物理化學(xué)教學(xué)中對分課堂的實踐
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摘要：本文基于在線開放課程教學(xué)平臺，結(jié)合物理化學(xué)課程的特點(diǎn)，闡述在物理化學(xué)教學(xué)中實施“以問題為中心”的教學(xué)法（PBL）與對分課堂結(jié)合的具體實施步驟，探討這種教學(xué)模式在物理化學(xué)教學(xué)實踐中的應(yīng)用。實踐表明，這種教學(xué)模式不僅提高了學(xué)生學(xué)習(xí)物理化學(xué)的興趣，提高了課堂的教學(xué)效率，而且培養(yǎng)了學(xué)生的實際應(yīng)用能力。
關(guān)鍵詞：物理化學(xué);問題教學(xué)法;對分課堂;學(xué)習(xí)興趣
物理化學(xué)是理工科專業(yè)的一門基礎(chǔ)課程，其教學(xué)效果直接影響到人才培養(yǎng)質(zhì)量。物理化學(xué)內(nèi)容的邏輯性很強(qiáng)，包括大量的理論、模型和公式且其應(yīng)用條件苛刻，對于大部分學(xué)生來說是一塊難啃的“硬骨頭”。這就使學(xué)生產(chǎn)生厭學(xué)情緒，嚴(yán)重影響物理化學(xué)課堂教學(xué)效果。因此，如何在教學(xué)大綱規(guī)定的教學(xué)內(nèi)容里應(yīng)用多種教學(xué)模式提高學(xué)生學(xué)習(xí)物理化學(xué)的興趣，是改善課堂教學(xué)效果，培養(yǎng)創(chuàng)新人才的關(guān)鍵。近年來，慕課、微課等在線開放課程得到了快速發(fā)展，給傳統(tǒng)的教學(xué)模式帶來了新的挑戰(zhàn)，引發(fā)了教育者對新的教學(xué)模式和教學(xué)設(shè)計的思考。對分課堂，又簡稱PAD課堂，是由普林斯頓心理學(xué)博士、復(fù)旦大學(xué)張學(xué)新教授2013年率先提出的。對分課堂的操作程序包括教師課上教授（Presentation）、學(xué)生課外內(nèi)吸收（Assimilation）和學(xué)生課上討論（Discussion）三個環(huán)節(jié)。其核心理念是將課堂時間平均分配：一半課堂時間給教師講授，另一半時間用作學(xué)生討論。教師講授和學(xué)生討論的時間錯開，實施“隔堂討論”，讓學(xué)生在課后有一周時間自主安排學(xué)習(xí)，以進(jìn)行個性化的內(nèi)化吸收。這一教學(xué)模式結(jié)合傳統(tǒng)教授式課堂與討論式課堂各自的優(yōu)勢，而有效地規(guī)避了兩者獨(dú)立實施的缺陷，可以有效地調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。自2014年以來，這一教學(xué)模式引起了國內(nèi)高校的廣泛關(guān)注?！耙詥栴}為中心”的教學(xué)法（Problem-BasedLearning，PBL）主要以學(xué)生為中心，以問題為基礎(chǔ)，通過精選問題、界定問題、解析問題、成果展示和總結(jié)反思等五個環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學(xué)生分析和解決問題的能力。PBL教學(xué)模式與目前倡導(dǎo)的“以學(xué)生為中心”的教學(xué)理念是吻合的。基于物理化學(xué)的課程特點(diǎn)和本校的學(xué)生特性以及培養(yǎng)模式，如果直接采用翻轉(zhuǎn)課堂代替?zhèn)鹘y(tǒng)課堂模式，可能會對學(xué)生帶來較大沖擊，課上討論環(huán)節(jié)學(xué)生較難適應(yīng)。因此，基于PBL的對分課堂教學(xué)模式改革應(yīng)用于物理化學(xué)教學(xué)實踐中。該模式可實現(xiàn)課上課下相結(jié)合、課內(nèi)課外相銜接，使師生課堂活動時間重新被分配，真正體現(xiàn)學(xué)生的主體地位。這種教學(xué)模式具有可操作性，取得了良好的教學(xué)效果。在2016級精細(xì)化工專業(yè)學(xué)生的物理化學(xué)教學(xué)中，作者首次嘗試了基于PBL的對分課堂教學(xué)模式。具體實施方案和案例介紹如下。
一、基于PBL的對分課堂教學(xué)模式實踐過程
精細(xì)化工專業(yè)的物理化學(xué)課程共64學(xué)時，一周兩次課，每次課連續(xù)兩節(jié)，每節(jié)50分鐘，共16周的課程，主要學(xué)習(xí)熱力學(xué)、化學(xué)平衡、相平衡、電化學(xué)、界面現(xiàn)象與膠體和動力學(xué)六大部分內(nèi)容。基于PBL的對分課堂的實施過程如下圖所示。試點(diǎn)班以PBL為基礎(chǔ)，課堂上將學(xué)生4～6人分成一個討論小組，組內(nèi)討論個人學(xué)習(xí)時的問題并尋求解決方法。教師根據(jù)小組討論的情況，有針對性地進(jìn)行講解，并實時調(diào)整課堂教學(xué)進(jìn)度。我們采用的是隔堂對分的對分課堂形式，在具體實施時靈活運(yùn)用，根據(jù)不同內(nèi)容對講授時間和學(xué)生討論的時間比例進(jìn)行調(diào)整，并非一定是講授時間和討論時間平均分配，也并非每一次課都采用對分課堂形式。為了輔助課堂教學(xué)，方便學(xué)生課下學(xué)習(xí)，開設(shè)了物理化學(xué)在線開放課程網(wǎng)絡(luò)平臺，相關(guān)的教學(xué)資源包括多媒體課件、教學(xué)視頻、作業(yè)等。學(xué)生也可進(jìn)行在線討論和問題解析，開展互動交流，教師也會根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)過程中產(chǎn)生的疑問及時進(jìn)行解答。以熱力學(xué)第二定律為例。熱力學(xué)第二定律是熱力學(xué)的基本定律之一，這部分內(nèi)容的概念抽象，原理費(fèi)解，學(xué)生理解起來比較困難，是物理化學(xué)的教學(xué)難點(diǎn)之一。在采用對分課堂教學(xué)模式時，我們在第一次課中對知識框架進(jìn)行講解引入了第二定律的內(nèi)容。首先通過一些生活中的實例說明滿足熱力學(xué)第一定律的現(xiàn)象也不一定能發(fā)生。例如氣體可以自由地膨脹，但卻不能自由地壓縮；一杯熱水可以在空氣中自然冷卻，卻不能自發(fā)地從空氣中吸收熱量而溫度升高；墨汁滴入水中可以自由擴(kuò)散，卻不能發(fā)生其逆過程即墨水中的小炭粒自發(fā)聚集到一起成為一滴墨汁；但空調(diào)工作時，為什么熱量是從低溫物體傳到高溫物體。通過實例逐步引導(dǎo)學(xué)生得出結(jié)論過程是有方向和限度的，從而引入熱力學(xué)第二定律的表述。然后通過講解卡諾循環(huán)，引入熵的概念和熵增原理。在此基礎(chǔ)上，下課前給學(xué)生布置課后自主學(xué)習(xí)的內(nèi)容，要求學(xué)生完成學(xué)習(xí)筆記，并給學(xué)生布置精心準(zhǔn)備的問題。例如，熵的本質(zhì)是什么；利用熵增原理闡明“覆水難收”“破鏡難圓”“木已成舟”等自然過程；熱力學(xué)第二定律表述為：孤立系統(tǒng)的熵永不減少。這意味著熵可以不變或者增加，那么，第二定律為什么又稱為熵增原理？自然過程中熵可以不變嗎？如果將生命看成是在高溫?zé)嵩矗ㄌ枺┖偷蜏責(zé)嵩矗ǖ孛妫┲g工作的熱機(jī)，如何用熱力學(xué)第二定律闡明生命系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)……課下，學(xué)生首先要溫習(xí)上次課內(nèi)容，并完成自主學(xué)習(xí)內(nèi)容和學(xué)習(xí)筆記，然后學(xué)生利用課余時間查閱資料、準(zhǔn)備老師布置的思考題和課堂討論，并可通過網(wǎng)絡(luò)平臺及時將疑難問題進(jìn)行反饋。這個過程是學(xué)生自主化、個性化地學(xué)習(xí)過程，可以根據(jù)自己的學(xué)習(xí)能力和計劃安排學(xué)習(xí)時間。在第二次課的第一節(jié)課上，教師針對學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中出現(xiàn)的疑難問題，引導(dǎo)學(xué)生交流、分組討論并解決問題，完成上一次課所學(xué)知識的鞏固。第二次課的第二節(jié)課，教師講授下一章節(jié)的重點(diǎn)內(nèi)容，并在下課前給學(xué)生布置自主學(xué)習(xí)內(nèi)容和問題。后面每一次的上課模式都與第二次課相類似。每學(xué)完一章后，要求學(xué)生進(jìn)行總結(jié)，對本章的內(nèi)容進(jìn)行回顧和整理，并畫出本章的知識結(jié)構(gòu)圖。
二、基于PBL的對分課堂教學(xué)模式實踐的幾點(diǎn)思考
1.教師精講內(nèi)容與學(xué)生自主學(xué)習(xí)內(nèi)容的分配在“對分課堂”教學(xué)模式中，教師上一次課講授的內(nèi)容與下一次課中學(xué)生的討論是密切相關(guān)的，所以哪些內(nèi)容需要教師精講，哪些可以是學(xué)生課下自主學(xué)習(xí)，這是在教學(xué)設(shè)計中要考慮的一個重點(diǎn)問題。因此，在對分課堂教學(xué)實施過程中，教師的講授不需要完整詳盡，而是對章節(jié)的主要內(nèi)容進(jìn)行概括，精講其中的難點(diǎn)與重點(diǎn)內(nèi)容，使學(xué)生對章節(jié)內(nèi)容形成一個知識框架，而把學(xué)生自己可以看懂的簡單一些的內(nèi)容留到學(xué)生課下的學(xué)習(xí)中解決。在我們的教學(xué)實踐中，針對對分課堂教學(xué)模式，重新進(jìn)行了教學(xué)過程設(shè)計，并對課件進(jìn)行了修改，使講授內(nèi)容與學(xué)生自學(xué)內(nèi)容和課堂討論內(nèi)容更加明確，對課上講授的內(nèi)容精益求精，并注重教學(xué)方法，注重引導(dǎo)。學(xué)生的反饋是，他們也更加清楚了哪些是章節(jié)的重點(diǎn)難點(diǎn)，從而做到有的放矢。這種模式下的教學(xué)不再是簡單的講授+討論，既保證了教師不可缺少的引導(dǎo)作用，又充分地發(fā)揮了學(xué)生的主動性，讓創(chuàng)新性思維與學(xué)生的溝通合作能力在每一次課中得到貫徹。
2.問題的設(shè)計基于PBL的對分課堂教學(xué)的另一個關(guān)鍵問題就是課后問題和作業(yè)的布置，問題和作業(yè)的難易程度、數(shù)量和形式直接影響學(xué)生在課后的內(nèi)化吸收效率和效果。在問題設(shè)計時，需要注意以下幾點(diǎn)：（1）明確教學(xué)目的、教學(xué)內(nèi)容和重點(diǎn)難點(diǎn)，問題的設(shè)計要圍繞重點(diǎn)難點(diǎn)提出。以表面張力章節(jié)為例，基本要求是：明確液體比表面吉布斯函數(shù)和表面張力的概念，理解附加壓力及其引起的表面現(xiàn)象。在課堂上講授了表面張力的概念、附加壓力的產(chǎn)生，為了加深學(xué)生的理解，可以圍繞基本內(nèi)容給學(xué)生布置諸如以下問題：觀察指尖下的肥皂泡和水滴在形狀上有什么共同特征？為什么是這樣？觀看網(wǎng)絡(luò)上回形針浮于水面的實驗視頻并試做，觀察浮于水面的回形針周圍的水面有什么特殊之處？分析在口徑很小的玻璃管中，水面和水銀面的內(nèi)外壓強(qiáng)有什么差別？對于中空的肥皂泡，如果認(rèn)為液膜的內(nèi)外兩個表面的半徑相等，則肥皂泡內(nèi)外的壓強(qiáng)差為多大？（2）問題的設(shè)計要由易到難，層次遞進(jìn)。在PBL教學(xué)模式中，問題的設(shè)計除了要涵蓋教學(xué)內(nèi)容基礎(chǔ)，還要注意層次遞進(jìn)，逐步深入地提出與內(nèi)容相關(guān)的核心問題，在追問的過程中刺激學(xué)生思考，激發(fā)尋找解決的方案。例如在以上表面張力的例子中，就體現(xiàn)了這一設(shè)計原則。另外，為了避免因?qū)W生準(zhǔn)備不充分或者不積極發(fā)言而導(dǎo)致課堂討論時冷場的情況，在實施的初期設(shè)計問題時盡可能將內(nèi)容細(xì)分成若干個知識點(diǎn)，課堂討論中各知識點(diǎn)由不同的小組完成，這樣，如果個別學(xué)生準(zhǔn)備不充分，就不會影響整個課堂的實施。（3）問題的創(chuàng)設(shè)要生動直觀，與實際結(jié)合。在創(chuàng)設(shè)問題時，要善于利用網(wǎng)路資源，問題情境要生動直觀，把抽象、深奧的問題具體化、形象化，讓枯燥的理論趣味化，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和探究問題的熱情。例如在表面張力一章中講到表面活性劑時，我們可以提出這樣的問題：觀看網(wǎng)絡(luò)視頻并試做在牛奶中加入液體顏料，然后在其中加入一滴洗潔精的實驗，觀察現(xiàn)象并分析產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因；寒冷的冬天，從室外進(jìn)入溫暖的室內(nèi)時，眼鏡就會起一層霧。思考如何利用表面張力避免眼鏡起霧。在相平衡一章，可以有如下問題：因為北冰洋全是海水，因紐特人沒有可以飲用的淡水，他們需要到冰山上去取冰回來后熔化，那么因紐特人應(yīng)該選擇怎樣的環(huán)境溫度下取冰？這類的問題與生活息息相關(guān)，讓學(xué)生感受到“學(xué)以致用”，可以有效地激發(fā)學(xué)生的興趣，調(diào)動學(xué)生探究問題的積極性。
3.提高學(xué)生解決綜合問題的能力物理化學(xué)課程的知識點(diǎn)多、公式多、公式條件多，知識的邏輯性和關(guān)聯(lián)性很強(qiáng)，學(xué)習(xí)過程中我們還要考慮知識點(diǎn)之間的關(guān)聯(lián)性，加練一些綜合題，有意識地鍛煉學(xué)生利用知識解決綜合問題的能力。例如，化學(xué)動力學(xué)中的阿累尼烏斯方程與化學(xué)平衡熱力學(xué)中的范特霍夫等壓方程和相平衡熱力學(xué)中的克-克方程具有類似的形式，這三個方程有何異同？利用這三個方程分別解決什么問題？又如，在相平衡一章，針對化工專業(yè)的背景，引入反應(yīng)精餾的例子：直接酯化法是國內(nèi)工業(yè)生產(chǎn)醋酸乙酯的主要工藝路線。以醋酸和乙醇為原料，硫酸為催化劑直接酯化得醋酸乙酯。讓學(xué)生查閱資料了解直接酯化法生產(chǎn)乙酸乙酯的詳細(xì)工藝流程，并思考此流程中產(chǎn)物是通過什么原理進(jìn)行分離的？當(dāng)反應(yīng)達(dá)到平衡后，是如何提高轉(zhuǎn)化率的？以前學(xué)過的無機(jī)或有機(jī)反應(yīng)是否也有可以采用類似的方法的？課堂上通過同學(xué)們的討論，引導(dǎo)同學(xué)們理解反應(yīng)精餾巧妙地將相平衡和化學(xué)平衡結(jié)合起來，既實現(xiàn)了產(chǎn)物的分離，又通過化學(xué)平衡的移動提高了反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率。通過一學(xué)期這樣的鍛煉之后，學(xué)生解決綜合問題的能力得到了提高。
三、基于PBL的對分課堂的教學(xué)效果
基于PBL的對分課堂從教師如何教到學(xué)生如何學(xué)、從課下自主學(xué)習(xí)到課堂管理模式，與傳統(tǒng)的教學(xué)模式相比都發(fā)生了根本性的變革。在此教學(xué)模式中，教師在保證教學(xué)體系的基礎(chǔ)上，在把握重點(diǎn)和難點(diǎn)知識的前提下，選擇部分關(guān)鍵問題留給學(xué)生課后思考探究，引導(dǎo)學(xué)生對難點(diǎn)深入理解。學(xué)生在課后經(jīng)過課程復(fù)習(xí)和完成作業(yè)，再到課堂進(jìn)行“隔堂討論”，這與傳統(tǒng)的課堂講授為主的PBL法相比，“隔堂討論”可以使學(xué)生有備而來，為課堂討論的有效性奠定了基礎(chǔ)，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和討論質(zhì)量也顯著提高。在對分課堂教學(xué)模式中，保留了一半的傳統(tǒng)教學(xué)的課堂講授，有助于幫助學(xué)生把握課程的基本框架和重點(diǎn)難點(diǎn)。而課下對知識的內(nèi)化吸收和“隔堂討論”則培養(yǎng)了學(xué)生的主動思考能力與探究能力，提高了學(xué)生有效參與課堂討論和小組合作能力。通過一學(xué)期的教學(xué)實踐，我們發(fā)現(xiàn)學(xué)生已經(jīng)很熟練地掌握了查閱資料的方法，課上大部分學(xué)生積極參加小組討論并踴躍回答問題，越來越多的學(xué)生對物理化學(xué)充滿了興趣。另外，對分課堂的教學(xué)模式使課堂氛圍變得活潑、愉快，分組討論讓基礎(chǔ)較好的同學(xué)帶動了基礎(chǔ)較差一點(diǎn)的同學(xué)，促使同學(xué)們提高了學(xué)習(xí)物理化學(xué)的積極性。在課堂討論中，學(xué)生嘗試用各種方法解決問題，時時碰撞出智慧的火花，這在極大程度上培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新性思維。在學(xué)期末，我們采用問卷調(diào)查和期末測驗的方法對基于PBL的對分課堂的教學(xué)效果進(jìn)行了評價，并總結(jié)學(xué)生對該課程模式的反饋意見。結(jié)果表明，92%的學(xué)生認(rèn)為，基于PBL的對分課堂教學(xué)模式提高了學(xué)習(xí)主觀能動性，增加了教師的“教”與學(xué)生的“學(xué)”之間的互動；85%的學(xué)生認(rèn)為，課后的學(xué)習(xí)時間管理能力和注意力集中能力得到了提高；80%的學(xué)生表示，對物理化學(xué)的重點(diǎn)難點(diǎn)知識的掌握能力高于預(yù)期目標(biāo)；90%的學(xué)生表示對分課堂的應(yīng)用提高了學(xué)生的團(tuán)隊協(xié)作能力。從期末測試的成績看，實驗班在客觀題的得分情況與對照班無明顯區(qū)別，但主觀題的得分情況以及總成績要比對照班好。這說明學(xué)生的解決問題的能力和主動探究能力得到了加強(qiáng)。
四、結(jié)束語
物理化學(xué)是高校理工科專業(yè)的基礎(chǔ)課程，改善物理化學(xué)教學(xué)效果，提高教學(xué)質(zhì)量是提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的關(guān)鍵。物理化學(xué)教師需要不斷提升自己的知識水平和業(yè)務(wù)能力，激發(fā)學(xué)生的主觀能動性，不斷尋找適合培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力的教學(xué)方法?；赑BL的對分課堂教學(xué)模式應(yīng)用到教學(xué)實踐中尚屬于探索階段，在實踐中可能會遇到很多的實際問題，對教師的把控能力要求較高，需要教師多加思考、不斷摸索和提升，根據(jù)課程的特點(diǎn)進(jìn)行演化。在今后的教學(xué)實踐中，筆者將依據(jù)教學(xué)效果與反饋進(jìn)一步優(yōu)化和完善基于PBL的對分課堂教學(xué)模式，以期培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，進(jìn)一步提高教學(xué)效果。
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作者：劉杰 單位：青島科技大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院
