一流课程建设中物理化学实验线上线下一体化教学探索

2020-10-10赵娣傅丽陈钰梁红莲郑慧敏

廊坊师范学院学报(自然科学版) 2020年3期

赵娣，傅丽，陈钰，梁红莲，郑慧敏

（廊坊师范学院，河北廊坊065000）

0 引言

2015年底，国家提出了“双一流”建设，旨在培养高精尖创新型人才。2019年教育部就一流本科课程的建设提出了实施意见。“一流大学”和“一流学科”建设中的最小单元就是“一流课程”的建设，深化教育教学改革，必须把教学改革成果落实到课程建设上，让课程适应新时代新的要求，满足应用型、创新型人才培养的需求［1，2］。实验教学是培养创新与实践能力的重要方式［3］，物理化学实验是化学、材料、生物等多个领域专业人才培养的重要基础。传统物理化学实验虽然在实验过程中学生自己动手操作，但整个实操过程学生都是按照讲义提供的步骤亦步亦趋，最后的报告也是千人一面。学生缺乏思考，其主体地位不能很好地发挥和体现。再加上实验设备数量有限，导致部分学生在实验中袖手旁观或只能负责其中一部分操作［4］，这些问题的存在使得整体教学效果不佳。

搭建线上线下一体化的物理化学实验教学模式，强化现代信息技术与教育教学深度融合，以“发现物理化学之美”的《宏观-微观综合实践训练》为创新点，优化重构教学内容与课程体系，提升课程的实用性和趣味性，增加课程的挑战性，有助于该课程在新的时代和技术背景下与时俱进，更好地解决教与学模式创新的问题［5］，是一流物理化学课程建设中的一项重要尝试。

1 传统物理化学实验教学方式的缺点和不足

传统的物理化学实验教学主要分为四个环节：首先是学期初的实验讲座，其次是实验课前的理论讲解和操作讲解，然后学生根据设定好的实验步骤进行实验操作，并将数据整理完成实验报告，最后是教师对实验报告的批阅和反馈。这种教学模式存在以下几方面不足。

（1）教学方法仍以灌输式为主，学生积极性低。无论是实验讲座还是课前的理论讲解和操作讲解，都是教师占据主导地位，学生被动接受。整个实验操作过程也都是按照教材的步骤一步一步进行，学生主动学习的机会少，自然也没有学习的热情。

（2）教学方式老旧单一，学生学习效果较差。以预习环节为例，学生预习主要是通过书写预习报告来完成，这种方式往往是为了写而写。而物化实验操作部分主要是对实验设备的操作，学生写预习报告往往是在看不到真实设备的情况下去写“先按下什么键，再按下什么键”，这对预习来说毫无意义。进入实验室后仍不会操作，对实验设备仍倍感陌生，起不到预习的效果。

（3）实验与理论无法高效地衔接，学生对实验现象和结论背后的深层含义无法真正理解。

（4）由于学时的限制，学生在实验中和数据处理过程中遇到的问题不能及时解决，学生之间、师生之间讨论的机会太少。

（5）实验考核方式单一。目前学生的实验成绩以实验报告为主，而课堂实验均为2-3人协作完成，这就导致同组人的实验结果完全相同，教师很难根据实验报告了解学生的理解程度和操作水平。

2 物理化学线上线下一体化实验教学的实践

处于移动互联网时代和智能时代的教师，应能充分合理地使用线上资源，开展线上线下一体化的教学模式（见图1），将移动学习模式应用到实验课程中，通过制作线上微课、微视频、操作花絮、仿真实验等可供学生学习的资料和素材，使学生处处可学、时时可学。将教学方式从传统的“我教你听”转变为“话题讨论”。让学生从“照猫画虎”变为“探索创新”。教师还可以使用信息技术从学生的学习过程中收集所有数据。基于这些数据，一方面可以进行个性化分析，有针对性地辅导答疑，另一方面可以使用大数据的“及时反馈”，对学生的学习有更准确的掌握［6］。总之，“互联网+”的教学模式正在改变着教学的各个方面。

图1 线上线下一体化实验教学模型

2.1 线上预习与线下实操的有机融合

制作并上传理论微课、操作微视频至学习通线上平台，供学生线上预习。比起空洞的纸版讲义，微课和微视频更加形象、生动。学生通过预习视频就能看到实验设备，掌握这台设备的使用方式、可进行哪些测试、需要注意的事项以及它的工作原理，待进入实验室后可以马上上手操作，从而达到预习的效果。这也为线下的实验操作打下了良好的基础。另外微课和微视频还可以随时回看，这也有利于课后巩固复习［5，7］。线下课堂中教师不再花费大量时间讲解理论和操作步骤，而是将大部分时间留给学生，由学生以小组协作的方式完成实验任务，增加学生的学习主动性。

2.2 线上话题讨论与线上线下释疑相结合

建立线上课程讨论专区，针对不同的实验项目，提出讨论主题，引起学生的思考，使学生带着问题预习，待进入实验室后，可有针对性地学习。线下课堂中教师则根据预先的讨论主题和实验内容，创设情境问题，以引导、提问的方式开展教学，并对学生的问题及时解答［5，8］。实验课结束后也可根据学生操作或报告中出现的共性问题作为话题进行线上讨论，增加教师与学生以及学生之间的互动，充分调动学生的参与度和积极性［8］。

2.3 线上评价机制和线下考核相结合

利用线上学习通教学平台，可观测学生预习情况、讨论区的参与度以及回看记录等等，并将这些与线下的操作规范量化、实验报告、操作比拼等都划入考核范畴，能够更全面地考核学生对实验的掌握情况。

2.4 《宏观-微观综合实践训练》实验教学项目的实施

《宏观-微观综合实践训练》实验的设计，将“物理化学实验过程”与“物理化学与分子模拟的理论基础”整合在新材料开发的应用背景之下，在分子模拟等量化手段下，实现宏观试验难以实现的分子层面的机理研究，提高学生对各层面理论知识和实际生产应用之间联系的认知，微观与宏观相类比，虚实结合、相互辅助的实验教学形式更能辅助学生理解现象的本质和抽象的理论知识，建立理论与实践之间的桥梁，进而发现物理化学之美。

2.5 虚拟仿真实验的应用

近年来，虚拟仿真实验由于形象直观，并且对实验场地没有要求，能够真实模拟一些校内无法开展的工业和企业中相关的实验项目，因而越来越多地被开发并应用到常规教学中［4］。目前本校引进了化工类的虚拟仿真实验项目，教学效果和学生的学习效果良好。而下一步将要开设的物理化学虚拟仿真实验，比如“极化曲线的测定”虚拟仿真实验，可以模拟通电后电子的流动、电极与溶液界面的氧化还原反应以及离子在溶液中迁移的整个过程，让学生直观观察到第二类导体的导电机理和离子的电迁移过程，同时还可以让学生真正理解“极化作用”这个概念。通过虚拟仿真实验，学生不仅可以掌握仪器的使用方法，还可以对反应背后的动力学、热力学的微观变化过程有更直观的感受，弥补真实实验难以观测的不足，加深对物理化学理论的理解，进而提高实验教学效果。