智慧校園環(huán)境下物理化學理論課程創(chuàng)新教學模式研究

胡煒杰 陳亞舉 黃敏 康新平 王寒露 李凝

摘要：物理化學是化學、化工、材料、食品等相關(guān)學科的基礎(chǔ)課程，可為學生掌握專業(yè)知識和開展相關(guān)產(chǎn)業(yè)科學研究、生產(chǎn)應用等活動提供重要理論指導。在當前國家大力推進教育信息化背景下，本文概述智慧校園在高校教育方面的應用，分析物理化學理論課程現(xiàn)有教學模式和探索智慧校園環(huán)境下物理化學理論課程的創(chuàng)新教學模式。創(chuàng)新教學模式的提出可為增強物理化學理論課程教學成效、提高學生綜合能力提供理論支撐。

關(guān)鍵詞：物理化學；理論指導；智慧校園；教學模式；綜合能力

中圖分類號：G642文獻標識碼：A

隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算等信息技術(shù)的快速發(fā)展，其在教育領(lǐng)域的應用潛能被不斷深挖。由此產(chǎn)生智慧教學、智慧校園等教學新形態(tài)［12］，開啟數(shù)字化教育的新篇章，彌補傳統(tǒng)教育教學形式的局限性。智慧校園是以人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等相關(guān)應用服務(wù)系統(tǒng)為支撐，將信息技術(shù)要素不斷融入教育教學、學術(shù)科研、校園管理、師生交流等方面，為師生提供個性化、便捷化服務(wù)，增強教育教學綜合成效，是高校信息化發(fā)展的高級形態(tài)［34］。我國高度重視數(shù)字化教育，出臺《教育信息化2.0行動計劃》和《中國教育現(xiàn)代化2035》等政策文件，要求推動信息技術(shù)與教育教學深度融合，加快智慧校園建設(shè)，推進教育信息化進程。

物理化學是以物理原理和實驗技術(shù)為基礎(chǔ)，研究化學體系性質(zhì)和行為的一門學科，與居民日常生活、工業(yè)生產(chǎn)研發(fā)息息相關(guān)，是化學、材料、醫(yī)藥、生物與食品等專業(yè)學生的必修基礎(chǔ)課，具有極其重要的地位。由于物理化學理論課程教學內(nèi)容較晦澀，傳統(tǒng)教學模式下該課程存在學生學習進度與教學進度不匹配、學習積極性不高等問題，不利于學生的綜合素質(zhì)培養(yǎng)。本文概述國家加強智慧校園建設(shè)背景下智慧校園建設(shè)情況，分析現(xiàn)有高校物理化學理論課程教學模式及改革需求，探索智慧校園環(huán)境下的物理化學理論課程創(chuàng)新教學模式，以強化學生綜合能力培養(yǎng)。

一、智慧校園在高校教育教學的應用分析

（一）智慧校園基本特征與創(chuàng)新改造

我國智慧校園是在信息化時代和國家貫徹實施創(chuàng)新驅(qū)動戰(zhàn)略背景下，基于創(chuàng)新是引領(lǐng)發(fā)展的第一動力理念而誕生［5］。運用互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、人工智能等新型信息技術(shù)，對高校教育教學、學術(shù)科研、校園管理、生活服務(wù)等方面的軟硬件基礎(chǔ)設(shè)施進行技術(shù)改造和嵌入，如校園門禁系統(tǒng)、教室信息系統(tǒng)、學習軟件、班級系統(tǒng)、高校特色電子考卷等。通過收集高校師生在上述應用方面的使用及反饋情況，生成數(shù)據(jù)報表并發(fā)送給相關(guān)管理人員。在分析數(shù)據(jù)變化內(nèi)涵與存在問題后，對校園教學、科研、管理、生活等方面的工作模式與管理機制進行智慧化創(chuàng)新。智慧校園在教育教學方面的創(chuàng)新改造是教育工作者尤為重視的，智慧校園在教育教學方面的創(chuàng)新改造［67］主要體現(xiàn)在以下三方面。

（1）教學環(huán)境智慧化。鼓勵教師運用各種智能教學平臺、學習軟件（如慕課、超星學習通）等，利用其豐富的數(shù)字化教學資源和學習資源，安排學生進行課程預習、知識講授、知識考察、學習難點和意見收集等。同時，運用智能攝像頭、后臺數(shù)據(jù)監(jiān)測等手段監(jiān)控教師授課與學生學習過程。采用現(xiàn)代信息技術(shù)及設(shè)備為高校師生創(chuàng)造良好的智慧化、信息化教學環(huán)境，提供良好的授課與學習基礎(chǔ)。

（2）教學理念現(xiàn)代化。智慧校園的建設(shè)目的是創(chuàng)新教育機制和培育創(chuàng)新創(chuàng)造人才，貫徹創(chuàng)新驅(qū)動和人才強國戰(zhàn)略。這要求教學過程以學生為中心，圍繞學生成長需求開展課前教案設(shè)計、課中教學規(guī)劃、課后教學評價等活動，強調(diào)因材施教，注重學生學習能力、創(chuàng)新思維和道德品質(zhì)等培養(yǎng)，促進學生全方面發(fā)展。

（3）教學方式智能化。利用大數(shù)據(jù)和人工智能等技術(shù)收集學習反饋數(shù)據(jù)，并對其進行智能分析，展現(xiàn)該課程學生的整體學習情況與每位學生的興趣方向、學習能力、課程學習進度等學習特征。借助智能教學平臺和學習軟件豐富的數(shù)字化學習資源，為學生提供基于個性化、差異化的學習指導方案，促進學生的個性化全方面發(fā)展。

（二）智慧校園教學模式案例分析

智慧校園本質(zhì)上是一個時代發(fā)展的產(chǎn)物，運用互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等現(xiàn)代信息技術(shù)進行教育新模式探索、開發(fā)和應用，充分利用各種學習資源，強化創(chuàng)新人才培養(yǎng)成效。其中，利用智能教學平臺開展線上線下混合式教學是常見的一種教學模式。以利用中國大學慕課開展物理化學理論課程教育為例［8］，首先，教師在慕課注冊特定班級并讓學生加入，借用平臺的教學資源或自制授課視頻，附上相應的電子閱讀材料與習題，學生則在線學習課程知識。其次，教師對重點知識內(nèi)容進行歸納整理，實時幫助學生理解課程知識點，學生通過公共發(fā)言頻道開展線上討論和答疑。最后，教師通過整理線上課堂的學生學習反饋，具有針對性地調(diào)整線下授課方案，以獲得更好的教學效果。

以物理化學課程中化學熱力學的知識點“研究化學反應速率和反應機理以及外界條件”為例，慕課可以通過動畫視頻為學生講述該方面知識的生活應用實例和前沿應用研究進展，在幫助學生初步了解知識點的同時，激發(fā)學生的學習興趣，使學生樹立強大的民族自信感。在講解具有抽象性的物理化學定律和基本概念、公式時，能夠借助動畫視頻和線下板書、語言講解，使其具體化，更好地加深學生對定律、概念的理解與掌握。

二、物理化學理論課程現(xiàn)有教學模式分析

由于各高校的教育信息化進程和智慧校園建設(shè)情況不一，課程教學與現(xiàn)代信息技術(shù)的結(jié)合度普遍較低，促進深入了解物理化學課程的教學模式仍存在信息技術(shù)應用不足、課程內(nèi)容枯燥無趣等問題［910］，主要體現(xiàn)在以下方面。

（一）教育資源利用不充分

高校教師進行物理化學理論課程教學時仍以板書與PPT課件為主，對于多媒體、智能教學平臺等現(xiàn)代信息技術(shù)和教育資源的應用程度較低。由于物理化學涉及熱力學、動力學、電化學、膠體化學等概念較復雜抽象的知識內(nèi)容，枯燥無味的板書與文字眾多的PPT課件難使學生深刻理解知識點。

（二）學習引導力度不足

由于物理化學課程包含理論內(nèi)容多、涉及知識面廣、概念復雜抽象。課程知識學習和理解難度較高，需要學生提前對課程知識進行預習才能在理論教學課堂中跟上教師授課進度，理解教學內(nèi)容。然而，多數(shù)物理化學教師在引導學生進行課前預習工作方面存在引導效果差的問題，學生對課程預習方向把握度低、知識重難點范圍不清晰，導致物理化學課前預習效果較差，課堂知識學習較難跟上教師進度。

（三）教學過程枯燥乏味

例如，物理化學理論課程中，卡諾循環(huán)章節(jié)涉及等溫過程和絕熱過程內(nèi)能、功和熱量的變化等，概念抽象且公式繁雜。傳統(tǒng)的板書與PPT課件教學模式難以清晰明了地表現(xiàn)以上知識點。同時，教師的語言組織能力、表達能力、想象引導能力不盡相同，在引導學生理解、掌握知識方面存在整體教學過程枯燥、學習興趣不高、教學效率較低等問題。在課后作業(yè)布置及講解時也多圍繞教材進行，拓展課程知識的輔助教材及其他學習資源應用較少，難以激發(fā)學生的學習興趣。

三、基于智慧校園的物理化學理論課程創(chuàng)新教學模式探索

在國際實施《區(qū)域全面經(jīng)濟伙伴關(guān)系協(xié)定》（RCEP）和國家推動智慧校園建設(shè)背景下，我國各高校應積極響應國家戰(zhàn)略政策，加快智慧校園建設(shè)和各專業(yè)課程的教學模式創(chuàng)新，加快創(chuàng)新創(chuàng)造人才培養(yǎng)，堅定實施創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略和應對國際經(jīng)濟貿(mào)易變動帶來的挑戰(zhàn)。物理化學教學情況關(guān)系到化學、化工、材料和醫(yī)藥等專業(yè)學生的整體綜合素質(zhì)培養(yǎng)，影響相關(guān)產(chǎn)業(yè)的后備人才隊伍建設(shè)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展。我國高校應積極探索基于智慧校園的物理化學理論課程教學新模式，強化現(xiàn)代信息技術(shù)應用，增強物理化學教學成效，促進學生人才培養(yǎng)質(zhì)量提升。如下圖所示，基于智慧校園的物理化學理論課程創(chuàng)新教學模式構(gòu)成可分為以下三方面：

基于智慧校園的物理化學理論課程創(chuàng)新教學模式結(jié)構(gòu)圖

（一）健全學習引導機制

高校物理化學教師應根據(jù)課程教案為學生劃定預習重點（如卡諾循環(huán)的等溫過程內(nèi)能、功和熱量的變化等），推薦學生到慕課、超星學習通等智能學習平臺，通過視頻、動圖等方式提前進行課堂預習。建議學生利用Xmind等思維導圖軟件將物理化學預習內(nèi)容制作成思維導圖，進而實時梳理知識要點，以提高預習效果和更好地跟上課堂授課進度。教師應充分利用智能學習平臺及其他學習資源，通過生動形象、趣味性高的數(shù)字教學資源幫助學生理解抽象概念、定理規(guī)律和公式的推演等，并提高學習興趣，引導學生用記憶和理解效率較高的圖像法理解物理化學知識內(nèi)容。此外，教師應周期性劃分物理化學重要知識點及其內(nèi)容范圍，供學生進行課后復習及知識點歸納和整理。

（二）完善課堂討論交流制度

課堂中的討論交流能夠了解學生在課堂學習過程中遇到的問題并幫助其解決，同時能夠鍛煉學生的交流能力。物理化學教師應完善物理化學課堂討論交流制度，在利用智能教學平臺、板書、PPT課件開展線上與線下混合教學過程中，預留時間讓學生互相討論課堂知識難點與問題。由智能程序或教師收集學生對當前課堂內(nèi)容的疑問，通過當堂講解或歸納整理后留待下節(jié)課堂講解，幫助學生及時解決學習問題。同時，鼓勵學生開口將自己的學習問題表達出來并與其他同學討論交流，增強學生的思維發(fā)散、溝通交流和問題解決等方面能力。

（三）強化課后教學反思

教師充分利用人工智能、智能攝像頭等現(xiàn)代信息技術(shù)，收集線上與線下教學過程中學生的學習情況、難理解知識內(nèi)容及范圍、開小差頻率等數(shù)據(jù)，通過智能分析得到數(shù)據(jù)報表。同時，定期通過郵箱留言、線下咨詢、微信交流等方式收集學生對于課堂教學的改進建議，包括其他智能學習平臺推薦、輔助教材應用、課程知識相關(guān)應用及發(fā)展程度介紹、教學方式改變等，及時進行教學反思，并完善課堂教學模式。通過以上方式，同時堅持圍繞學生發(fā)展需求為中心的現(xiàn)代教育理念，構(gòu)建智慧校園的物理化學理論課程創(chuàng)新教學模式，可有效增強教學成效和促進學生綜合能力提升。

結(jié)語

物理化學作為化學、化工、材料、環(huán)境工程、生物與食品等專業(yè)的一門重要基礎(chǔ)課程，對于該產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的科學研究、生產(chǎn)應用具有重要理論指導作用。在國家大力推進教育信息化進程和國際RCEP生效背景下，本文通過分析智慧校園教學教研方面的應用與改造現(xiàn)狀，指出物理化學理論課程現(xiàn)有教學模式存在的不足，提出通過健全學習引導機制、完善課堂討論交流制度、強化課后教學反思等方式建立物理化學理論課程創(chuàng)新教學模式。新教學模式將有效提升物理化學課程教學成效，增強人才綜合素質(zhì)培養(yǎng)，促進化工相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

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作者簡介：胡煒杰（1981—），男，漢族，山西高平人，博士，助理研究員，研究方向：化工新材料、智慧化工監(jiān)測技術(shù)與精密儀器。

*通訊作者：陳亞舉（1989—），男，漢族，湖南雙峰人，博士，副教授，研究方向：二氧化碳化學、有機催化與合成。