相平衡的教學(xué)設(shè)計(jì)案例與思考

王女，趙勇，劉兆閱

北京航空航天大學(xué)化學(xué)學(xué)院，北京 100191

相平衡是物理化學(xué)的重要內(nèi)容，相關(guān)內(nèi)容在工業(yè)分離及提純領(lǐng)域有重要應(yīng)用，但學(xué)生理解和掌握有一定的難度。本文以“純物質(zhì)系統(tǒng)相圖分析”為例，從問(wèn)題提出、理論形成、理論應(yīng)用、前沿拓展幾個(gè)方面進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，取得了較好的教學(xué)效果。

1 教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)目標(biāo)

1.1 教學(xué)內(nèi)容

根據(jù)“高等學(xué)校化學(xué)類(lèi)專(zhuān)業(yè)物理化學(xué)相關(guān)教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)要求建議(2020版)”[1]，結(jié)合我校工科專(zhuān)業(yè)物理化學(xué)課程的教學(xué)特點(diǎn)，本章的主要教學(xué)內(nèi)容如圖1所示，包括掌握相平衡的普遍規(guī)律——相律，并會(huì)利用相律來(lái)分析單組分相圖、二組分雙液體系相圖、二組分固液體系相圖，并能夠?qū)⒊橄蟮南嗦膳c實(shí)際現(xiàn)象結(jié)合起來(lái)分析問(wèn)題，用相律來(lái)指導(dǎo)相圖的分析及應(yīng)用[2,3]。其中，純物質(zhì)系統(tǒng)相圖分析是本章第二節(jié)的內(nèi)容，是相平衡一章中承上啟下、至關(guān)重要的一節(jié)內(nèi)容。本部分教學(xué)內(nèi)容旨在讓學(xué)生在深入理解相律的基礎(chǔ)上，會(huì)用相律分析純物質(zhì)相圖，掌握純物質(zhì)相圖的特點(diǎn)。在教學(xué)過(guò)程中，不僅需要學(xué)生掌握純物質(zhì)相圖特征這一新的知識(shí)點(diǎn)，而且對(duì)學(xué)生理解上一節(jié)學(xué)習(xí)的相律在深度和廣度上提出了新要求。教師要幫助學(xué)生逐步理解相律的重要含義，為學(xué)生后續(xù)學(xué)習(xí)相律在二組分相圖中的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

圖1 “相平衡”的教學(xué)內(nèi)容

1.2 教學(xué)目標(biāo)

1.2.1 知識(shí)傳授

(1) 能夠說(shuō)明純物質(zhì)相圖的繪制方法。

(2) 能夠說(shuō)明純物質(zhì)相圖中點(diǎn)、線、面的含義。

(3) 能夠說(shuō)明和利用水的相圖。

1.2.2 能力培養(yǎng)

(1) 能夠繪制簡(jiǎn)單的相圖。

(2) 能夠利用克拉貝龍方程(Clapeyron方程)說(shuō)明相關(guān)規(guī)律。

(3) 能夠在繪制過(guò)程中提出問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題。

1.2.3 價(jià)值塑造

(1) 明確物質(zhì)是第一性的，能夠進(jìn)行分類(lèi)、歸納并推廣應(yīng)用，解決實(shí)際工程及基礎(chǔ)科學(xué)前沿的問(wèn)題。

(2) 能夠解決實(shí)際問(wèn)題、建立模型、主動(dòng)發(fā)現(xiàn)規(guī)律，體現(xiàn)創(chuàng)新思考。

(3) 說(shuō)明中國(guó)科學(xué)家在本領(lǐng)域所做出的杰出貢獻(xiàn)和艱辛歷程，說(shuō)明中國(guó)在化學(xué)、材料等領(lǐng)域在世界科學(xué)舞臺(tái)中的重要作用。

2 教學(xué)設(shè)計(jì)的基本理念與思路

根據(jù)建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論[4,5]，學(xué)習(xí)是引導(dǎo)學(xué)生從原有經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，生長(zhǎng)建構(gòu)起新的經(jīng)驗(yàn)。在教學(xué)過(guò)程中，主要采用“問(wèn)題探究式”教學(xué)理念，按照實(shí)驗(yàn)/現(xiàn)象-理論-應(yīng)用-拓展的思路開(kāi)展教學(xué)活動(dòng)，具體的教學(xué)思路如圖2所示：

圖2 教學(xué)進(jìn)程圖

(1) 問(wèn)題的提出：由生活中常見(jiàn)的相平衡問(wèn)題導(dǎo)入課程。

(2) 理論的形成：水的相圖分析。

在教師的引導(dǎo)和啟發(fā)下，結(jié)合相律，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定數(shù)據(jù)描點(diǎn)劃線的方法繪制水的相圖，通過(guò)分析得出純物質(zhì)相圖的特點(diǎn)及規(guī)律。

(3) 理論的應(yīng)用：舉一反三及知識(shí)拓展。

通過(guò)詳細(xì)分析水的相圖，引申到二氧化碳、硫、碳的相圖，進(jìn)一步驗(yàn)證相平衡理論的正確性和適用條件，使得理論進(jìn)一步合理化，并結(jié)合科學(xué)前沿拓展認(rèn)識(shí)，在解決“老”問(wèn)題的過(guò)程中提出“新”問(wèn)題，引出后續(xù)知識(shí)的內(nèi)容和發(fā)展方向。

3 “純物質(zhì)系統(tǒng)相圖分析”教學(xué)案例設(shè)計(jì)

針對(duì)本單元的教學(xué)難點(diǎn)及重點(diǎn)，結(jié)合化學(xué)是一門(mén)理論和實(shí)驗(yàn)并重的學(xué)科特點(diǎn)，從問(wèn)題的提出、純物質(zhì)相圖理論的形成、純物質(zhì)相圖的分析及應(yīng)用、拓展與思考依次展開(kāi)本節(jié)課的教學(xué)活動(dòng)，通過(guò)各個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)的有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)從知識(shí)傳授到能力培養(yǎng)、到價(jià)值塑造全方位的人才培養(yǎng)目標(biāo)。具體的教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)

(續(xù)表1)

(續(xù)表1)

4 “問(wèn)題探究式”教案設(shè)計(jì)的應(yīng)用效果與教學(xué)反思

4.1 課堂應(yīng)用效果

“相平衡”的理論知識(shí)是工業(yè)分離和提純技術(shù)的基礎(chǔ)，同時(shí)也是物理化學(xué)課程中比較難理解的一部分內(nèi)容，特別是對(duì)于我校材料類(lèi)的學(xué)生，相平衡是其后續(xù)課程“物理冶金原理”“材料現(xiàn)代研究方法”的基礎(chǔ)，學(xué)生普遍反映相平衡理論知識(shí)的掌握難度較大，在針對(duì)“課程難度和理解程度”的調(diào)查問(wèn)卷中，66.67%的學(xué)生認(rèn)為課程的教學(xué)過(guò)程難度適中，33.33%的學(xué)生認(rèn)為課程很難。在近期的教學(xué)活動(dòng)中，經(jīng)過(guò)“問(wèn)題探究式”教案設(shè)計(jì)及教學(xué)實(shí)踐，課堂上明顯能夠感知到學(xué)生的興趣和參與度有所提高，學(xué)生普遍認(rèn)為能夠較好地理解和掌握“相平衡”一章的基本內(nèi)容，能夠根據(jù)相律分析基本相圖，并對(duì)教師的教學(xué)活動(dòng)安排有很高的評(píng)價(jià)。調(diào)查問(wèn)卷顯示，83.33%的學(xué)生認(rèn)為課程的教學(xué)過(guò)程難度適中，認(rèn)為課程較難的同學(xué)比例下降至16.67%。圖3為案例應(yīng)用前后對(duì)照班“相平衡”一章小測(cè)驗(yàn)的正確率對(duì)比圖，發(fā)現(xiàn)改革后每道題的正確率均高于改革前。此外，在經(jīng)過(guò)教案設(shè)計(jì)后的教學(xué)實(shí)踐中，有91.67%的學(xué)生認(rèn)為前沿知識(shí)拓展能夠調(diào)動(dòng)課后學(xué)習(xí)的積極性，從被動(dòng)灌輸轉(zhuǎn)為主動(dòng)學(xué)習(xí)；87.5%的學(xué)生認(rèn)為思政環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)與課程內(nèi)容緊密結(jié)合。因此，應(yīng)用效果對(duì)比充分說(shuō)明了改革后的教學(xué)模式讓學(xué)生在問(wèn)題中學(xué)習(xí)，提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，從知識(shí)傳授、能力培養(yǎng)、到學(xué)生的價(jià)值觀塑造，全方位提升了教學(xué)效果。

圖3 課堂應(yīng)用效果

4.2 教改前后成績(jī)對(duì)比

基于在“相平衡”一章中的教學(xué)改革嘗試的良好效果，教師逐步在其他章節(jié)也開(kāi)展教案設(shè)計(jì)改革，圖4為改革前后學(xué)生的成績(jī)對(duì)比。改革前，對(duì)照班級(jí)的平均分為70.6，優(yōu)秀率(90-100分)為10.25%，良好率(80-89分)為21.79%，及格率為84.62%；改革后，對(duì)照班級(jí)的平均分為75.1，優(yōu)秀率為15.51%，良好率為49.99%，及格率為93.11%。此外，在成績(jī)?cè)u(píng)定方面，增加了前沿拓展討論大作業(yè)，要求學(xué)生根據(jù)學(xué)習(xí)興趣自行選題分組討論(每組2-3人，每人至少要選擇一個(gè)前沿課題)，期末前安排2學(xué)時(shí)的集中展示，由學(xué)生代表展示討論結(jié)果，占期末總評(píng)成績(jī)的10%。87.5%的學(xué)生認(rèn)為該教學(xué)環(huán)節(jié)很適合，并且可以通過(guò)課后調(diào)研學(xué)到知識(shí)?？荚嚦煽?jī)顯示，經(jīng)教學(xué)改革后，學(xué)生成績(jī)的優(yōu)良率和及格率有顯著的提升，這是由于改革后的教案以生活生產(chǎn)中的實(shí)際問(wèn)題或現(xiàn)象為出發(fā)點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生將復(fù)雜的公式和抽象的理論知識(shí)與實(shí)際問(wèn)題結(jié)合起來(lái)，能更好地掌握理論知識(shí)，并具備利用理論知識(shí)分析實(shí)際問(wèn)題的能力，教學(xué)目標(biāo)達(dá)成度較高。

圖4 改革前后的成績(jī)對(duì)比

4.3 教學(xué)反思

根據(jù)教育部提出的“兩性一度”的金課標(biāo)準(zhǔn)，教師在教學(xué)模式上進(jìn)行了很多探索，從傳統(tǒng)的講授式教學(xué)模式到混合型教學(xué)模式、研究型教學(xué)模式、討論式教學(xué)模式、探究式教學(xué)模式等[3,12]，力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)課前、課中、課后，線上、線下全方位教學(xué)手段的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)更好的教學(xué)效果。在本節(jié)課的教學(xué)活動(dòng)中，由于理論具有很好的應(yīng)用場(chǎng)景，采用“問(wèn)題探究式”教案設(shè)計(jì)深入淺出，讓學(xué)生學(xué)習(xí)的注意力更加集中，提高了學(xué)習(xí)的興趣。同時(shí)，有些課程內(nèi)容由于教學(xué)時(shí)間的關(guān)系無(wú)法在課堂上深入展開(kāi)，為了滿(mǎn)足學(xué)生高階性、創(chuàng)新性、挑戰(zhàn)度的需求，在今后的教學(xué)活動(dòng)中，我們還將根據(jù)不同層次的學(xué)生，增加課程內(nèi)容廣度和深度。重點(diǎn)引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)知識(shí)點(diǎn)形成和發(fā)展過(guò)程中的科學(xué)方法，學(xué)習(xí)基礎(chǔ)理論發(fā)展過(guò)程中的邏輯思維。在課程的各大板塊中引入不同深度的案例，引導(dǎo)學(xué)生課后進(jìn)行分析、比較和討論，培養(yǎng)培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力以及創(chuàng)新思維。

5 結(jié)語(yǔ)

基于建構(gòu)主義理論的“問(wèn)題探究式”教學(xué)設(shè)計(jì)，目的在于通過(guò)精心設(shè)計(jì)的環(huán)環(huán)相扣的教學(xué)素材和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕虒W(xué)環(huán)節(jié)，引導(dǎo)學(xué)生從實(shí)驗(yàn)開(kāi)始認(rèn)識(shí)相圖的繪制、相圖的分析、相圖的應(yīng)用，理解相律和相圖的關(guān)系，總結(jié)其特點(diǎn)和規(guī)律，并能夠舉一反三進(jìn)行復(fù)雜相圖的分析。通過(guò)教學(xué)實(shí)踐，在授課過(guò)程中，著重講授如何將實(shí)際問(wèn)題轉(zhuǎn)化成抽象的理論模型，既可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，并且可以培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題、理論聯(lián)系實(shí)際的能力，取得了很好的教學(xué)效果。經(jīng)過(guò)該章節(jié)的教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)和取得的良好教學(xué)效果表明，“問(wèn)題探究式”教學(xué)思路的設(shè)計(jì)可以推廣到本課程的其他教學(xué)板塊，從而形成物理化學(xué)課程深入淺出的教學(xué)體系。