大学化学, 2021, 36(5): 2010067-0 doi: 10.3866/PKU.DXHX202010067

 

应用型本科高校物理化学混合教学模式的建设与实践

冯帅,1, 范克栋2, 侯现明1, 高志崇1, 任春霞1

Practice of Blended Learning on Physical Chemistry in Application-Oriented Universities

Feng Shuai,1, Fan Kedong2, Hou Xianming1, Gao Zhichong1, Ren Chunxia1

通讯作者: 冯帅, Email: shuaifeng@tsu.edu.cn

收稿日期: 2020-10-27   接受日期: 2021-01-11  

基金资助: 泰山学院教学改革研究项目.  201916

Received: 2020-10-27   Accepted: 2021-01-11  

Abstract

The methods for teaching the physical chemistry course have been improved, considering cultivating the technology talents for local application-oriented university. We focused on the effects of the educational reforms on the physical chemistry course, including the online-to-offline teaching model, problem-oriented, group discussion, case analysis and flipped class. The aim of the reforms is to encourage the motivation and innovation of students and to improve the ability of self-study and solving problems.

Keywords: Blended teaching ; Physical chemistry ; Educational reform

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冯帅, 范克栋, 侯现明, 高志崇, 任春霞. 应用型本科高校物理化学混合教学模式的建设与实践. 大学化学[J], 2021, 36(5): 2010067-0 doi:10.3866/PKU.DXHX202010067

Feng Shuai. Practice of Blended Learning on Physical Chemistry in Application-Oriented Universities. University Chemistry[J], 2021, 36(5): 2010067-0 doi:10.3866/PKU.DXHX202010067

作为高等院校化学专业、制药工程专业及环境工程等相关专业的必修课程[1],物理化学课程不仅培养学生缜密分析和解决实际问题的能力,还有助于学生形成"由已知探究未知"的科学思维能力。本文探讨在培养"一流应用型人才"的背景下[2],充分发挥混合式教学模式的优势,通过线上线下课堂深度融合,创建开放式教学氛围,以任课教师为主导,调动学生的主观能动性,从而达到物理化学课程的最佳教学效果。

1 调整课程教学目标的改革

针对物理化学课程的特点以及专业的办学定位和人才培养目标,我们依照《普通高等学校本科专业类教学质量国家标准》[3]、《化学类专业化学理论教学建议内容》[4]、《高等学校化学类专业物理化学相关教学内容与教学要求建议(2020版)》[5],以培养应用型人才为目标,将我校物理化学课程教学目标调整为:构建系统的理论框架,提高学生的实践技能,解决问题和自主学习的能力,培养学生更快地适应多种岗位的综合素质。具体表现为:(1) 学生能够系统掌握物理化学的基本知识和原理,具备逻辑推理能力、批判精神和反思意识;(2) 学生能够综合运用学科知识和技能,分析和解决本专业或跨学科的复杂问题,提出相应的解决方案,具备解决问题的能力;(3) 学生运用信息技术了解国内外相关领域全球重大问题,能够自主学习,综合分析多领域相关问题。与传统的教学目标更注重学生的理论思维和科学研究能力相比,调整后的教育目标更关注学生的应用能力。

2 教学模式改革

2.1 教学流程改革

基于OBE (Outcome-Based Education)理念,我们以目标为导向、以学生为中心[6],对物理化学教学流程进行改革。具体流程为:"课前导学–引导探究–小组协作–学习报告–课堂讲解–案例分析–翻转课堂–课后梳理/练习",即课前利用学习通平台为学生提供相关的预习素材,通过问题引导学生自主阅读,并以小组为单位探讨交流,完成并通过平台提交预习报告。通过预习素材,不但可以让学生了解学科应用与前沿,激发学习兴趣,还可以培养学生合作解决问题的团队精神。此外,通过收集学生预习报告,教师可以在课前了解学生对相关知识以及材料的理解和掌握程度,做到精准教学,有的放矢。在课堂中,在掌握基本概念的基础上,采用素材讲解、问题启发、分组探讨等方式,引导学生应用理论基础和技能解决实际问题,培养学生实践能力和解决问题的能力。课后通过绘制思维导图,梳理知识点,构建系统的理论框架;通过进一步组织学生研讨科技专利与科研文献,培养学生的思辨能力和创新意识。以电化学一章中的可逆电池为例,教学设计如表 1所示。

表1   关于可逆电池的混合式教学模式设计

阶段培养目标教学设计教师活动学生活动
课前自主学习,开拓视野,发现问题课前导学,激励阅读,促进团队协作,了解学情提出问题,引导回答,组织小组探讨自主阅读 小组讨论 完成预习报告
课中夯实基础,逻辑思维,分析问题,解决问题,融会贯通,创新意识引入新课(日用干电池与蓄电池),重点讲解,设计案例(电池反应),构建翻转,前沿讲解(锂电池前世今生)总结预习报告,引发思考,讲解基础,缕清脉络,引导分析,突出重点,讨论指导,促进理解,讲解科学前沿积极思考,学习基础,系统构架,学以致用,理论联系实际,科学思维,团队合作,了解学术动态
课后加强巩固,思辨能力,创新意识思维导图,课后小练,文献研讨引导及时复习,课后习题,提出新问题绘制思维导图,解决实际问题,创新思考

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2.2 教学流程的实施过程

2.2.1 课前开展自主阅读、问题引导及小组探讨

在传统教学模式中,由于课前预习指导不足,学生学习效果不佳。针对此问题,我们选择一些针对性强的文献资料,制成导学材料,课前一周通过学习通平台发布,通过问题引导学生查阅课本,积极思考,并开展小组探讨,以小组为单位完成预习报告,通过平台提交。"可逆电池"的课前导学设计,如表 2所示。

表2   可逆电池线上导学设计

预习目标导学材料学生活动
激发兴趣研究素材:日常生活中应用电池的地方,手表、手机、笔记本、电动自行车、电动摩托车、电动小汽车。这些电池包括锌锰干电池、锂离子电池、镍氢电池及铅酸电池等。引导提问:电池的体系十分庞大,如何分类?自主阅读,积极思考
了解学习目标、学习背景研究素材:锌锰干电池包括酸性电池及碱性电池,而常用于手机、电动车中的电池主要包括锂离子电池及铅酸电池等。引导探讨:这几类电池的正负极反应是什么?电池反应是什么?哪种电池属于二次电池?查阅课本,小组讨论,分析探究
开拓视野提问:为什么锌锰干电池不能用于手机及电动汽车中?锂离子电池与铅酸电池对比的优缺点是什么?未来锂离子电池有什么需要改进的方面?发现问题,完成预习报告,平台提交

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教师可以通过平台统计的结果监测学生的预习情况,并以线上提醒的方式督促未完成的同学(如图 1所示)。

图1

图1   学生导学材料预习情况

(a) 学生预习进度,深色代表已完成的任务数,淡色代表未完成的任务数;(b) 一节线上导学材料的预习次数 电子版为彩图


通过引导提问,学生在完成预习材料的过程中,对学习目标及背景的了解层层递进。与传统的教学模式相比,学生完成预习报告的意愿更强烈,掌握更多的学习主动权,达到了较好的学习效果。为了激励学生自主学习和发现问题,对于撰写认真、思考积极,特别是能够提出疑问的学生,平时成绩给予奖励(预习部分在考核中占比为10%)。

2.2.2 重构线下课堂模式,形成翻转互动机制

根据美国教育心理学家杰罗姆·布鲁纳的教学目标分类理论可知,学生学习的过程可以分为"识记→理解→应用→分析→评价→创造"6个层次[7],而传统的以教师为中心的教学模式不能达成高阶教育目标,因此,需要对传统的教学模式进行改革。

首先,我们重新整合了教学内容,调整了教学方案。对于一些通俗易懂且与其他课程重复的知识点,如化学平衡、部分电化学和胶体化学等内容,学生在无机化学、分析化学等课程中已经涉及,我们安排学生利用课外时间,通过线上平台自主学习录播课程。为保证自主学习质量,在观看过程中设置多层次的限时弹题,并将自主学习纳入平时考核中,设定比例为10%。而对于难以理解或者比较重要的内容,则充分利用线下课堂进行详细的讲解。

为了调动学生的自主学习能力,我们也对线下教学模式进行了改革,具体改革方案如图 2所示。在课堂的教学过程中,根据不同知识点的难易度,分别采取翻转课堂、案例分析和讲解学科发展等方式。

图2

图2   线下课堂教学模式的改革方案


例如,在讲解可逆电池时采用翻转课堂方式。首先选出学生代表,对于导学材料中涉及的问题进行汇报,随后采用快问快答的方式引导其他学生根据汇报情况进行分析。在汇报和分析的过程中发现疑难问题,将课程的重点难点升华,有助于学生对课程的认知由点升华为线,最后汇聚至面,构架完整的知识体系。

对于内容相对简单易懂的章节如理想气态/液态混合物的化学势、单组分相图、完全互溶双液系相图、电动势测定的应用、化学动力学基本概念、表面活性剂及其应用等内容,学生通过课下小组探讨,制作PPT,走上讲台进行讲解。也安排学生讲解课后习题和简单的知识点等。如图 3所示。

图3

图3   学生制作的习题分析和知识点讲解的课件案例


在课下准备讲解的过程中,学生深入思考、尝试解决问题和复习总结,遇到问题时学生能及时请教教师,尝试沟通解决,不仅完成任务还形成自己的认知,成为了积极的探究者。在翻转课堂的讲解中,学生提高了知识的运用和语言表达能力,获得了参与感和成就感。

其次,通过案例分析引导学生深入分析,学以致用。以讲解"可逆电池"为例(表 3)。

表3   电池案例分析

典型案例电池反应电池部件延伸与应用
1799年,意大利物理学家Alessandro Volta发明了第一款电池(Voltaic Pile伏打电堆)放电时,电极反应为: 锌极:Zn − 2e → Zn2+ 铜极:2H+ + 2e → H2 总反应:Zn + 2H+ → Zn2+ + H2 充电时,电极反应为: 锌极:2H+ + 2e → H2 (还原反应) 铜极:Cu − 2e → Cu2+ (氧化反应) 总反应:2H+ + Cu → H2 + Cu2+负极:锌片,正极:铜片,电解液:H2SO4溶液判断此电池是否是可逆电池?一次电池?此类电池的特点是什么?
1836年,英国化学家丹尼尔根据伏打电堆发明了丹尼尔电池放电时,电极反应为: 锌极:Zn − 2e → Zn2+ 铜极:Cu2+ + 2e → Cu 总反应:Zn + Cu2+ → Zn2+ + Cu 充电时,电极反应: 锌极:Zn2+ + 2e → Zn (还原反应) 铜极:Cu − 2e → Cu2+ (氧化反应) 总反应:Zn2+ + Cu → Zn + Cu2+负极:锌片,正极:铜片,电解液:ZnSO4溶液,CuSO4溶液,盐桥是否满足可逆电池的条件?此类电池的优点是什么?应用:用于早期铁路的信号灯此电池的缺点:电量低,易溢出溶液
1859年,法国物理学家Gaston Planté发明了铅酸电池。单个铅酸电池的工作电压为2.0 V,在应用中,常用6个单电池串联起来,可提供12 V的电压电极反应为: 负极:Pb + H2SO4 − 2e → PbSO4 + 2H+ 正极:PbO2 + H2SO4 + 2H+ + 2e → PbSO4 + 2H2O 总反应:PbO2 + Pb + 2H2SO4 = 2PbSO4+ 2H2O负极:海绵状铅;正极:涂有PbO2的铅板,电解液:硫酸溶液优点:成本低,可充电循环,高通量电流应用领域:汽车,电信缺点:污染严重,能量密度较低,重量大
2019年诺贝尔化学奖授予了三位科研工作者,以表彰他们在锂电池方面的贡献。在手机、电动汽车中广泛应用电极反应为: 负极:Li1−yC6xe → Li1−yxC6 + xLi+ 正极:Li1−zCoO2 + xLi+ + xe → Li1−z+xCoO2 总反应:Li1−zCoO2 + Li1−yC6 = Li1−yxC6 + Li1−z+xCoO2负极:鳞片状石墨材料(Li1−yC6),正极钴酸锂(LixCoO2),电解液:锂盐的有机溶液优点:能量密度较高,重量轻,使用循环大应用领域:手机,电动汽车,电动自行车缺点:安全隐患如何提高电池性能?

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通过分析研究四种电池的案例,学生一方面对于本节重点"可逆电池"的含义有了深刻的理解,另一方面对电池的发展历程也有了深入的了解,让学生了解任何一种科学技术都不是一蹴而就,都是经历长时间的曲折发展而来,在无形中融入了思政内容。此外,从当前世界能源发展的大背景出发,向学生介绍电化学理论的实用价值以及所面临的关键科学问题。以铅酸电池和锂离子电池为例,两种电池的反应机理不同,所面临的关键科学问题也不同,锂离子电池的关键科学问题是如何保证电极与电解质界面中的电荷传递和稳定性,如何调节电极材料的微观结构从而提高电池的循环寿命和容量;铅酸电池则需要关注在沉积/析出过程中所涉及的相变、形变和循环稳定性,以及相关副反应(析氢、析氧等)。通过案例分析,学生清晰地理解了不同的实际问题背后所蕴含的物理化学原理,在应用能力方面受到启迪。最后,以锂电池在我国的快速发展为例,引导学生努力担负起振兴祖国的历史使命。

在课堂教学中,我们跳出课本局限,积极拓宽学生视野,除了推导公式定理,还带领学生重温知识的发展历史,了解课程中涉及的概念、公式和定律的演变过程,构建学术思维。例如在讲述吉布斯自由能这个概念时,介绍吉布斯的《论非均相物体的平衡》论文,这篇论著阐明了化学平衡、相平衡、表面吸附等现象的本质。通过讲解,不仅让学生将相关知识点串联在一起,还让学生了解吉布斯的卓著成就和高尚人格,激励学生对科研工作者的尊重和崇尚之情。此外,适当引入相关科技前沿,引导学生突破现有知识,积极思考理论与实际的关联,培养发散思维能力。例如,通过荷叶表面、鱼鳞表面具有自洁性,让学生认识固体表面浸润性与接触角的关系,并在此基础上讲解一些科研人员研究的事例,如,Barthlott和Neihuis [8]发现荷叶表面的微米结构乳突,引起科学家们在微米尺度下研究超疏水材料的兴趣,继而让学生研读我国江雷院士[9, 10]关于仿生多尺度超浸润界面材料的文献,了解我国科学家在相关领域的突出贡献,不仅培养学生的科学思维,还能激励学生的爱国主义情怀。

2.2.3 线上线下结合,督促学生课后巩固提升

为督促学生课后积极复习,培养自主学习能力,我们充分利用线上线下资源设计形式多样的复习环节。安排学生在每个章节学习结束后全面梳理重点、难点并绘制章节思维导图,构建完整的章节框架,通过学习通平台线上提交,如图 4所示。

图4

图4   学生绘制的思维导图案例


以四周课程为一周期,安排学生在学习通平台上传学习笔记、学习方法及解题心得等。材料形式多样化,既有纸质版的学习笔记,又有学生自己录制的讲解微视频,教师选取优秀经验在课堂或平台进行共享,学生可利用课下时间观看,并通过设置任务点及弹幕等形式让同学们积极参与交流讨论。

为调动学生的自主学习能力,我们还将课题讨论、小组交叉辩论等教学形式延伸至线上课堂。例如,溶液依数性、二组分双液系相图、简单级数反应等内容,由学生组成学习小组,共同制作PPT在课堂上进行辩论。由于课堂时间有限,也可以利用自习课时间,通过腾讯会议、钉钉、学习通直播等进行线上答辩赛,学生通过弹幕形式提问或点评辩论。学生表现更加活跃大胆,参与度更高。

这些教学改革,不仅提高了学生的自主学习能力,还锻炼了他们的协作能力、学术表达能力和解决问题的能力等。

为了促进学生积极参与到线上线下的多种学习活动中,我们对考核内容和形式进行了改革。考核模式由原来单一的以期中期末考试成绩和平时作业成绩为主,调整为多角度、多元化的考核评价体系。在考核过程中,增加过程性考核的权重,由原来的30%增加到50%,考核内容包括:平台预习任务、课堂互动、翻转课堂、主题讨论、小组辩论、经验交流等。过程性考核成绩来源于教师打分、生生互评和平台统计数据,更能客观地反映学生的学习过程,避免临时突击的应试学习思维,更利于培养学生的整体综合素质。教学考核评价量表设计如表 4所示。

表4   物理化学课程考核评价量表

评价环节评价内容权重评分标准
预习报告(10%)认真研读导学材料,全面思考相关信息,合理提出疑惑问题5%4.5432
预习报告撰写清晰明了,回答问题详细可行5%4.5432
课堂表现(30%)陈述汇报准确简练,小组合作配合默契10%9864
制作课件PPT生动,设计方案清晰,讲解内容重点突出10%9864
参与讨论交流积极踊跃,课堂秩序活而不乱10%9864
课下活动(10%)平时作业完成认真,思维导图思路清晰,重点突出5%4.5432
小组辩论配合默契,评论客观公正,积极踊跃5%4.5432
考试(50%)期中考试10%9864
期末考试40%36322416

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2.2.4 促进教学和学术互相融合,培养创新素养

在教学过程中,充分发挥线上线下混合教学模式的优势,将理论知识与科学前沿有效融合,为学生提供与授课章节相关的前沿文献资料,培养学生的科研兴趣,同时鼓励学生积极参与本校教师的研究课题组及大学生创新创业项目(大创),不仅开阔学生视野,还提高学生探索问题、解决问题的科研能力。

3 结语

地方应用型高校应致力于培养应用型人才,满足现代社会对应用型人才的需求。积极推动教学与信息技术的深度融合,探究多样化混合教学模式,是提高培养应用型人才培养能力的重要途径。

参考文献

纪敏; 王新葵; 孙延波; 王旭珍; 王新平. 大学化学, 2021, 36 (1), 2007041.

URL     [本文引用: 1]

国务院. 关于印发统筹推进世界一流大学和一流学科建设总体方案的通知(国发(2015)64号). [2015-10-24]. http://www.moe.gov.cn/jyb_xxgk/moe_1777/moe_1778/201511/t20151105_217823.html

[本文引用: 1]

教育部高; . 普通高等学校本科专业类教学质量国家标准, 北京: 高等教育出版社, 2018.

[本文引用: 1]

2013-2017年教育部高; . 大学化学, 2016, 31 (11), 11.

DOI:10.3866/pku.DXHX201609036      [本文引用: 1]

张树永; 李金林; 范楼珍; 侯文华; 刁国旺; 郭玉鹏. 大学化学, 2021, 36 (1), 2009052.

URL     [本文引用: 1]

宗丽娜; 王向鹏; 郑云香. 化学教育, 2020, 41 (14), 14.

URL     [本文引用: 1]

王丹. 深度学习策略提升高中生英语阅读能力的行动研究(硕士学位论文), 淮北: 淮北师范大学, 2020.

[本文引用: 1]

Barthlott W. ; Neinhuis C. Planta 1997, 202, 1.

DOI:10.1007/s004250050096      [本文引用: 1]

Gao X. F. ; Jiang L. Nature 2004, 432 (7013), 36.

DOI:10.1038/432036a      [本文引用: 1]

王鹏伟; 刘明杰; 江雷. 物理学报, 2016, 18, 186801.

DOI:10.7498/aps.65.186801      [本文引用: 1]

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