相平衡的教学设计案例与思考

王女，赵勇，刘兆阅

北京航空航天大学化学学院，北京 100191

相平衡是物理化学的重要内容，相关内容在工业分离及提纯领域有重要应用，但学生理解和掌握有一定的难度。本文以“纯物质系统相图分析”为例，从问题提出、理论形成、理论应用、前沿拓展几个方面进行教学设计，取得了较好的教学效果。

1 教学内容及教学目标

1.1 教学内容

根据“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(2020版)”[1]，结合我校工科专业物理化学课程的教学特点，本章的主要教学内容如图1所示，包括掌握相平衡的普遍规律——相律，并会利用相律来分析单组分相图、二组分双液体系相图、二组分固液体系相图，并能够将抽象的相律与实际现象结合起来分析问题，用相律来指导相图的分析及应用[2,3]。其中，纯物质系统相图分析是本章第二节的内容，是相平衡一章中承上启下、至关重要的一节内容。本部分教学内容旨在让学生在深入理解相律的基础上，会用相律分析纯物质相图，掌握纯物质相图的特点。在教学过程中，不仅需要学生掌握纯物质相图特征这一新的知识点，而且对学生理解上一节学习的相律在深度和广度上提出了新要求。教师要帮助学生逐步理解相律的重要含义，为学生后续学习相律在二组分相图中的应用奠定基础。

图1 “相平衡”的教学内容

1.2 教学目标

1.2.1 知识传授

(1) 能够说明纯物质相图的绘制方法。

(2) 能够说明纯物质相图中点、线、面的含义。

(3) 能够说明和利用水的相图。

1.2.2 能力培养

(1) 能够绘制简单的相图。

(2) 能够利用克拉贝龙方程(Clapeyron方程)说明相关规律。

(3) 能够在绘制过程中提出问题、分析问题和解决问题。

1.2.3 价值塑造

(1) 明确物质是第一性的，能够进行分类、归纳并推广应用，解决实际工程及基础科学前沿的问题。

(2) 能够解决实际问题、建立模型、主动发现规律，体现创新思考。

(3) 说明中国科学家在本领域所做出的杰出贡献和艰辛历程，说明中国在化学、材料等领域在世界科学舞台中的重要作用。

2 教学设计的基本理念与思路

根据建构主义学习理论[4,5]，学习是引导学生从原有经验出发，生长建构起新的经验。在教学过程中，主要采用“问题探究式”教学理念，按照实验/现象-理论-应用-拓展的思路开展教学活动，具体的教学思路如图2所示：

图2 教学进程图

(1) 问题的提出：由生活中常见的相平衡问题导入课程。

(2) 理论的形成：水的相图分析。

在教师的引导和启发下，结合相律，通过实验测定数据描点划线的方法绘制水的相图，通过分析得出纯物质相图的特点及规律。

(3) 理论的应用：举一反三及知识拓展。

通过详细分析水的相图，引申到二氧化碳、硫、碳的相图，进一步验证相平衡理论的正确性和适用条件，使得理论进一步合理化，并结合科学前沿拓展认识，在解决“老”问题的过程中提出“新”问题，引出后续知识的内容和发展方向。

3 “纯物质系统相图分析”教学案例设计

针对本单元的教学难点及重点，结合化学是一门理论和实验并重的学科特点，从问题的提出、纯物质相图理论的形成、纯物质相图的分析及应用、拓展与思考依次展开本节课的教学活动，通过各个教学环节的有机结合，实现从知识传授到能力培养、到价值塑造全方位的人才培养目标。具体的教学环节设计如表1所示。

表1 教学环节设计

(续表1)

(续表1)

4 “问题探究式”教案设计的应用效果与教学反思

4.1 课堂应用效果

“相平衡”的理论知识是工业分离和提纯技术的基础，同时也是物理化学课程中比较难理解的一部分内容，特别是对于我校材料类的学生，相平衡是其后续课程“物理冶金原理”“材料现代研究方法”的基础，学生普遍反映相平衡理论知识的掌握难度较大，在针对“课程难度和理解程度”的调查问卷中，66.67%的学生认为课程的教学过程难度适中，33.33%的学生认为课程很难。在近期的教学活动中，经过“问题探究式”教案设计及教学实践，课堂上明显能够感知到学生的兴趣和参与度有所提高，学生普遍认为能够较好地理解和掌握“相平衡”一章的基本内容，能够根据相律分析基本相图，并对教师的教学活动安排有很高的评价。调查问卷显示，83.33%的学生认为课程的教学过程难度适中，认为课程较难的同学比例下降至16.67%。图3为案例应用前后对照班“相平衡”一章小测验的正确率对比图，发现改革后每道题的正确率均高于改革前。此外，在经过教案设计后的教学实践中，有91.67%的学生认为前沿知识拓展能够调动课后学习的积极性，从被动灌输转为主动学习；87.5%的学生认为思政环节设计与课程内容紧密结合。因此，应用效果对比充分说明了改革后的教学模式让学生在问题中学习，提升了学生的学习兴趣，从知识传授、能力培养、到学生的价值观塑造，全方位提升了教学效果。

图3 课堂应用效果

4.2 教改前后成绩对比

基于在“相平衡”一章中的教学改革尝试的良好效果，教师逐步在其他章节也开展教案设计改革，图4为改革前后学生的成绩对比。改革前，对照班级的平均分为70.6，优秀率(90-100分)为10.25%，良好率(80-89分)为21.79%，及格率为84.62%；改革后，对照班级的平均分为75.1，优秀率为15.51%，良好率为49.99%，及格率为93.11%。此外，在成绩评定方面，增加了前沿拓展讨论大作业，要求学生根据学习兴趣自行选题分组讨论(每组2-3人，每人至少要选择一个前沿课题)，期末前安排2学时的集中展示，由学生代表展示讨论结果，占期末总评成绩的10%。87.5%的学生认为该教学环节很适合，并且可以通过课后调研学到知识。考试成绩显示，经教学改革后，学生成绩的优良率和及格率有显著的提升，这是由于改革后的教案以生活生产中的实际问题或现象为出发点，引导学生将复杂的公式和抽象的理论知识与实际问题结合起来，能更好地掌握理论知识，并具备利用理论知识分析实际问题的能力，教学目标达成度较高。

图4 改革前后的成绩对比

4.3 教学反思

根据教育部提出的“两性一度”的金课标准，教师在教学模式上进行了很多探索，从传统的讲授式教学模式到混合型教学模式、研究型教学模式、讨论式教学模式、探究式教学模式等[3,12]，力争实现课前、课中、课后，线上、线下全方位教学手段的结合，实现更好的教学效果。在本节课的教学活动中，由于理论具有很好的应用场景，采用“问题探究式”教案设计深入浅出，让学生学习的注意力更加集中，提高了学习的兴趣。同时，有些课程内容由于教学时间的关系无法在课堂上深入展开，为了满足学生高阶性、创新性、挑战度的需求，在今后的教学活动中，我们还将根据不同层次的学生，增加课程内容广度和深度。重点引导学生学习知识点形成和发展过程中的科学方法，学习基础理论发展过程中的逻辑思维。在课程的各大板块中引入不同深度的案例，引导学生课后进行分析、比较和讨论，培养培养学生分析问题、解决问题的能力以及创新思维。

5 结语

基于建构主义理论的“问题探究式”教学设计，目的在于通过精心设计的环环相扣的教学素材和严谨的教学环节，引导学生从实验开始认识相图的绘制、相图的分析、相图的应用，理解相律和相图的关系，总结其特点和规律，并能够举一反三进行复杂相图的分析。通过教学实践，在授课过程中，着重讲授如何将实际问题转化成抽象的理论模型，既可以激发学生学习的兴趣，并且可以培养学生发现问题、解决问题、理论联系实际的能力，取得了很好的教学效果。经过该章节的教学实践活动和取得的良好教学效果表明，“问题探究式”教学思路的设计可以推广到本课程的其他教学板块，从而形成物理化学课程深入浅出的教学体系。