以解決實際問題為導向的物理化學教學模式探索

鄭秀君

黑龍江東方學院食品工程學院，哈爾濱 150066

工程教育專業(yè)認證背景下，要求我們在教學活動中始終堅持“產(chǎn)出導向”和“持續(xù)改進”的理念，培養(yǎng)學生解決問題的能力[1,2]。物理化學課程是服務工程類學科的基礎課程，在構筑各專業(yè)知識的應用能力培養(yǎng)過程中起著理論與應用的銜接作用。通過該課程學習，對于學生獨立思考的能力、創(chuàng)新能力都有很好的鍛煉[3,4]。物理化學課程涉及到大量的數(shù)學和物理的知識及方法，學習過程中會運用到物理知識、數(shù)學推理及運算，邏輯性較強。同時，課程包含的知識點又與科研發(fā)展及我們的日常生活息息相關[5-7]。鑒于此，基于成果導向教育(OBE)理念[8,9]，本課程的引入、知識推導、案例引入、例題講解等課上的教學活動以及課后作業(yè)、課后任務布置等課下的教學活動等都要考慮對學生解決問題的能力培養(yǎng)。本文從生活中常見的物理化學現(xiàn)象及案例入手，通過物理化學課程的“章節(jié)預習單”貫穿物理化學課程課上、課下的教學活動，以單組分系統(tǒng)兩相平衡的教學設計為例，從課程導入、教學內(nèi)容設計、小組合作學習任務布置、過程考核、課后反思與持續(xù)改性等方面對物理化學課程改革進行了探索。

1 單組分系統(tǒng)兩相平衡的課程導入

采用問題探究式教學方法，通過學生對身邊生活環(huán)境的觀察，引導、啟發(fā)學生思考、討論，增強學生學習物理化學課程的興趣[10]。比如，在物理化學課程的第一次課(緒論)，為了充分調(diào)動學生的興趣，將后面章節(jié)中涉及到的生活現(xiàn)象，提出的問題展示給學生，引起學生的好奇心，為課程后面章節(jié)中的問題埋下伏筆，在后面課程中帶領學生一一解決。本節(jié)通過以下4個問題進行導入，問題1：為什么冬天松花江中的魚沒有被凍死？問題2：我們知道冰的表面并不十分光滑，為什么穿上冰刀后滑冰會那么順暢、快速？問題3：為什么通過冷凍干燥法能制備美味可口的果蔬干？凍干疫苗是如何生產(chǎn)的呢？問題4：西藏某城市、海邊某城市、0.23 MPa高壓鍋內(nèi)水的沸點分別為92.87 °C、100 °C、124.85 °C，這三個地區(qū)水的沸點不同，如何定量進行解釋呢？

2 單組分系統(tǒng)兩相平衡教學內(nèi)容設計

課上、課下教學活動均以解決實際問題為導向進行設計。將知識、能力、素養(yǎng)有機融合，采用案例教學，從較為簡單的問題開始，引導學生加深對自然現(xiàn)象的本質(zhì)認識，理解和掌握物質(zhì)變化過程中的基本規(guī)律，逐步過渡到能獨立將這些規(guī)律、原理和方法用于分析和解決所遇到的實際問題，使學生具備深入理解和解決實際問題的能力，教學內(nèi)容設計見圖1。課上、課下基于學習通教學平臺開展教學活動。課上通過學習通教學平臺中“活動”里面的“主題討論、隨堂練習、分組任務、選人、投票、提問”等活動省時高效地記錄下各項課堂活動，一并記錄到過程考核中。

圖1 單組分系統(tǒng)兩相平衡教學內(nèi)容設計

每次課提前一天向學生發(fā)放“預習單”。預習單中包括學生課下和課上完成的內(nèi)容，要求學生在本節(jié)下課后及時上交，預習單內(nèi)容見表1。物理化學課程公式多，概念抽象、邏輯性強、推理嚴謹，涉及物理學、高等數(shù)學及化學的一些相關知識，如果學生先期奠定的基礎知識不夠，課上很難聽懂。預習單第一部分為本次課將要用到的知識點，為了保證學生課上能夠跟上教師講課的思路與進度，要求學生課前填寫完成；目的是幫助學生復習回憶知識點，學生通過回憶復習加深對之前知識的理解，為本次課引出新知識奠定基礎。第二部分為本次課學習目標、知識點分解、重點難點；由教師提前在課程預習單里面填寫好，方便學生課上學習；目的是呈現(xiàn)成果目標、知識框架，便于學生思考，同時為小組討論做準備。第三部分為本次課的重點公式的使用條件，教師針對本次課而設計的問題是如何解決的；要求下課前學生填寫后上交；目的是幫助學生鞏固和加深對知識點的理解及應用。同時教師也能及時了解學生對本節(jié)知識的掌握情況，而且提供過程考核記錄。

表1 單組分系統(tǒng)兩相平衡預習單內(nèi)容

3 單組分系統(tǒng)兩相平衡的小組合作學習任務布置

疫情期間，學生們線上學習和在寢室時間相對較長，大家互相之間交流的時間和機會也相對較多。通過小組合作學習和小組討論可以幫助學生理解重點難點以及復習熟練掌握知識點。以調(diào)動學生的主觀能動性作為教學過程的最重要的任務，尊重學生的學習自主性，讓學生從被動的知識接收者轉變?yōu)橹鲃拥闹R尋求者。通過小組合作學習，充分調(diào)動學生參與度。小組合作學習包括課上和課下兩種模式，分別見圖2和圖3。課上教師在講解完后，針對所講解知識點設計問題，引導學生思考，學生通過小組討論的方式，解答教師提出的問題。以“單組分系統(tǒng)兩相平衡”為例，布置的課上小組討論內(nèi)容見表2。課下在小組合作學習過程中，學生通過反復探討、深入思考、互相啟發(fā)、通過多次的對課程內(nèi)容的接收、思索、反饋，不斷修正、補充，加深鞏固自己對課程內(nèi)容的理解和領會。在學習通教學平臺中“活動”布置“分組任務”，通過教師評價、組內(nèi)互評、組間互評方式開展課下小組合作學習，一并記錄到過程考核中。

通過課上小組討論的方式反饋教師提出的問題，為了讓學生積極響應教師提出的問題，針對每個問題開展小組討論后，每個小組要派代表向全班同學展示本小組的討論結果。向137名學生進行了“物理化學課程教學過程中，你希望教師通過哪種方式引出課程新知識”的問卷調(diào)查。其中25.5%學生希望教師完全基于舊知識點的延伸和擴展，由淺入深啟發(fā)學生思考和討論逐步引出新知識；48.2%學生希望教師針對生活、生產(chǎn)中的物理化學現(xiàn)象或者案例提出問題的方式啟發(fā)學生思考和討論，利用知識點的銜接逐步引出新知識；26.3%學生希望教師通過知識點的銜接，啟發(fā)學生思考和討論，逐步引出新知識。

以單組分系統(tǒng)兩相平衡的教學設計為例，教學大綱中該內(nèi)容為1學時(45 min)，所涉及到的各個環(huán)節(jié)包括課程導入、教師重點講授、課上小組學習任務的小組討論及結果匯報等，時間分配見表3。每1學時，教師針對生活、生產(chǎn)中的物理化學現(xiàn)象提出問題或者案例不超過4個。相似的問題或者案例可以安排為小組課下小組合作學習的內(nèi)容。

圖2 課下小組合作學習模式

圖3 課上小組合作學習模式

表2 單組分系統(tǒng)兩相平衡課上小組討論內(nèi)容

表3 單組分系統(tǒng)兩相平衡各個教學環(huán)節(jié)時間分配

4 過程考核

在成績考評中增加了學生自主思考與團隊協(xié)作相結合的比重，將該部分滲透到課上和課下的各個環(huán)節(jié)中。對所有學生參與課堂教學的行為包括小組討論、小組作業(yè)、課程階段總結、平時測驗、課程小論文等都給予評價，各種表現(xiàn)都計入成績，包括課上和課下考核。過程考核通過學習通平臺同步進行記錄。以學習通教學平臺中“活動”的形式開展學生課上的小組討論，以學習通平臺中“作業(yè)”的形式對課下學生參與課堂教學的行為包括小組作業(yè)、課程階段總結、平時測驗、課程小論文等。每項內(nèi)容提前在平臺中設置好分數(shù)，便于定量統(tǒng)計后進行折算。

課上考核包括每節(jié)課預習單(課上部分)、出勤、提問、課堂發(fā)言、小組討論、課前小測試6部分組成。課下考核包括每節(jié)課預習單(課下部分)、每節(jié)線上“超星學習通”任務點、繪制每節(jié)每章的思維導圖、每章線上測試、小組作業(yè)、課程階段總結、課程小論文7部分組成。其中對于課程小論文，教師僅給出一些選題的提示，并不限制學生的思考范圍，學生可以自行選擇自己感興趣的物理化學小問題，或者結合自己在參與科研實踐中遇到的實際問題中的物理化學知識展開分析和討論。

5 課后反思與持續(xù)改進

課程通過提出4個問題進行課程導入，使學生帶著疑問學習，激發(fā)學生的求知欲和好奇心。在講授克拉佩龍方程過程中，結合凍干疫苗的冷凍干燥法案例，引入科學家精神，學習科學家們勇攀高峰敢為人先的創(chuàng)新精神，集智攻關團結協(xié)作的協(xié)同精神，達到了課程思政的目的。在教授本節(jié)內(nèi)容的過程中，學生能夠在教師帶領下積極參與到課程教學活動中來，小組內(nèi)積極思考，互相討論教師提到的問題。學生自始至終都能夠保持旺盛的求知欲和探究性學習的主動性。在克拉佩龍方程的基礎上分別討論固-液兩相平衡、液-氣兩相平衡、固-氣兩相平衡三種情況引出了克拉佩龍-克勞修斯方程。講授推導克拉佩龍-克勞修斯方程公式的過程中，要重點強調(diào)引入的條件(液-氣兩相平衡、固-氣兩相平衡)，這樣學生才能充分重視到公式的使用條件。通過小組討論活躍課堂氣氛，充分調(diào)動學生參與度，鍛煉學生的表達能力、人際交往能力和團隊合作能力。

6 結語

本文以單組分系統(tǒng)兩相平衡的教學設計為例，從課程導入、教學內(nèi)容設計、小組合作學習任務布置、過程考核、課后反思與持續(xù)改性等方面對物理化學教學方法提出改革和建議。

在發(fā)揚傳統(tǒng)教學體系優(yōu)勢的基礎上，結合物理化學課程特點，通過小組合作學習的方式，以解決實際問題為導向布置課上與課下的學習任務，充分調(diào)動學生參與度，能夠獲得良好的教學效果。