物理化学教学中对分课堂的实践

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摘要：本文基于在线开放课程教学平台，结合物理化学课程的特点，阐述在物理化学教学中实施“以问题为中心”的教学法（PBL）与对分课堂结合的具体实施步骤，探讨这种教学模式在物理化学教学实践中的应用。实践表明，这种教学模式不仅提高了学生学习物理化学的兴趣，提高了课堂的教学效率，而且培养了学生的实际应用能力。

关键词：物理化学;问题教学法;对分课堂;学习兴趣

物理化学是理工科专业的一门基础课程，其教学效果直接影响到人才培养质量。物理化学内容的逻辑性很强，包括大量的理论、模型和公式且其应用条件苛刻，对于大部分学生来说是一块难啃的“硬骨头”。这就使学生产生厌学情绪，严重影响物理化学课堂教学效果。因此，如何在教学大纲规定的教学内容里应用多种教学模式提高学生学习物理化学的兴趣，是改善课堂教学效果，培养创新人才的关键。近年来，慕课、微课等在线开放课程得到了快速发展，给传统的教学模式带来了新的挑战，引发了教育者对新的教学模式和教学设计的思考。对分课堂，又简称PAD课堂，是由普林斯顿心理学博士、复旦大学张学新教授2013年率先提出的。对分课堂的操作程序包括教师课上教授（Presentation）、学生课外内吸收（Assimilation）和学生课上讨论（Discussion）三个环节。其核心理念是将课堂时间平均分配：一半课堂时间给教师讲授，另一半时间用作学生讨论。教师讲授和学生讨论的时间错开，实施“隔堂讨论”，让学生在课后有一周时间自主安排学习，以进行个性化的内化吸收。这一教学模式结合传统教授式课堂与讨论式课堂各自的优势，而有效地规避了两者独立实施的缺陷，可以有效地调动学生的学习积极性。自2014年以来，这一教学模式引起了国内高校的广泛关注。“以问题为中心”的教学法（Problem-BasedLearning，PBL）主要以学生为中心，以问题为基础，通过精选问题、界定问题、解析问题、成果展示和总结反思等五个环节，培养学生分析和解决问题的能力。PBL教学模式与目前倡导的“以学生为中心”的教学理念是吻合的。基于物理化学的课程特点和本校的学生特性以及培养模式，如果直接采用翻转课堂代替传统课堂模式，可能会对学生带来较大冲击，课上讨论环节学生较难适应。因此，基于PBL的对分课堂教学模式改革应用于物理化学教学实践中。该模式可实现课上课下相结合、课内课外相衔接，使师生课堂活动时间重新被分配，真正体现学生的主体地位。这种教学模式具有可操作性，取得了良好的教学效果。在2016级精细化工专业学生的物理化学教学中，作者首次尝试了基于PBL的对分课堂教学模式。具体实施方案和案例介绍如下。

一、基于PBL的对分课堂教学模式实践过程

精细化工专业的物理化学课程共64学时，一周两次课，每次课连续两节，每节50分钟，共16周的课程，主要学习热力学、化学平衡、相平衡、电化学、界面现象与胶体和动力学六大部分内容。基于PBL的对分课堂的实施过程如下图所示。试点班以PBL为基础，课堂上将学生4～6人分成一个讨论小组，组内讨论个人学习时的问题并寻求解决方法。教师根据小组讨论的情况，有针对性地进行讲解，并实时调整课堂教学进度。我们采用的是隔堂对分的对分课堂形式，在具体实施时灵活运用，根据不同内容对讲授时间和学生讨论的时间比例进行调整，并非一定是讲授时间和讨论时间平均分配，也并非每一次课都采用对分课堂形式。为了辅助课堂教学，方便学生课下学习，开设了物理化学在线开放课程网络平台，相关的教学资源包括多媒体课件、教学视频、作业等。学生也可进行在线讨论和问题解析，开展互动交流，教师也会根据学生学习过程中产生的疑问及时进行解答。以热力学第二定律为例。热力学第二定律是热力学的基本定律之一，这部分内容的概念抽象，原理费解，学生理解起来比较困难，是物理化学的教学难点之一。在采用对分课堂教学模式时，我们在第一次课中对知识框架进行讲解引入了第二定律的内容。首先通过一些生活中的实例说明满足热力学第一定律的现象也不一定能发生。例如气体可以自由地膨胀，但却不能自由地压缩；一杯热水可以在空气中自然冷却，却不能自发地从空气中吸收热量而温度升高；墨汁滴入水中可以自由扩散，却不能发生其逆过程即墨水中的小炭粒自发聚集到一起成为一滴墨汁；但空调工作时，为什么热量是从低温物体传到高温物体。通过实例逐步引导学生得出结论过程是有方向和限度的，从而引入热力学第二定律的表述。然后通过讲解卡诺循环，引入熵的概念和熵增原理。在此基础上，下课前给学生布置课后自主学习的内容，要求学生完成学习笔记，并给学生布置精心准备的问题。例如，熵的本质是什么；利用熵增原理阐明“覆水难收”“破镜难圆”“木已成舟”等自然过程；热力学第二定律表述为：孤立系统的熵永不减少。这意味着熵可以不变或者增加，那么，第二定律为什么又称为熵增原理？自然过程中熵可以不变吗？如果将生命看成是在高温热源（太阳）和低温热源（地面）之间工作的热机，如何用热力学第二定律阐明生命系统的运转……课下，学生首先要温习上次课内容，并完成自主学习内容和学习笔记，然后学生利用课余时间查阅资料、准备老师布置的思考题和课堂讨论，并可通过网络平台及时将疑难问题进行反馈。这个过程是学生自主化、个性化地学习过程，可以根据自己的学习能力和计划安排学习时间。在第二次课的第一节课上，教师针对学生在学习过程中出现的疑难问题，引导学生交流、分组讨论并解决问题，完成上一次课所学知识的巩固。第二次课的第二节课，教师讲授下一章节的重点内容，并在下课前给学生布置自主学习内容和问题。后面每一次的上课模式都与第二次课相类似。每学完一章后，要求学生进行总结，对本章的内容进行回顾和整理，并画出本章的知识结构图。

二、基于PBL的对分课堂教学模式实践的几点思考

1.教师精讲内容与学生自主学习内容的分配在“对分课堂”教学模式中，教师上一次课讲授的内容与下一次课中学生的讨论是密切相关的，所以哪些内容需要教师精讲，哪些可以是学生课下自主学习，这是在教学设计中要考虑的一个重点问题。因此，在对分课堂教学实施过程中，教师的讲授不需要完整详尽，而是对章节的主要内容进行概括，精讲其中的难点与重点内容，使学生对章节内容形成一个知识框架，而把学生自己可以看懂的简单一些的内容留到学生课下的学习中解决。在我们的教学实践中，针对对分课堂教学模式，重新进行了教学过程设计，并对课件进行了修改，使讲授内容与学生自学内容和课堂讨论内容更加明确，对课上讲授的内容精益求精，并注重教学方法，注重引导。学生的反馈是，他们也更加清楚了哪些是章节的重点难点，从而做到有的放矢。这种模式下的教学不再是简单的讲授+讨论，既保证了教师不可缺少的引导作用，又充分地发挥了学生的主动性，让创新性思维与学生的沟通合作能力在每一次课中得到贯彻。

2.问题的设计基于PBL的对分课堂教学的另一个关键问题就是课后问题和作业的布置，问题和作业的难易程度、数量和形式直接影响学生在课后的内化吸收效率和效果。在问题设计时，需要注意以下几点：（1）明确教学目的、教学内容和重点难点，问题的设计要围绕重点难点提出。以表面张力章节为例，基本要求是：明确液体比表面吉布斯函数和表面张力的概念，理解附加压力及其引起的表面现象。在课堂上讲授了表面张力的概念、附加压力的产生，为了加深学生的理解，可以围绕基本内容给学生布置诸如以下问题：观察指尖下的肥皂泡和水滴在形状上有什么共同特征？为什么是这样？观看网络上回形针浮于水面的实验视频并试做，观察浮于水面的回形针周围的水面有什么特殊之处？分析在口径很小的玻璃管中，水面和水银面的内外压强有什么差别？对于中空的肥皂泡，如果认为液膜的内外两个表面的半径相等，则肥皂泡内外的压强差为多大？（2）问题的设计要由易到难，层次递进。在PBL教学模式中，问题的设计除了要涵盖教学内容基础，还要注意层次递进，逐步深入地提出与内容相关的核心问题，在追问的过程中刺激学生思考，激发寻找解决的方案。例如在以上表面张力的例子中，就体现了这一设计原则。另外，为了避免因学生准备不充分或者不积极发言而导致课堂讨论时冷场的情况，在实施的初期设计问题时尽可能将内容细分成若干个知识点，课堂讨论中各知识点由不同的小组完成，这样，如果个别学生准备不充分，就不会影响整个课堂的实施。（3）问题的创设要生动直观，与实际结合。在创设问题时，要善于利用网路资源，问题情境要生动直观，把抽象、深奥的问题具体化、形象化，让枯燥的理论趣味化，从而激发学生的学习兴趣和探究问题的热情。例如在表面张力一章中讲到表面活性剂时，我们可以提出这样的问题：观看网络视频并试做在牛奶中加入液体颜料，然后在其中加入一滴洗洁精的实验，观察现象并分析产生此现象的原因；寒冷的冬天，从室外进入温暖的室内时，眼镜就会起一层雾。思考如何利用表面张力避免眼镜起雾。在相平衡一章，可以有如下问题：因为北冰洋全是海水，因纽特人没有可以饮用的淡水，他们需要到冰山上去取冰回来后熔化，那么因纽特人应该选择怎样的环境温度下取冰？这类的问题与生活息息相关，让学生感受到“学以致用”，可以有效地激发学生的兴趣，调动学生探究问题的积极性。

3.提高学生解决综合问题的能力物理化学课程的知识点多、公式多、公式条件多，知识的逻辑性和关联性很强，学习过程中我们还要考虑知识点之间的关联性，加练一些综合题，有意识地锻炼学生利用知识解决综合问题的能力。例如，化学动力学中的阿累尼乌斯方程与化学平衡热力学中的范特霍夫等压方程和相平衡热力学中的克-克方程具有类似的形式，这三个方程有何异同？利用这三个方程分别解决什么问题？又如，在相平衡一章，针对化工专业的背景，引入反应精馏的例子：直接酯化法是国内工业生产醋酸乙酯的主要工艺路线。以醋酸和乙醇为原料，硫酸为催化剂直接酯化得醋酸乙酯。让学生查阅资料了解直接酯化法生产乙酸乙酯的详细工艺流程，并思考此流程中产物是通过什么原理进行分离的？当反应达到平衡后，是如何提高转化率的？以前学过的无机或有机反应是否也有可以采用类似的方法的？课堂上通过同学们的讨论，引导同学们理解反应精馏巧妙地将相平衡和化学平衡结合起来，既实现了产物的分离，又通过化学平衡的移动提高了反应物的转化率。通过一学期这样的锻炼之后，学生解决综合问题的能力得到了提高。

三、基于PBL的对分课堂的教学效果

基于PBL的对分课堂从教师如何教到学生如何学、从课下自主学习到课堂管理模式，与传统的教学模式相比都发生了根本性的变革。在此教学模式中，教师在保证教学体系的基础上，在把握重点和难点知识的前提下，选择部分关键问题留给学生课后思考探究，引导学生对难点深入理解。学生在课后经过课程复习和完成作业，再到课堂进行“隔堂讨论”，这与传统的课堂讲授为主的PBL法相比，“隔堂讨论”可以使学生有备而来，为课堂讨论的有效性奠定了基础，学生的学习兴趣和讨论质量也显著提高。在对分课堂教学模式中，保留了一半的传统教学的课堂讲授，有助于帮助学生把握课程的基本框架和重点难点。而课下对知识的内化吸收和“隔堂讨论”则培养了学生的主动思考能力与探究能力，提高了学生有效参与课堂讨论和小组合作能力。通过一学期的教学实践，我们发现学生已经很熟练地掌握了查阅资料的方法，课上大部分学生积极参加小组讨论并踊跃回答问题，越来越多的学生对物理化学充满了兴趣。另外，对分课堂的教学模式使课堂氛围变得活泼、愉快，分组讨论让基础较好的同学带动了基础较差一点的同学，促使同学们提高了学习物理化学的积极性。在课堂讨论中，学生尝试用各种方法解决问题，时时碰撞出智慧的火花，这在极大程度上培养了学生的创新性思维。在学期末，我们采用问卷调查和期末测验的方法对基于PBL的对分课堂的教学效果进行了评价，并总结学生对该课程模式的反馈意见。结果表明，92%的学生认为，基于PBL的对分课堂教学模式提高了学习主观能动性，增加了教师的“教”与学生的“学”之间的互动；85%的学生认为，课后的学习时间管理能力和注意力集中能力得到了提高；80%的学生表示，对物理化学的重点难点知识的掌握能力高于预期目标；90%的学生表示对分课堂的应用提高了学生的团队协作能力。从期末测试的成绩看，实验班在客观题的得分情况与对照班无明显区别，但主观题的得分情况以及总成绩要比对照班好。这说明学生的解决问题的能力和主动探究能力得到了加强。

四、结束语

物理化学是高校理工科专业的基础课程，改善物理化学教学效果，提高教学质量是提高人才培养质量的关键。物理化学教师需要不断提升自己的知识水平和业务能力，激发学生的主观能动性，不断寻找适合培养具有创新能力的教学方法。基于PBL的对分课堂教学模式应用到教学实践中尚属于探索阶段，在实践中可能会遇到很多的实际问题，对教师的把控能力要求较高，需要教师多加思考、不断摸索和提升，根据课程的特点进行演化。在今后的教学实践中，笔者将依据教学效果与反馈进一步优化和完善基于PBL的对分课堂教学模式，以期培养学生的创新能力，进一步提高教学效果。

参考文献：

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作者：刘杰 单位：青岛科技大学化学与分子工程学院