物理化學教學中對分課堂的實踐
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摘要：本文基于在線開放課程教學平臺，結合物理化學課程的特點，闡述在物理化學教學中實施“以問題為中心”的教學法（PBL）與對分課堂結合的具體實施步驟，探討這種教學模式在物理化學教學實踐中的應用。實踐表明，這種教學模式不僅提高了學生學習物理化學的興趣，提高了課堂的教學效率，而且培養(yǎng)了學生的實際應用能力。
關鍵詞：物理化學;問題教學法;對分課堂;學習興趣
物理化學是理工科專業(yè)的一門基礎課程，其教學效果直接影響到人才培養(yǎng)質量。物理化學內容的邏輯性很強，包括大量的理論、模型和公式且其應用條件苛刻，對于大部分學生來說是一塊難啃的“硬骨頭”。這就使學生產生厭學情緒，嚴重影響物理化學課堂教學效果。因此，如何在教學大綱規(guī)定的教學內容里應用多種教學模式提高學生學習物理化學的興趣，是改善課堂教學效果，培養(yǎng)創(chuàng)新人才的關鍵。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)的教學模式帶來了新的挑戰(zhàn)，引發(fā)了教育者對新的教學模式和教學設計的思考。對分課堂，又簡稱PAD課堂，是由普林斯頓心理學博士、復旦大學張學新教授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）、學生課外內吸收（Assimilation）和學生課上討論（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，另一半時間用作學生討論。教師講授和學生討論的時間錯開，實施“隔堂討論”，讓學生在課后有一周時間自主安排學習，以進行個性化的內化吸收。這一教學模式結合傳統(tǒng)教授式課堂與討論式課堂各自的優(yōu)勢，而有效地規(guī)避了兩者獨立實施的缺陷，可以有效地調動學生的學習積極性。自2014年以來，這一教學模式引起了國內高校的廣泛關注?！耙詥栴}為中心”的教學法（Problem-BasedLearning，PBL）主要以學生為中心，以問題為基礎，通過精選問題、界定問題、解析問題、成果展示和總結反思等五個環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學生分析和解決問題的能力。PBL教學模式與目前倡導的“以學生為中心”的教學理念是吻合的。基于物理化學的課程特點和本校的學生特性以及培養(yǎng)模式，如果直接采用翻轉課堂代替?zhèn)鹘y(tǒng)課堂模式，可能會對學生帶來較大沖擊，課上討論環(huán)節(jié)學生較難適應。因此，基于PBL的對分課堂教學模式改革應用于物理化學教學實踐中。該模式可實現課上課下相結合、課內課外相銜接，使師生課堂活動時間重新被分配，真正體現學生的主體地位。這種教學模式具有可操作性，取得了良好的教學效果。在2016級精細化工專業(yè)學生的物理化學教學中，作者首次嘗試了基于PBL的對分課堂教學模式。具體實施方案和案例介紹如下。
一、基于PBL的對分課堂教學模式實踐過程
精細化工專業(yè)的物理化學課程共64學時，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，主要學習熱力學、化學平衡、相平衡、電化學、界面現象與膠體和動力學六大部分內容?；赑BL的對分課堂的實施過程如下圖所示。試點班以PBL為基礎，課堂上將學生4～6人分成一個討論小組，組內討論個人學習時的問題并尋求解決方法。教師根據小組討論的情況，有針對性地進行講解，并實時調整課堂教學進度。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用，根據不同內容對講授時間和學生討論的時間比例進行調整，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，方便學生課下學習，開設了物理化學在線開放課程網絡平臺，相關的教學資源包括多媒體課件、教學視頻、作業(yè)等。學生也可進行在線討論和問題解析，開展互動交流，教師也會根據學生學習過程中產生的疑問及時進行解答。以熱力學第二定律為例。熱力學第二定律是熱力學的基本定律之一，這部分內容的概念抽象，原理費解，學生理解起來比較困難，是物理化學的教學難點之一。在采用對分課堂教學模式時，我們在第一次課中對知識框架進行講解引入了第二定律的內容。首先通過一些生活中的實例說明滿足熱力學第一定律的現象也不一定能發(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。通過實例逐步引導學生得出結論過程是有方向和限度的，從而引入熱力學第二定律的表述。然后通過講解卡諾循環(huán)，引入熵的概念和熵增原理。在此基礎上，下課前給學生布置課后自主學習的內容，要求學生完成學習筆記，并給學生布置精心準備的問題。例如，熵的本質是什么；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熱源（太陽）和低溫熱源（地面）之間工作的熱機，如何用熱力學第二定律闡明生命系統(tǒng)的運轉……課下，學生首先要溫習上次課內容，并完成自主學習內容和學習筆記，然后學生利用課余時間查閱資料、準備老師布置的思考題和課堂討論，并可通過網絡平臺及時將疑難問題進行反饋。這個過程是學生自主化、個性化地學習過程，可以根據自己的學習能力和計劃安排學習時間。在第二次課的第一節(jié)課上，教師針對學生在學習過程中出現的疑難問題，引導學生交流、分組討論并解決問題，完成上一次課所學知識的鞏固。第二次課的第二節(jié)課，教師講授下一章節(jié)的重點內容，并在下課前給學生布置自主學習內容和問題。后面每一次的上課模式都與第二次課相類似。每學完一章后，要求學生進行總結，對本章的內容進行回顧和整理，并畫出本章的知識結構圖。
二、基于PBL的對分課堂教學模式實踐的幾點思考
1.教師精講內容與學生自主學習內容的分配在“對分課堂”教學模式中，教師上一次課講授的內容與下一次課中學生的討論是密切相關的，所以哪些內容需要教師精講，哪些可以是學生課下自主學習，這是在教學設計中要考慮的一個重點問題。因此，在對分課堂教學實施過程中，教師的講授不需要完整詳盡，而是對章節(jié)的主要內容進行概括，精講其中的難點與重點內容，使學生對章節(jié)內容形成一個知識框架，而把學生自己可以看懂的簡單一些的內容留到學生課下的學習中解決。在我們的教學實踐中，針對對分課堂教學模式，重新進行了教學過程設計，并對課件進行了修改，使講授內容與學生自學內容和課堂討論內容更加明確，對課上講授的內容精益求精，并注重教學方法，注重引導。學生的反饋是，他們也更加清楚了哪些是章節(jié)的重點難點，從而做到有的放矢。這種模式下的教學不再是簡單的講授+討論，既保證了教師不可缺少的引導作用，又充分地發(fā)揮了學生的主動性，讓創(chuàng)新性思維與學生的溝通合作能力在每一次課中得到貫徹。
2.問題的設計基于PBL的對分課堂教學的另一個關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、數量和形式直接影響學生在課后的內化吸收效率和效果。在問題設計時，需要注意以下幾點：（1）明確教學目的、教學內容和重點難點，問題的設計要圍繞重點難點提出。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和表面張力的概念，理解附加壓力及其引起的表面現象。在課堂上講授了表面張力的概念、附加壓力的產生，為了加深學生的理解，可以圍繞基本內容給學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？觀看網絡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，水面和水銀面的內外壓強有什么差別？對于中空的肥皂泡，如果認為液膜的內外兩個表面的半徑相等，則肥皂泡內外的壓強差為多大？（2）問題的設計要由易到難，層次遞進。在PBL教學模式中，問題的設計除了要涵蓋教學內容基礎，還要注意層次遞進，逐步深入地提出與內容相關的核心問題，在追問的過程中刺激學生思考，激發(fā)尋找解決的方案。例如在以上表面張力的例子中，就體現了這一設計原則。另外，為了避免因學生準備不充分或者不積極發(fā)言而導致課堂討論時冷場的情況，在實施的初期設計問題時盡可能將內容細分成若干個知識點，課堂討論中各知識點由不同的小組完成，這樣，如果個別學生準備不充分，就不會影響整個課堂的實施。（3）問題的創(chuàng)設要生動直觀，與實際結合。在創(chuàng)設問題時，要善于利用網路資源，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)學生的學習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：觀看網絡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，觀察現象并分析產生此現象的原因；寒冷的冬天，從室外進入溫暖的室內時，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，讓學生感受到“學以致用”，可以有效地激發(fā)學生的興趣，調動學生探究問題的積極性。
3.提高學生解決綜合問題的能力物理化學課程的知識點多、公式多、公式條件多，知識的邏輯性和關聯性很強，學習過程中我們還要考慮知識點之間的關聯性，加練一些綜合題，有意識地鍛煉學生利用知識解決綜合問題的能力。例如，化學動力學中的阿累尼烏斯方程與化學平衡熱力學中的范特霍夫等壓方程和相平衡熱力學中的克-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，引入反應精餾的例子：直接酯化法是國內工業(yè)生產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。讓學生查閱資料了解直接酯化法生產乙酸乙酯的詳細工藝流程，并思考此流程中產物是通過什么原理進行分離的？當反應達到平衡后，是如何提高轉化率的？以前學過的無機或有機反應是否也有可以采用類似的方法的？課堂上通過同學們的討論，引導同學們理解反應精餾巧妙地將相平衡和化學平衡結合起來，既實現了產物的分離，又通過化學平衡的移動提高了反應物的轉化率。通過一學期這樣的鍛煉之后，學生解決綜合問題的能力得到了提高。
三、基于PBL的對分課堂的教學效果
基于PBL的對分課堂從教師如何教到學生如何學、從課下自主學習到課堂管理模式，與傳統(tǒng)的教學模式相比都發(fā)生了根本性的變革。在此教學模式中，教師在保證教學體系的基礎上，在把握重點和難點知識的前提下，選擇部分關鍵問題留給學生課后思考探究，引導學生對難點深入理解。學生在課后經過課程復習和完成作業(yè)，再到課堂進行“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”可以使學生有備而來，為課堂討論的有效性奠定了基礎，學生的學習興趣和討論質量也顯著提高。在對分課堂教學模式中，保留了一半的傳統(tǒng)教學的課堂講授，有助于幫助學生把握課程的基本框架和重點難點。而課下對知識的內化吸收和“隔堂討論”則培養(yǎng)了學生的主動思考能力與探究能力，提高了學生有效參與課堂討論和小組合作能力。通過一學期的教學實踐，我們發(fā)現學生已經很熟練地掌握了查閱資料的方法，課上大部分學生積極參加小組討論并踴躍回答問題，越來越多的學生對物理化學充滿了興趣。另外，對分課堂的教學模式使課堂氛圍變得活潑、愉快，分組討論讓基礎較好的同學帶動了基礎較差一點的同學，促使同學們提高了學習物理化學的積極性。在課堂討論中，學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)了學生的創(chuàng)新性思維。在學期末，我們采用問卷調查和期末測驗的方法對基于PBL的對分課堂的教學效果進行了評價，并總結學生對該課程模式的反饋意見。結果表明，92%的學生認為，基于PBL的對分課堂教學模式提高了學習主觀能動性，增加了教師的“教”與學生的“學”之間的互動；85%的學生認為，課后的學習時間管理能力和注意力集中能力得到了提高；80%的學生表示，對物理化學的重點難點知識的掌握能力高于預期目標；90%的學生表示對分課堂的應用提高了學生的團隊協(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。這說明學生的解決問題的能力和主動探究能力得到了加強。
四、結束語
物理化學是高校理工科專業(yè)的基礎課程，改善物理化學教學效果，提高教學質量是提高人才培養(yǎng)質量的關鍵。物理化學教師需要不斷提升自己的知識水平和業(yè)務能力，激發(fā)學生的主觀能動性，不斷尋找適合培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力的教學方法。基于PBL的對分課堂教學模式應用到教學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，根據課程的特點進行演化。在今后的教學實踐中，筆者將依據教學效果與反饋進一步優(yōu)化和完善基于PBL的對分課堂教學模式，以期培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力，進一步提高教學效果。
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作者：劉杰 單位：青島科技大學化學與分子工程學院
