更多先進的信息化學習方法，擴寬了眼界和能力；另外，通過案例式、啟發(fā)式教學，引導學生自主學習和獨立思考，組織小組討論、團隊協(xié)作等活動提高學生的合作與集體意識。

在此基礎上，針對化工專業(yè)的特點，充分融合線下課堂和線上平臺在教學上的優(yōu)勢，建立了系統(tǒng)的物理化學課程線上線下混合式教學模式和方法。上述工作有力推動了課程建設和教學改革，學生對物理化學課程的學習興趣和理解程度得到了明顯提高，在邏輯推理、專業(yè)實踐方面的能力不斷增強。在疫情防控期間，團隊教師積極響應各級主管部門和學校的要求，充分依靠線上教學資源，提高線上教學的比重，使學生能夠按時參加課程學習，較好地解決了線下教學的不足，順利完成了各項課程教學任務。以團隊教師執(zhí)教的化學工程與工藝、應用化學、環(huán)境工程等化工專業(yè)為例，通過物理化學課程線上線下混合式教學工作的開展，學生的課程平均成績和優(yōu)良率得到了顯著提高，在大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽、課外學術(shù)科技作品競賽、專業(yè)實踐等活動中獲得了新的突破。

3 結(jié)語

本文從化工專業(yè)物理化學課程的教學現(xiàn)狀和存在問題出發(fā)，在傳統(tǒng)課堂教學的基礎上，充分利用信息化技術(shù)的優(yōu)勢，將有關(guān)課程資源和方法進行系統(tǒng)設計、結(jié)合，重點開展了線下教學方法的改進、線上教學平臺的建設、混合式課程教學的設計與實踐。在教學過程中，采用翻轉(zhuǎn)式課堂、在線教學視頻、學習通在線教學平臺、雨課堂在線教學工具、計算機軟件和程序等方式進行了探索。通過有關(guān)研究和實踐工作，形成了具有較強可行性和應用價值的線上線下混合式教學模式與方法。經(jīng)過近年來的努力，學生的課程成績和理論知識水平得到了顯著提高，邏輯思維、專業(yè)視野有了顯著擴展，有力推動了化工類應用型人才的培養(yǎng)。在今后的工作中，需要繼續(xù)與時俱進，不斷豐富課程資源，深化線上線下教學方法的研究。牢牢把握信息化技術(shù)的發(fā)展趨勢，深入優(yōu)化教學模式，加強應用與實踐工作，推動物理化學課程線上線下混合式教學的進一步發(fā)展，為社會培養(yǎng)更多優(yōu)秀的化工人才。