大学化学, 2022, 37(2): 2105031-0 doi: 10.3866/PKU.DXHX202105031

专题

线上线下混合式物理化学实验研究型教学改革

田东亮,

Online and Offline Hybrid Research Teaching Practice of Physical Chemistry Laboratory

Tian Dongliang,

通讯作者: 田东亮, Email: tiandl@buaa.edu.cn

收稿日期: 2021-05-12   接受日期: 2021-07-1  

基金资助: 北京航空航天大学一流本科课程(物理化学实验)
“凡舟”课程教学团队(物理化学实验)

Received: 2021-05-12   Accepted: 2021-07-1  

Abstract

In view of the existing problems of laboratory teaching in the cultivation of innovative talents, this paper introduces the reform and practice on laboratory teaching of physical chemistry at the School of Chemistry, Beihang University. Online teaching is flexible and not limited by space and time, and offline teaching aims at cultivation of operating ability and scientific literacy. We carried out online and offline integrated research-oriented teaching, including progressive teaching content design, personalized experimental operation guidance and training, scientific research paper report summary, topic presentation and discussion. By combining theoretical methods, virtual operation, practical training and summary discussion, giving full play to the advantages of teachers' guidance and students' main body, multi-dimensional cultivation and improvement of students' scientific literacy, innovative thinking and comprehensive innovation ability, this reform provides beneficial reference for improving the quality of laboratory teaching and promoting the cultivation of innovative talents.

Keywords: Physical chemistry laboratory ; Hybrid teaching ; Research teaching ; Innovation ability ; Scientific quality

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田东亮. 线上线下混合式物理化学实验研究型教学改革. 大学化学[J], 2022, 37(2): 2105031-0 doi:10.3866/PKU.DXHX202105031

Tian Dongliang. Online and Offline Hybrid Research Teaching Practice of Physical Chemistry Laboratory. University Chemistry[J], 2022, 37(2): 2105031-0 doi:10.3866/PKU.DXHX202105031

化学是一门重要的基础自然科学,在人类的衣食住行等生存条件和社会的文明进步中具有重要的意义。物理化学采用物理的原理和方法研究化学现象并揭示其本质,是现代化学发展的理论根基[1, 2]。实验是研究化学的基础,揭示化学本质的必经之路。化学实验的教学在学生动手能力、科学素养及综合创新能力培养中具有极其重要的作用,加强实验教学已成为当代全面提高学生综合素质的迫切要求[35]。物理化学实验通常开设在大学二、三年级,是建立在化学类相关专业本科生学好无机化学、有机化学、分析化学基础上的一门高阶课程,是学生所学理论知识向应用过渡的重要阶段,是培养学生创新思维能力和科学素养的重要环节,是化学方法及思维从实践中来并用于指导实践的重要桥梁[68]

实验室现场操作是常规的实验教学方式,也是培养学生动手能力的有效手段[912]。传统的物理化学实验教学采用课前预习并完成预习报告,课上教师讲学生听,教师操作演示学生做,之后学生撰写实验报告。虽然这种实验教学方式能够很好地完成实验教学任务,但是学生学习的兴趣不高,积极性差,学生的创新能力提高不明显。近年来,随着现代信息技术的不断发展,各种线上教学形式不断涌现,如雨课堂、云班课、腾讯会议、虚拟仿真实验平台等不断增加。特别是面对突如其来的新冠疫情,传统实验教学遇到了极大的困难。响应教育部“停课不停教,停课不停学”的要求,我校开展了物理化学实验线上教学,顺利完成了教学任务,保障了不同学期与不同课程的衔接问题,达到了较为满意的效果。但是,在实际实验教学过程中,如何增强学生的动手能力和综合创新能力仍然具有很大的挑战性[1316]

因此,为了充分发挥线上灵活、个性化的教学优势,并结合线下实际操作有利于培养学生严谨求实的动手操作能力和科学素养,强化学生创新思维和创新能力培养的特点,进行线上线下相结合的混合式教学是当前物理化学实验教学的趋势,有利于解决实验教学中“教师应该怎么教,学生应该怎么学”,“教师应该怎么讲,学生应该怎么做”,“如何提高上课效率和质量的问题”。

1 我校物理化学实验开设情况

在近3年的实验教学实践中,采用线上线下相结合的形式,完成包含课前预习、预习报告(含预习思考题)、实验课前学生讲解和示范操作、学生提问和纠正、教师纠正和强调重点注意事项的方式,进行讲解教学、学生具体操作、教师随堂答疑和指导、课后论文式实验报告、实验总结、期末总结等教学内容及过程。其中,我们采用课程中心网站发布通知和提供电子资料、微信解决共性和个性问题、物理化学虚拟仿真平台(北京微瑞集智科技有限公司)等预习、电子化论文式实验报告总结,以及腾讯会议交流和讨论等线上手段开展教学,收到了很好的效果。尤其是应对突如其来的新冠疫情,为了避免发生聚集性疫情,学生不能返校,线下为主的实验课程停开。如何突破时间和空间限制,在特殊时期进行实验教学,是我们所关注的焦点。基于长期的教学探索实践基础和充分的调研,结合我校具体情况,我们制定了疫情期间物理化学实验的线上教学方案,保障了不同学期与不同课程的衔接问题,收到了较为满意的效果。同时,也为进一步加强实验教学效果和提升学生的学习效果奠定了坚实的基础。

2 线上线下混合式研究型教学实践

坚持以学生为本的教学理念,不仅要注重学生对理论知识的理解,更要加强学生动手操作能力、科学思维和创新能力的培养。教学实践中,一方面要重视学生对理论知识,包括实验背景、原理的理解;另一方面要加强学生发现、提出、分析和解决问题的创新思维能力培养;再一方面强化学生分析总结、设计创新的能力培养。最后,培养学生整体把握、科学改进与综合创新的能力。鉴于此,为了实现整体课程目标,我们从课程设计、教学实施、总结反馈等方面进行了探究与实践。综合使用现代信息手段,完成了线上线下相结合的实验教学。下面主要以春季学期开设的物理化学实验1 (8个实验,包括燃烧热的测定、液体饱和蒸汽压的测定、粘度法测定高聚物的摩尔质量、分配系数和平衡常数的测定、分解反应平衡常数的测定、双液体系沸点–组成图的绘制、二组分合金体系相图的绘制、凝固点降低法测摩尔质量)为例进行介绍,如表 1所示。

表1   物理化学实验线上线下相结合的开设方式

序号实验名称电子讲义教学视频MOOC虚拟实验*线上讨论、总结线下
翻转+实操
自编网络+自录湖南大学、西安交大
大连理工等
微实Mlabs腾讯会议+微信
1燃烧热的测定
2液体饱和蒸汽压的测定
3粘度法测定高聚物的摩尔质量
4分配系数和平衡常数的测定
5分解反应平衡常数的测定
6双液体系沸点–组成图的绘制
7二组分合金体系相图的绘制
8凝固点降低法测摩尔质量

*两个虚拟实验平台,微实化学虚拟仿真平台(北京微瑞集智科技有限公司)和Mlabs (慕乐网络科技(大连)有限公司)
“–”其中,实验4,主要是分析滴定实验,操作简单,主要结合视频进行专题讨论,加强了设计部分实验的讲解与扩展训练

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2.1 课程设计

在教学过程中,我们始终坚持线上教学辅助线下教学,以高质量完成教学内容和能力培养目标,进行了实施方案的设计。坚持三步走的策略,即围绕课前预习、课堂实施、课后总结与分析全面展开。在教学内容方面,选用自编电子化讲义,保证内容与教学目标的统一;同时,选用中国大学慕课,其中包括湖南大学基础化学实验(物理化学)、西安交通大学和大连理工大学物理化学实验等作为参考材料,要求学生们进行预习;在此基础上,结合我们的实际实验操作部分,选取了虚拟实验平台进行预操作,其中包括两个虚拟实验平台,即微实化学虚拟仿真平台(北京微瑞集智科技有限公司)和Mlabs (慕乐网络科技(大连)有限公司),两个平台内容相互补充,共同为我校物理化学实验教学提供支撑,保证学生在到达实验室进行实验操作之前已经完成了预操作,熟悉了整个流程和仪器的要点,以及实验中的一些基本注意事项,整个过程结合微信进行答疑。在实验室实操阶段,首先提问学生具体操作及核心要点,之后学生间互相提问及补充,教师纠正学生描述中的错误及补充讲解,进一步细化引导实验关键内容、注意事项等。在此基础上,学生进行实际操作,教师规范操作的同时引导学生逐步提出问题、分析问题、解决问题,培养其科学思维和能力。课后实验总结阶段,我们要求学生采用科研式论文报告对实验过程进行总结,重新回顾实验过程及其中的重要原理及方法。总结讨论和交流阶段,课后对实验内容及论文式报告进行总结和专题分析,其中也包括教师对学生的反馈进行总结回复等。通过充分发挥教师为主导和学生为主体的优势,将课程与训练结合,提升学生的综合创新能力。

2.2 课程教学实施

在教学过程中,我们围绕课前预习、课中实验操作,和课后总结反馈与专题讨论三个重要阶段开展线上线下相结合的研究型教学,采用了课程中心网站、微信群、大学慕课、虚拟实验平台、教学实验室、电子邮箱、腾讯会议等线上线下教学方式进行不同任务的教学,采取了理论→实践→理论的教学与学习认知过程,加强了理论和方法的掌握及其融通,提升了获得用于指导实践解决复杂问题方法的能力(图 1)。

图1

图1   导学结合提升学生综合创新能力的线上线下混合式教学设计


2.2.1 课前预习

通过学校课程中心网站给学生提供自编电子讲义和一些相关的科学前沿文献电子资料进行预习,深入了解实验背景,和在当时背景条件下的实验原理和实验方法,了解其优势和局限性,通过学习加深对科学家前期研究工作的理解,树立正确的价值观和人生观,培养其专业认同感和自豪感。进一步根据实验内容进行部分设计,如燃烧热的测量中不同固液燃料的测定方法,分解反应平衡常数的测定中实验步骤的确定,二组分合金体系相图的绘制中设计试剂铅锡样品的质量配比及实验步骤等,并完成课后的思考题。同时,参看提供的大学慕课中湖南大学、西安交通大学和大连理工大学等物理化学实验的参考资料及本校物理化学课程组自录视频资料,对实验仪器的原理和操作进行熟悉,了解其工作原理和注意事项。通过文献调研、资料收集、分析和评价,培养学生的总结能力,进一步加强学生的实验设计和改进能力。拓展学生的知识广度和深度,提升学生分析、评价和解决问题的方法和能力培养,体现出物理化学实验的高阶性。同时,采取了微信答疑模式,若有疑问可以随时通过微信进行提问和交流,克服了学生学习中答疑时间上的限制。

2.2.2 课中实验教学

教学过程中,主要采用翻转课堂形式教学,加强生生互动、师生互动,教师引导启发和探究教学,极大程度上加强了学生的个性化、差异化和精准化指导,培养学生发现、提出并解决问题的能力,以及严谨科学的态度和团结协作的能力,实现了因材施教,提高了上课的效率和质量。首先,课上针对预习情况进行提问,检查预习效果。针对实验预习中存在的一些问题,我们在课上先统一解决,然后学生讲解实验和示范操作,学生提问进行互动,教师进行指正并强调主要事项。该过程中,引导学生深入了解实验的背景、目的原理,以及该实验的应用及前景(图 2),以思路图的形式给出本实验的设计及仪器工作原理、具体使用方法,并强调实验操作中的注意事项。在此基础上,学生进行操作,通过临时调整实验参数,增加设计性部分,提升实验教学的挑战度。同时,让学生带着教师的问题和提示进行操作,及时准确发现并记录,对于实验中的异常现象要记录并进行讨论,培养学生严谨的思维、应变能力和创新能力。

图2

图2   物理化学实验研究型教学讲解部分实例


2.2.3 课后总结

实验课后,学生们根据课上的教学内容进行梳理和撰写科研论文式报告[17, 18],这种科研论文报告要求学生按照统一的格式撰写,再次让学生以整体的形式理解和把握实验内容,使学生进一步明确为什么做这个实验、怎么做这个实验和做了这个实验后有什么用,以及对这个实验的体会和改进建议,极大程度上提高了学生的总结分析能力(图 3)。通过撰写改进建议,加强了学生对实验的细致观察和积极思考,提高了学生分析、分解、设计和解决复杂实际问题的能力。实验报告撰写完后通过电子邮件发送至统一邮箱,便于收发和批改,批改过程也采用电子化方式,批改后将存在问题及时反馈给学生,便于进一步修改,并且将写得比较好的实验报告以电子版的形式给大家作为参考范例。针对科研论文式报告的重点数据分析和讨论、实验设计及其他重要事项安排了专题讲解(根据具体情况安排线上或线下的形式),并和学生进行讨论,提供最为有效的上课方式,同时安排微信群随时答疑,快速及时解决了学生学习过程中的疑问。

图3

图3   论文式实验报告实践要求及实例


为了进一步了解学生的学习情况和对课程的建议,以便在今后的课程中进行针对性改革,在学期期末总结时我们采取了腾讯会议的形式进行线上PPT汇报展示,同学们都非常认真地总结了自己学习中的优点、存在问题与不足,同时也对课程中内容设置以及课程的未来建设提出了自己的合理建议(图 4)。

图4

图4   物理化学实验期末总结学生线上PPT汇报展示实例(腾讯会议截图)


2.2.4 实验室开放

我校大类招生分流后的学生化学基础参差不齐,为了解决这一问题,我们为学生开放实验室,积极鼓励学生在时间允许的条件下通过线上预约完善课内实验、加强实验和拓展实验。一方面,让基础差一点的学生能更好地掌握和完善上课内容,解决这些学生吃“好”的问题;另一方面,基础好的学生进一步拓展和深化,解决这些学生“吃饱”的问题。通过实验室的开放,进一步加强物理化学实验在学生科学素养和创新能力培养中的重要作用。

2.2.5 成绩评价

根据线上线下物理化学实验教学具体情况,设置了线上线下相结合的预习+反馈+课堂互动+实操+实验报告+专题报告+期末总结建议的课程考核模式。注重过程考核,通过线上线下相结合的教学实践,学生普遍欢迎这一教学模式,100%的同学能按照指定任务完成相应实验内容,提高了学生的主动参与性;80%以上的同学能够认真地完成每一环节;50%的同学能够很好地完成并提出适当改进建议,表现良好;30%的同学能够很好地完成并进行拓展和创新,而且表现优秀。在实验课的教学质量和效果方面,学生对我们的课程给予了肯定,认为“物理化学实验课程收获大,真正实现了由知识学习向方法学习和能力学习的转变,以及创新思维和能力的培养”,提升学生的动手能力、严谨意识和科学素养,促进教师“导”与学生“学”双重结合,最终实现教学相长。

2.2.6 同行及学生反馈

线上线下混合式研究型实验教学改革得到了师生的肯定和认可。期末问卷调查表明,所有学生都赞同线上线下物理化学实验教学,该过程可以有效保证教学培养计划的顺利执行,其中发现90%以上的学生认为可以很好地进行线上学习,掌握了查阅文献的方法,提高了科学分析、评价和总结,以及分解、设计实验以解决复杂问题的综合创新能力。同时,学生们一致认为实地观看实验仪器和进行现场操作是实验教学的核心基础内容。学生们对实验研究型教学过程中的课前学生讲解、生生互动、师生互动给予了充分肯定,认为可以有效加强学生的自律性,提高课程的学习效果。课程教学中启发引导、设计成分增加、论文式报告等可以很好地培养其逻辑思维能力和科学研究的能力,80%以上的学生能很好地完成论文式报告,20%的学生在教师的指导和督促下可以完成。学生们在期末PPT总结展示中也都表达了自己的心声,从刚开始把这门课程要求开展文献调研、实验设计和写论文式实验报告当成一门“硬课”的抵触,到适应后的收获喜悦,最后认为这是一门获取知识学习方法的“好课”,并且都认为这种教学过程应该延续下去。

因此,这种线上线下相结合的物理化学实验研究型教学,很好地发挥了线上线下混合式教学的优势,为更好地培养学生的综合创新能力奠定了基础。这一点与我们设计实验教学内容的初心是一致的,也进一步证明了我们课程设计的合理性。该实验教学的成功经验也为其他课程教学实施提供了借鉴。

3 结语

以学生为中心,开展了线上线下混合式物理化学实验研究型教学改革。在教学内容设计、实验操作、论文报告总结和专题分析等方面进行了教学实践。基于线上教学灵活、个性化的特点,很好地辅助线下教学实现课程目标,充分发挥了教师为主导和学生为主体的优势,将理论方法与实际训练相结合,提升学生的科学素养和综合创新能力,为其他课程的改革与建设提供了很好的范例。

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