物理化学“5懂”线上录播教学

摘 要 物理化学课程内容逻辑性强，包含大量的抽象概念和数学推导，线上教学需保证高度流畅性。针对这一问题，笔者采取多维措施对线上教学进行设计，疫情期间建立了适合物理化学线上教学的“5懂”录播教学。教学活动突破网络和时空的影响。

关键词 物理化学 线上教学 录播 科研 基本理论

中图分类号：G424                                 文獻标识码：A  DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2021.02.050

"Five Understandings" Online Video-Teaching of Physical Chemistry

LIU Zhaoyue

（School of Chemistry， Beihang University， Beijing 100191）

Abstract Because the course content of physical chemistry is highly logical and includes a large number of concepts and mathematical derivations， the online teaching should be highly fluent. Aiming at this problem， we have taken multi-measures to design online teaching during epidemic and set up a "5-understanding" video- teaching suitable for online teaching of physical chemistry. The teaching activities are not limited by the network， time and space.

Keywords physical chemistry; online teaching; video-teaching; scientific research; basic theory

0 前言

物理化学是北航化学学院化学和应用化学专业本科生的核心专业理论课，主要讲授化学过程的基本原理和基本规律，为实际的科研和生产过程提供理论指导。[1]教学内容包括热力学第一、第二定律、多组分体系的热力学、相平衡、化学平衡、电化学、化学动力学、表面与界面化学以及胶体化学。[2]物理化学课程中的理论是建立在大量抽象的概念、模型以及数学推导的基础之上，因此需要缜密地分析和反复地推敲才能理解这些概念的物理意义以及理论适用的体系和条件。[3]由于课程讲授的是最基本的理论，学生容易感觉课程内容过于陈旧。使学生了解基本理论在科学研究和实际生活中的应用能够提高学生学习课程的积极性。[4]

在传统线下教学过程中，逻辑性强的数学推导需要进行板书，这样才能够使学生跟上教学节奏，更好地理解每一步的物理意义。2020年上半年受新冠疫情的影响，我校物理化学课程不得不采用线上教学模式。线上教学模式主要分为线上直播和线上录播两种模式。物理化学课程内容中大量的抽象概念和数学推导，要求线上教学应具备高度的流畅性。对于线上直播教学来说，网速较慢会使学生跟不上教师对概念和公式的推导过程，而网络卡顿会导致一个数学推导过程前功尽弃。而且，学生分布在全国各地，网络情况也受时间或空间的影响，有的学生可能还没法使用宽带网络。上述几个因素会使学生在直播的某些过程中听不懂、看不懂公式的推导过程。因此，如何保证线上教学的流畅性是物理化学线上教学的首要问题。

线上录播的教学课件和视频能够使学生学习活动更加灵活和高效。遇到课程中的重难点，学生可以自由地暂停视频进行思考，或通过反复观看视频以及微信群来进行讨论。笔者在线下授课的基础上，通过对课件进行优化、录制教学视频、在微信群进行翻转课堂、设计例题和作业以及结合科学研究或实际应用等多维措施使同学们能够对课程知识点“看得懂”“听得懂”“讲得懂”“做得懂”以及“用得懂”，建立了适合物理化学线上教学的“5懂”录播教学。在本文中，笔者对这些教学设计和实践进行详细介绍。

1 优化课件，使学生能够“看得懂”

预习和课后复习是线上教学的重要环节，应由学生在课前和课后独立自主完成。因此，翔实、易懂且有针对性的课件资料能够调动学生课前和课后学习的积极性和主动性。笔者对线上教学的课件进行了详细的优化，将线下教学中的板书内容，如公式的推导和适用条件、重难点、章节总结以及例题全部植入到课件中，建立了适合本科生自学的课件体系。比如，把不同过程 G的计算方法总结在课件中，便于学生在课后进行总结和自主复习。[5]对于简单等温物理过程（dT=0），根据热力学基本方程式可知，。而对于任意等温过程，根据自由能的定义式可知，。因此，如果已知这个过程的 H和 S，就能计算出此过程的 G。还可以利用 G的物理意义来计算某一个过程的 G。对于等温、等压的可逆过程， G等于这个过程所做的非体积功W'，即 G= W'。如果W'=0，显然 G=0。因此，一个过程 G的计算，可以使用多个方法来计算。这种优化的线上课件能够使学生“看得懂”课程的知识点，提高了自主学习的效率。

2 录制视频，使学生能够“听得懂”

为了使学生能够准备掌握课程内容，将上述优化后的课件录制成视频，至少提前一天将压缩后的视频上传至物理化学课程中心和北航云盘供学生下载，保证能够多渠道获得学习资料。在上课时间，学生可以连贯地观看或回放视频，并提出问题，而不受网络的影响。视频中重点强调课程中所涉及概念、模型以及逻辑推导。比如，“熵”的定义实际上是“熵变”的定义。当始态和终态确定后，系统发生变化的熵变等于可逆变化过程的热温熵。“可逆过程”是过程的一个理想模型，是科学的抽象，就像理想气体是气体的科学抽象一样。可逆过程实际上就是无限接近的平衡过程。气体的可逆膨胀和可逆压缩，气体处于力学平衡（压力差无限小）。可逆传热过程，体系处于热平衡（温差无限小）。可逆相变过程（液体在其沸点时的蒸发或固体在其熔点时的熔化），体系无限接近相平衡。可逆化学反应体系无限接近化学平衡。通常讨论的化学平衡（或可逆）以及平衡常数都是等温等压无非体积功下的化学平衡，即。但在有非体积功（比如电功W'）时，化学反应达到平衡（或可逆）的条件是，即电化学平衡。 “化学势”是热力学一个重要的物理量，可以用来判断在无非体积功条件下广义传质过程的方向，包括物质的扩散、流体流动、相变以及化学反应。狭义的化学势就是偏摩尔吉布斯自由能。在其他变量不变的情况下，某一组分B化学势（ B）对温度的偏微商是这一组分偏摩尔熵的负值（-SB）。化学势（ B）对压力的偏微商是这一组份的偏摩尔体积。“蒸气压”是液体自身的性质。对于纯液体来说，温度对蒸气压的影响服从克劳修斯-克拉贝龙方程。在温度不变的条件下，压力（p）对液体的蒸气压（pV）有如下影响：[6]

其中 Vm（l） 和Vm（g）分别为液相和气相的摩尔体积。由于，因此压力对蒸气压的影响很小。在很多情况下，可以忽略压力对液体蒸气压的影响。通过对视频的学习，使学生在课堂上能够“听得懂”课程的基本知识点、重点和难点，提高课堂学习的效率。

3 利用微信群翻轉课堂，使学生能够“讲得懂”

利用微信群翻转课堂来了解学生对知识点的理解程度，以及对知识点的解是否有偏差。每次课笔者会准备10～20个与课程教学内容相关的问题进行科学设疑，提前发布，让学生带着问题学习并回答。

对于课程中的重点和难点问题，例如“如何利用化学势来推导理想液态混合物的性质？”“溶剂和溶质的化学势表达式如何推导？”“多组分体系的热力学基本关系式如何表达？”以及“热力学判据及适用条件”等，邀请学生进行语音讲解或手写拍照来讨论，使学生能够“讲得懂”所学到的知识点。老师在学生回答问题之后进行及时点评，掌握学生对知识点的掌握程度并及时纠错。

4 准备习题和作业，使学生能够“做得懂”

习题和课后作业是课堂教学的延伸和补充，可起到巩固和应用知识点的作用。[7]笔者会在课堂教学中和学生讨论一些具体的例题以及题目中所涉及的知识点，使学生能够将所学习到的知识点应用到具体的实例中。每一章课后，会布置两次作业并推送复习题，在规定的时间内通过电子邮件提交，对作业的共性问题进行讨论，目的是使学生能够运用课程知识点“做得懂”习题。

5 结合科学研究或实际应用，使学生能够“用得懂”

由于课程主要讲授的是化学过程的基本理论和规律，学生在学习课程的过程中容易感觉课程内容过于经典和陈旧。实际上，基本理论和规律对科学研究和实际应用具有重要的指导意义。在线上教学过程中，笔者把科学研究或实际应用与授课内容结合。通过揭示其中所涉及的物理化学知识点，使学生认识到物理化学课程的重要性，拓宽学生的视野，培养学生的创新科研意识。例如，在讲到热力学第二定律中化学反应的 G判据知识点时，引导学生利用 G判据来解决水分解反应的方向问题。在学习化学势概念时，基于化学势和电化学势概念来推导科学研究中浓差电池的电动势和液接电势。表1是笔者将科学研究和实际应用与授课内容结合的具体事例以及所涉及的课程知识点。这些教学设计使学生能够“用得懂”所学的知识点来解决实际科研问题，提高课程的授课效果。

6 总结

依据物理化学的课程特点，笔者利用优化的课件、录制视频、微信群翻转课堂、习题作业以及结合科学研究等多维措施使同学们能够对课程知识点“看得懂”“听得懂”“讲得懂”“做得懂”以及“用得懂”，建立了适合物理化学的“5懂”线上录播教学模式。学生反馈良好。线上录播教学效果在学生期末考试成绩中有所体现。其中，优秀率（90-100分）比例达到38%，良好率（80-90分）比例达到42%，80分以下仅占20%，考试成绩达到甚至超过了线下教学。在随后的线上教学过程中，我们将会探索更多的措施来完善课程教学，使师生都得到更多的收获和成长。

基金项目：北京航空航天大学线上线下混合式一流本科课程校级立项“物理化学”（北航教字[2020]2号）

参考文献

[1] 王群，王锐.科研促进近化学专业物理化学教学探索与实践[J].大学化学，2016，31（4）：33-38.

[2] 张树永，侯文华，刁国旺.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[J].大学化学，2017，32（2）：9-18.

[3] 陈亚芍，宁清茹.思维导图在物理化学教学中的应用[J].大学化学，2017，32（3）：24-29.

[4] 刘兆阅.利用前沿研究提高物理化学的教学效果[J].化学教育，2018，39（24）：15-19.

[5] 傅献彩，沈文霞，姚天扬，侯文华.物理化学（上册）[M].高等教育出版社，2008.

[6] 朱文涛.基础物理化学[M].清华大学出版社，2015.

[7] 陈益山.物理化学教学改革探索：整合课堂内外教学[J].化学教育，2015，36（2）：19-22.