“課堂內(nèi)外、線上線下”一體化教學(xué)模式探索與實踐
——以物理化學(xué)課程教學(xué)為例

劉文萍，陳 上，吳賢文，李佑稷

（吉首大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，湖南 吉首 416000）

物理化學(xué)是化學(xué)化工類及相關(guān)專業(yè)的重要基礎(chǔ)課，是從研究物質(zhì)的化學(xué)和物理現(xiàn)象之間的聯(lián)系入手，借助數(shù)學(xué)和物理的理論和方法，來探求化學(xué)變化基本規(guī)律的一門學(xué)科，其概念抽象、公式繁多、理論性、系統(tǒng)性和邏輯性強。這些特點決定了該課程能夠培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)，提高其抽象思維能力以及分析解決實際問題的綜合能力，但同時也使學(xué)生學(xué)習(xí)起來普遍感到困難[1-2]。多年的教學(xué)實踐發(fā)現(xiàn)，物理化學(xué)課程教學(xué)存在三個主要問題：概念抽象難理解、公式多易出錯及理論聯(lián)系實際難。

為了解決物理化學(xué)課程教學(xué)存在的主要問題，2018年初，學(xué)校開始利用學(xué)習(xí)通開展線上、線下混合式教學(xué)。經(jīng)過4年多的探索與實踐，堅持“以學(xué)生為主體，以教師為主導(dǎo)”的教學(xué)理念，遵循“高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度”金課標準，通過教學(xué)資源、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)手段、考評體系等多方位改革創(chuàng)新，建立“課堂內(nèi)外、線上線下”一體化教學(xué)模式，構(gòu)建線上、線下混合式金課。

一 在學(xué)習(xí)通中建立系統(tǒng)、豐富的課程資源

經(jīng)過4年多的積累，在學(xué)習(xí)通建立了系統(tǒng)、豐富的課程資源，為“課堂內(nèi)外、線上線下”一體化教學(xué)模式順利實施提供了保障。制作了143個教學(xué)視頻，總時長2 185min，涵蓋課程主要內(nèi)容及典型習(xí)題解析，用于學(xué)生線上自主學(xué)習(xí)；編撰了1 079道含詳細答案解析的測驗題，涵蓋課程主要知識點，學(xué)生平時容易犯錯、容易混淆的知識點、公式、原理，用于學(xué)生查漏補缺及靈活運用訓(xùn)練；整理收集了352個非視頻資源，用于學(xué)生預(yù)習(xí)、復(fù)習(xí)與拓展。

二 通過典型案例和思政教育元素重構(gòu)教學(xué)內(nèi)容

（一）引入典型案例，化抽象概念為具體實例

以典型案例為導(dǎo)向，化抽象概念為具體實例，精簡、重組教學(xué)內(nèi)容，比如熱力學(xué)第二定律主要是解決變化的方向與限度問題，其中最常用的判據(jù)是吉布斯自由能判據(jù)。學(xué)完這一章，通過典型案例：用化學(xué)熱力學(xué)方法解決石墨變成金剛石的可能性問題，化抽象概念為具體實例，通過以下幾個問題引導(dǎo)學(xué)生學(xué)以致用，進行高階學(xué)習(xí)：①常溫常壓下，石墨能否轉(zhuǎn)化成金剛石？②改變溫度，石墨能否轉(zhuǎn)化成金剛石？③改變壓力，石墨能否轉(zhuǎn)化成金剛石？④至少要加多大壓力石墨才能轉(zhuǎn)化成金剛石？⑤查閱文獻了解高溫高壓（HTHP）法制備金剛石的研究進展。要求學(xué)生課后分組討論，通過詳細地?zé)崃W(xué)計算回答以上問題，所需數(shù)據(jù)自行從熱力學(xué)數(shù)據(jù)表上查閱。

偏摩爾量的概念抽象，很多同學(xué)難以理解，其含義是：在等溫、等壓條件下，在大量的定組成系統(tǒng)中，加入單位物質(zhì)的量的B物質(zhì)所引起廣度性質(zhì)Z的變化值。我們就通過“白酒勾兌”的典型案例，化抽象概念為具體實例。在15℃和大氣壓力下，某酒窖中存有酒10.0m3，其中含乙醇的質(zhì)量分數(shù)為0.96，現(xiàn)欲加水調(diào)制含乙醇的質(zhì)量分數(shù)為0.56的酒。已知該條件下，純水的密度為999.1 kg/m3，乙醇的質(zhì)量分數(shù)為0.96時，水和乙醇的偏摩爾體積分別為14.61×10-6和58.01×10-6m3/mol，乙醇的質(zhì)量分數(shù)為0.56時，水和乙醇的偏摩爾體積分別為17.11×10-6和56.58×10-6m3/mol，試計算：①應(yīng)加入水的體積；②加入水后，能得到含乙醇的質(zhì)量分數(shù)為0.56的酒的體積[3]。在解題之前，首先請學(xué)生回答水的偏摩爾體積的含義是什么？針對學(xué)生的回答，老師不斷修正，直到學(xué)生能正確回答出乙醇的質(zhì)量分數(shù)為0.96時，水的偏摩爾體積為14.61×10-6m3/mol的含義是15℃和大氣壓力下，在大量的乙醇的質(zhì)量分數(shù)為0.96的酒中加入1mol水，該酒的體積增加14.61×10-6m3。然后再引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用偏摩爾量的集合公式、混合前后乙醇的物質(zhì)的量保持不變求得①應(yīng)加入水的體積為5.75m3，②加入水后，能得到含乙醇的質(zhì)量分數(shù)為0.56的酒的體積15.27m3?！鞍拙乒磧丁钡湫桶咐?，既使學(xué)生很好地理解了偏摩爾量的含義及引入偏摩爾量這一概念的必要性，又培養(yǎng)了學(xué)生解決復(fù)雜問題的綜合能力和高級思維。

另有用克拉貝龍方程解決滑冰鞋為什么要裝冰刀的問題；用克-克方程解決高原煮飯要用高壓鍋的問題；用水的相圖解決凍干、風(fēng)干和烘干的技術(shù)路線；用水鹽體系相圖解決愛斯基摩人獲取淡水方法；用原電池電動勢解決金屬腐蝕問題；用動力學(xué)方法解決抗菌素注射時間間隔問題等。

（二）挖掘思政教育元素，踐行立德樹人

把物理化學(xué)學(xué)科發(fā)展簡史、物理化學(xué)家的生平軼事、物理化學(xué)與諾貝爾獎等引入課堂教學(xué)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，愛國熱情和崇尚科學(xué)的精神。例如，首屆諾貝爾化學(xué)獎獲得者范霍夫，他從化學(xué)動力學(xué)開始，進而廣泛地研究熱力學(xué)，特別是有關(guān)稀溶液的滲透壓問題，把化學(xué)動力學(xué)、熱力學(xué)和物理測定統(tǒng)一起來，建立了物理化學(xué)的基礎(chǔ)[4]。為捍衛(wèi)電離理論而奮斗的阿侖尼烏斯，他對電化學(xué)及溶液理論等一系列問題的解釋，在建立現(xiàn)代物理化學(xué)和分析化學(xué)方面起了特別巨大的作用，榮獲了1903年度諾貝爾化學(xué)獎[4]。中國物理化學(xué)奠基人之一的黃子卿先生，他以嚴謹?shù)目茖W(xué)態(tài)度精心設(shè)計實驗裝置，精確測定了水的三相點。黃老告訴學(xué)生和晚輩，“科學(xué)的核心是一個‘新’字：新的理論，新的方法，新的公式，新的技術(shù)，新的數(shù)據(jù)?！币簿褪钦f，要永遠不停止探索和追求[5]。中國膠體科學(xué)的主要奠基人傅鷹先生，在表面化學(xué)的吸附理論方面進行了深入、系統(tǒng)、獨具特色的研究工作，受到國際學(xué)術(shù)界的重視，但他2次婉拒美國優(yōu)厚條件，一心報效祖國，在學(xué)習(xí)傅鷹的科研成果時，更應(yīng)傳承其實事求是、嚴謹細致、不懈探索的治學(xué)精神[6]。

三 建立并完善“課堂內(nèi)外、線上線下”一體化教學(xué)模式

物理化學(xué)課程遵循“兩性一度”線上、線下混合式金課標準，堅持“以學(xué)生為中心”，運用問題探究式教學(xué)法，以問題為導(dǎo)向，由淺入深、由表及里地完成“課堂內(nèi)外、線上線下”一體化教學(xué)，如圖1所示。

圖1 物理化學(xué)課程“課堂內(nèi)外、線上線下”一體化教學(xué)模式

（一）課前——課堂外（線上學(xué)習(xí)通平臺）

教師通過線上教學(xué)平臺發(fā)布課程通知，明確線上任務(wù)，引導(dǎo)學(xué)生線上自主學(xué)習(xí)，自主測驗。

（二）課中——課堂內(nèi)（線下教學(xué)課堂）

充分發(fā)揮混合式教學(xué)優(yōu)勢，教師通過線上教學(xué)平臺活動獲取實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，實時把握學(xué)生學(xué)習(xí)詳情，從而實施針對性的課堂講授。在課堂教學(xué)中應(yīng)做到以下幾點。

1）教師每次課前線上查看測驗統(tǒng)計詳情，對于正確率低于60%的題目線下及時講解，把暴露的問題及時解決，掃清學(xué)生學(xué)習(xí)障礙，增強學(xué)生學(xué)好物理化學(xué)的信心。每次上新課前都會對上次課的重點知識點做總結(jié)復(fù)習(xí)，便于學(xué)生承上啟下，溫故而知新。上新課前有時會給學(xué)生上臺展示線上任務(wù)完成情況的機會，比如講解“石墨能否轉(zhuǎn)化成金剛石”，以激勵學(xué)生有學(xué)好物理化學(xué)的激情。

2）課堂上教師著重把基本概念和基本公式講清楚講透徹，突出重點，突破難點；在講解基本原理時，強調(diào)本學(xué)科邏輯思維方法的建立，理論與實際相結(jié)合，化抽象概念為形象具體事例，使學(xué)生能舉一反三；強調(diào)邏輯推導(dǎo)，避免死記硬背，多做鋪墊性講授，公式使用條件都在推導(dǎo)過程中讓學(xué)生自己歸納總結(jié)；重視課程內(nèi)容框架的建立，讓學(xué)生明白每一章、每一節(jié)是要解決什么問題，它在整個知識體系處于什么位置。每上完一節(jié)，經(jīng)常請學(xué)生猜想下一節(jié)我們將學(xué)習(xí)什么內(nèi)容。

3）以問題為導(dǎo)向，提高學(xué)生注意力，輔以分組討論，加強學(xué)生交流互動。實際教學(xué)中強調(diào)學(xué)生的參與性，而發(fā)表意見的正誤不作為課程考察的依據(jù)，通過不斷地討論互動，學(xué)生解決問題的思路充分展示給教師，教師了解實際情況后，才能有針對性地教，做到有的放矢，再通過啟發(fā)式、層層引導(dǎo)式的剖析，給出解決方案，使學(xué)生理解掌握重難點，建立學(xué)科邏輯思維框架。

4）在教學(xué)中注重幫助學(xué)生建立辯證唯物主義世界觀和運用科學(xué)的方法論，從馬克思主義哲學(xué)思想的角度來分析和認識物理化學(xué)課程的基礎(chǔ)知識、基本原理和基本方法。例如，熱力學(xué)第一定律可表述為“第一類永動機是不可能造成的”。熱力學(xué)第二定律可表述為“第二類永動機是不可能造成的”。這兩個熱力學(xué)定律是不能通過演繹或推導(dǎo)出來，實踐是檢驗真理的唯一標準，迄今為止，第一類、第二類永動機的制造都以失敗而告終，反過來就證明了熱力學(xué)第一、第二定律的正確性。物理化學(xué)中每個公式都有特定的使用范圍和限制條件，這就說明真理是絕對真理和相對真理的辯證統(tǒng)一。常溫常壓下，通過熱力學(xué)計算可知反應(yīng)：石墨（s）→金剛石（s）的△rGm＞0，說明常溫常壓下，石墨不能變成金剛石（s），但當(dāng)壓力大于1.5×109Pa時，石墨（s）→金剛石（s）的△rGm＜0，此時石墨就能變成金剛石（s），從這一典型案例告訴學(xué)生能與不能都是相對的，創(chuàng)造條件就可以把不可能變成可能，現(xiàn)在大家覺得物理化學(xué)學(xué)不好，只是因為還不夠努力，習(xí)題做少了，只要足夠努力，多做題，物理化學(xué)也一定能學(xué)好。在介紹反應(yīng)級數(shù)的測定方法時，積分法數(shù)據(jù)處理簡單，對反應(yīng)級數(shù)是簡單的正數(shù)時，其結(jié)果較好，但當(dāng)級數(shù)是分數(shù)時，很難嘗試成功；而微分法可適用于非整數(shù)級數(shù)反應(yīng)，但要三次作圖，引入的誤差較大，提醒學(xué)生也要一分為二地看待同學(xué)，每個人都有優(yōu)點也有缺點，多看長處有利于同學(xué)和諧相處。在溶膠中加入極少量的可溶性高分子化合物，可導(dǎo)致溶膠迅速沉淀，這是高分子化合物對溶膠的絮凝作用。但在溶膠中加入一定量的高分子化合物，能顯著提高溶膠對電解質(zhì)的穩(wěn)定性，這是高分子化合物對溶膠的穩(wěn)定作用，都是高分子化合物，量少時是絮凝劑，量多時是穩(wěn)定劑，作用完全相反，提醒學(xué)生凡事都要堅持適度原則，防止“過”或“不及”，適當(dāng)?shù)赝嬗螒颍煞潘尚那?，如果沉迷于游戲，就會玩物喪志?/p>

（三）課后——課堂外（線上學(xué)習(xí)通平臺）

教學(xué)中充分利用學(xué)習(xí)通的功能，建立線上學(xué)習(xí)和師生交流平臺，并為線下教學(xué)提供可分析的教學(xué)數(shù)據(jù)，成為實施線上線下一體化教學(xué)的重要手段。課后的線上學(xué)習(xí)活動目的主要在于檢驗學(xué)習(xí)效果，幫助學(xué)生進一步深刻理解概念和理論，并提高實際運用能力。

1）線上每次課后要求學(xué)生完成與本次課內(nèi)容相關(guān)的測驗題，學(xué)生提交后即能看到成績及詳細的答案解析，引導(dǎo)學(xué)生及時查漏補缺，歸納總結(jié)。第一次課就跟學(xué)生說明，課后測驗占平時成績的10%，不是按照測驗成績，而是按照參與次數(shù)計成績，這樣學(xué)生沒有壓力，不把測驗當(dāng)負擔(dān)，而把測驗當(dāng)成查漏補缺的工具，且很樂意運用這一工具，主動請老師把課后測驗設(shè)置成可重復(fù)測驗。每章上完后要求所有學(xué)生同時線上完成單元考試，各單元考試平均成績占平時成績的10%，這樣安排設(shè)計既便于督促學(xué)生每學(xué)一章要進行歸納總結(jié)，及時消化，又便于教師了解真實學(xué)情，有的放矢。

2）線上發(fā)布與本次課程內(nèi)容相關(guān)的作業(yè)，主要是計算題，學(xué)生完成后先自己對照線上課程資料里的參考答案自查，若有問題可線上回看教學(xué)視頻，或習(xí)題講解視頻，或把問題發(fā)布在學(xué)習(xí)通討論里，由同學(xué)或老師線上解答，若沒有問題拍照線上提交，然后同學(xué)間互評，每人互評2份，同學(xué)間作業(yè)互評制度促使學(xué)生必須深度理解所學(xué)知識。每章上完要求學(xué)生歸納總結(jié)繪制思維導(dǎo)圖，督促學(xué)生從內(nèi)在邏輯結(jié)構(gòu)層面整體把握本章節(jié)的主要知識，厘清知識點之間的聯(lián)系，構(gòu)建出完整的知識框架體系，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性，同時還充分調(diào)動了學(xué)生的思維活動，培養(yǎng)了學(xué)生嚴密的邏輯思維能力[7]。

3）線上時常發(fā)布若干與日常生活相關(guān)的討論，引導(dǎo)學(xué)生運用所學(xué)物理化學(xué)原理分析解答，提高學(xué)生理論聯(lián)系實際能力。比如：夏天在絕熱的房間內(nèi)，能否把冰箱的門打開當(dāng)空調(diào)用？手機充放電過程是否為可逆過程？食鹽為什么是融雪劑，尿素可以當(dāng)成融雪劑用嗎？為什么把二氧化碳固體叫做干冰？為什么小液滴都成球形？為什么江河入海處常形成三角洲？對于每個參與討論學(xué)生的回復(fù)，老師都會一一查看，如有問題及時指出。學(xué)有余力的同學(xué)還可進行拓展學(xué)習(xí)，挑戰(zhàn)高階，比如學(xué)完“反應(yīng)級數(shù)的測定法”，可設(shè)計“電導(dǎo)率法測定乙酸乙酯皂化反應(yīng)的反應(yīng)級數(shù)”詳細實驗方案，與老師預(yù)約到物理化學(xué)實驗室按照自己設(shè)計的實驗方案進行開放性實驗；到中國知網(wǎng)查找學(xué)院老師或?qū)W生發(fā)表的有關(guān)動力學(xué)文章。比如李佑稷老師課題組做的各種復(fù)合材料光電催化降解亞甲基藍，彭志遠老師課題組做的各種改性單寧對亞甲基藍的吸附，張帆老師課題組做的各種新型復(fù)合材料對重金屬離子的吸附，余佶老師課題組做的各種茶葉活性成分的浸出，分析總結(jié)他們測定反應(yīng)級數(shù)的實驗思路及方法。學(xué)完“原電池”，可以去了解吳賢文老師課題組做的新能源材料（水系或非水系鋰/鈉/鉀/鋅離子電池、鋅空電池）的設(shè)計、制備、結(jié)構(gòu)表征及應(yīng)用。

4）學(xué)習(xí)通成為學(xué)生和教師可跨時間、跨地域交流互動的平臺。學(xué)生學(xué)習(xí)中遇到問題可隨時發(fā)布到學(xué)習(xí)通討論里，其他學(xué)生或教師會及時解答；學(xué)生可利用學(xué)習(xí)通積極參與課程資源建設(shè)，提供不同解題思路，幫老師糾正PPT內(nèi)容或答案解析中的錯誤；教師可經(jīng)常利用學(xué)習(xí)通發(fā)布學(xué)情問卷調(diào)查，根據(jù)學(xué)生要求適當(dāng)調(diào)整上課進度、內(nèi)容、方式等。

四 改革傳統(tǒng)評價機制，探索和實踐多元評價方法

本課程考核包含過程考核（占40%）與期末考試（占60%）兩部分。過程考核中線下課堂出勤和課堂表現(xiàn)各占20%，線上作業(yè)占30%，線上課后測驗占10%，線上單元考試占10%，線上章節(jié)學(xué)習(xí)和問題討論各占5%，主要考察學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度，線上學(xué)習(xí)和討論的參與度，該比例能充分調(diào)動學(xué)生線下、線上學(xué)習(xí)和討論的積極性。為鼓勵學(xué)生的質(zhì)疑精神，完善線上課程資源，凡是指出老師PPT內(nèi)容或答案解析中錯誤的或提供新的解析方法的學(xué)生，在平時成績總評分上1次加1分，平時總評成績最高為100分。期末采用閉卷考試，主要考察知識的掌握及應(yīng)用情況。該評價方式提高了過程性評價占比，發(fā)揮線上線下混合式教學(xué)優(yōu)勢，有利于提高學(xué)習(xí)效果。

五 “課堂內(nèi)外、線上線下”一體化教學(xué)效果

豐富系統(tǒng)的線上資源，為學(xué)生物理化學(xué)課程學(xué)習(xí)突破難點提供了支撐；線上線下緊密結(jié)合的方式，使教師成為服務(wù)者和引導(dǎo)者；平時注重思維過程，淡化考核結(jié)果，使學(xué)生樂于線上學(xué)習(xí)。4年多線上課程累計瀏覽量達278萬次，選課459人，互動4 597次。最近一期20化師化學(xué)班共135名學(xué)生線上章節(jié)學(xué)習(xí)次數(shù)高達86 500次，人均640次；共發(fā)1 837帖，其中學(xué)生1 440帖，124位學(xué)生自主參與了線上交流互動，指出老師PPT內(nèi)容或答案解析中錯誤5人次，提供新的解析方法7人次。已結(jié)課的學(xué)生要求重新開放線上課程，進行考研復(fù)習(xí)。

“課堂內(nèi)外、線上線下”一體化教學(xué)使學(xué)生主動走向深度學(xué)習(xí)。實施4年多，學(xué)生對物理化學(xué)由開始的畏懼變成喜歡，提高了學(xué)習(xí)成就感，推動其走向深度學(xué)習(xí)，因此期末考試平均分、優(yōu)良率和及格率均明顯提高，見表1，成為不少學(xué)生自我評價掌握最扎實的專業(yè)課，也因此成為大部分學(xué)生考研首選專業(yè)課。16、17、18化學(xué)班41位考上研究生的同學(xué)中有22位選考了物理化學(xué)，占53.7%；16、17、18化師班46位考上研究生的同學(xué)中有33位選考物理化學(xué)，占71.7%，這些研究生中近50%同學(xué)還選擇了物理化學(xué)專業(yè)。

表1 期末考試成績分布表

問卷調(diào)查表明，學(xué)生對“課堂內(nèi)外、線上線下”一體化的物理化學(xué)課程教學(xué)模式認可度高達99.1%，93.9%的學(xué)生認為這種教學(xué)模式比傳統(tǒng)線下教學(xué)模式學(xué)習(xí)效果更好。2019年該課程獲得校優(yōu)秀本科教學(xué)質(zhì)量獎，2021年該課程被認定為校級精品在線開放課程，省級線上、線下混合式一流本科課程。