智慧校园环境下物理化学理论课程创新教学模式研究

胡炜杰 陈亚举 黄敏 康新平 王寒露 李凝

摘要：物理化学是化学、化工、材料、食品等相关学科的基础课程，可为学生掌握专业知识和开展相关产业科学研究、生产应用等活动提供重要理论指导。在当前国家大力推进教育信息化背景下，本文概述智慧校园在高校教育方面的应用，分析物理化学理论课程现有教学模式和探索智慧校园环境下物理化学理论课程的创新教学模式。创新教学模式的提出可为增强物理化学理论课程教学成效、提高学生综合能力提供理论支撑。

关键词：物理化学；理论指导；智慧校园；教学模式；综合能力

中图分类号：G642文献标识码：A

随着人工智能、大数据、云计算等信息技术的快速发展，其在教育领域的应用潜能被不断深挖。由此产生智慧教学、智慧校园等教学新形态［12］，开启数字化教育的新篇章，弥补传统教育教学形式的局限性。智慧校园是以人工智能、物联网等相关应用服务系统为支撑，将信息技术要素不断融入教育教学、学术科研、校园管理、师生交流等方面，为师生提供个性化、便捷化服务，增强教育教学综合成效，是高校信息化发展的高级形态［34］。我国高度重视数字化教育，出台《教育信息化2.0行动计划》和《中国教育现代化2035》等政策文件，要求推动信息技术与教育教学深度融合，加快智慧校园建设，推进教育信息化进程。

物理化学是以物理原理和实验技术为基础，研究化学体系性质和行为的一门学科，与居民日常生活、工业生产研发息息相关，是化学、材料、医药、生物与食品等专业学生的必修基础课，具有极其重要的地位。由于物理化学理论课程教学内容较晦涩，传统教学模式下该课程存在学生学习进度与教学进度不匹配、学习积极性不高等问题，不利于学生的综合素质培养。本文概述国家加强智慧校园建设背景下智慧校园建设情况，分析现有高校物理化学理论课程教学模式及改革需求，探索智慧校园环境下的物理化学理论课程创新教学模式，以强化学生综合能力培养。

一、智慧校园在高校教育教学的应用分析

（一）智慧校园基本特征与创新改造

我国智慧校园是在信息化时代和国家贯彻实施创新驱动战略背景下，基于创新是引领发展的第一动力理念而诞生［5］。运用互联网、物联网、云计算、人工智能等新型信息技术，对高校教育教学、学术科研、校园管理、生活服务等方面的软硬件基础设施进行技术改造和嵌入，如校园门禁系统、教室信息系统、学习软件、班级系统、高校特色电子考卷等。通过收集高校师生在上述应用方面的使用及反馈情况，生成数据报表并发送给相关管理人员。在分析数据变化内涵与存在问题后，对校园教学、科研、管理、生活等方面的工作模式与管理机制进行智慧化创新。智慧校园在教育教学方面的创新改造是教育工作者尤为重视的，智慧校园在教育教学方面的创新改造［67］主要体现在以下三方面。

（1）教学环境智慧化。鼓励教师运用各种智能教学平台、学习软件（如慕课、超星学习通）等，利用其丰富的数字化教学资源和学习资源，安排学生进行课程预习、知识讲授、知识考察、学习难点和意见收集等。同时，运用智能摄像头、后台数据监测等手段监控教师授课与学生学习过程。采用现代信息技术及设备为高校师生创造良好的智慧化、信息化教学环境，提供良好的授课与学习基础。

（2）教学理念现代化。智慧校园的建设目的是创新教育机制和培育创新创造人才，贯彻创新驱动和人才强国战略。这要求教学过程以学生为中心，围绕学生成长需求开展课前教案设计、课中教学规划、课后教学评价等活动，强调因材施教，注重学生学习能力、创新思维和道德品质等培养，促进学生全方面发展。

（3）教學方式智能化。利用大数据和人工智能等技术收集学习反馈数据，并对其进行智能分析，展现该课程学生的整体学习情况与每位学生的兴趣方向、学习能力、课程学习进度等学习特征。借助智能教学平台和学习软件丰富的数字化学习资源，为学生提供基于个性化、差异化的学习指导方案，促进学生的个性化全方面发展。

（二）智慧校园教学模式案例分析

智慧校园本质上是一个时代发展的产物，运用互联网、物联网等现代信息技术进行教育新模式探索、开发和应用，充分利用各种学习资源，强化创新人才培养成效。其中，利用智能教学平台开展线上线下混合式教学是常见的一种教学模式。以利用中国大学慕课开展物理化学理论课程教育为例［8］，首先，教师在慕课注册特定班级并让学生加入，借用平台的教学资源或自制授课视频，附上相应的电子阅读材料与习题，学生则在线学习课程知识。其次，教师对重点知识内容进行归纳整理，实时帮助学生理解课程知识点，学生通过公共发言频道开展线上讨论和答疑。最后，教师通过整理线上课堂的学生学习反馈，具有针对性地调整线下授课方案，以获得更好的教学效果。

以物理化学课程中化学热力学的知识点“研究化学反应速率和反应机理以及外界条件”为例，慕课可以通过动画视频为学生讲述该方面知识的生活应用实例和前沿应用研究进展，在帮助学生初步了解知识点的同时，激发学生的学习兴趣，使学生树立强大的民族自信感。在讲解具有抽象性的物理化学定律和基本概念、公式时，能够借助动画视频和线下板书、语言讲解，使其具体化，更好地加深学生对定律、概念的理解与掌握。

二、物理化学理论课程现有教学模式分析

由于各高校的教育信息化进程和智慧校园建设情况不一，课程教学与现代信息技术的结合度普遍较低，促进深入了解物理化学课程的教学模式仍存在信息技术应用不足、课程内容枯燥无趣等问题［910］，主要体现在以下方面。

（一）教育资源利用不充分

高校教师进行物理化学理论课程教学时仍以板书与PPT课件为主，对于多媒体、智能教学平台等现代信息技术和教育资源的应用程度较低。由于物理化学涉及热力学、动力学、电化学、胶体化学等概念较复杂抽象的知识内容，枯燥无味的板书与文字众多的PPT课件难使学生深刻理解知识点。

（二）学习引导力度不足

由于物理化学课程包含理论内容多、涉及知识面广、概念复杂抽象。课程知识学习和理解难度较高，需要学生提前对课程知识进行预习才能在理论教学课堂中跟上教师授课进度，理解教学内容。然而，多数物理化学教师在引导学生进行课前预习工作方面存在引导效果差的问题，学生对课程预习方向把握度低、知识重难点范围不清晰，导致物理化学课前预习效果较差，课堂知识学习较难跟上教师进度。

（三）教学过程枯燥乏味

例如，物理化学理论课程中，卡诺循环章节涉及等温过程和绝热过程内能、功和热量的变化等，概念抽象且公式繁杂。传统的板书与PPT课件教学模式难以清晰明了地表现以上知识点。同时，教师的语言组织能力、表达能力、想象引导能力不尽相同，在引导学生理解、掌握知识方面存在整体教学过程枯燥、学习兴趣不高、教学效率较低等问题。在课后作业布置及讲解时也多围绕教材进行，拓展课程知识的辅助教材及其他学习资源应用较少，难以激发学生的学习兴趣。

三、基于智慧校园的物理化学理论课程创新教学模式探索

在国际实施《区域全面经济伙伴关系协定》（RCEP）和国家推动智慧校园建设背景下，我国各高校应积极响应国家战略政策，加快智慧校园建设和各专业课程的教学模式创新，加快创新创造人才培养，坚定实施创新驱动发展战略和应对国际经济贸易变动带来的挑战。物理化学教学情况关系到化学、化工、材料和医药等专业学生的整体综合素质培养，影响相关产业的后备人才队伍建设和产业发展。我国高校应积极探索基于智慧校园的物理化学理论课程教学新模式，强化现代信息技术应用，增强物理化学教学成效，促进学生人才培养质量提升。如下图所示，基于智慧校园的物理化学理论课程创新教学模式构成可分为以下三方面：

基于智慧校园的物理化学理论课程创新教学模式结构图

（一）健全学习引导机制

高校物理化学教师应根据课程教案为学生划定预习重点（如卡诺循环的等温过程内能、功和热量的变化等），推荐学生到慕课、超星学习通等智能学习平台，通过视频、动图等方式提前进行课堂预习。建议学生利用Xmind等思维导图软件将物理化学预习内容制作成思维导图，进而实时梳理知识要点，以提高预习效果和更好地跟上课堂授课进度。教师应充分利用智能学习平台及其他学习资源，通过生动形象、趣味性高的数字教学资源帮助学生理解抽象概念、定理规律和公式的推演等，并提高学习兴趣，引导学生用记忆和理解效率较高的图像法理解物理化学知识内容。此外，教师应周期性划分物理化学重要知识点及其内容范围，供学生进行课后复习及知识点归纳和整理。

（二）完善课堂讨论交流制度

课堂中的讨论交流能够了解学生在课堂学习过程中遇到的问题并帮助其解决，同时能够锻炼学生的交流能力。物理化学教师应完善物理化学课堂讨论交流制度，在利用智能教学平台、板书、PPT课件开展线上与线下混合教学过程中，预留时间让学生互相讨论课堂知识难点与问题。由智能程序或教师收集学生对当前课堂内容的疑问，通过当堂讲解或归纳整理后留待下节课堂讲解，帮助学生及时解决学习问题。同时，鼓励学生开口将自己的学习问题表达出来并与其他同学讨论交流，增强学生的思维发散、沟通交流和问题解决等方面能力。

（三）强化课后教学反思

教师充分利用人工智能、智能摄像头等现代信息技术，收集线上与线下教学过程中学生的学习情况、难理解知识内容及范围、开小差频率等数据，通过智能分析得到数据报表。同时，定期通过邮箱留言、线下咨询、微信交流等方式收集学生对于课堂教学的改进建议，包括其他智能学习平台推荐、辅助教材应用、课程知识相关应用及发展程度介绍、教学方式改变等，及时进行教学反思，并完善课堂教学模式。通过以上方式，同时坚持围绕学生发展需求为中心的现代教育理念，构建智慧校园的物理化学理论课程创新教学模式，可有效增强教学成效和促进学生综合能力提升。

结语

物理化学作为化学、化工、材料、环境工程、生物与食品等专业的一门重要基础课程，对于该产业领域的科学研究、生产应用具有重要理论指导作用。在国家大力推进教育信息化进程和国际RCEP生效背景下，本文通过分析智慧校园教学教研方面的应用与改造现状，指出物理化学理论课程现有教学模式存在的不足，提出通过健全学习引导机制、完善课堂讨论交流制度、强化课后教学反思等方式建立物理化学理论课程创新教学模式。新教学模式将有效提升物理化学课程教学成效，增强人才综合素质培养，促进化工相关产业发展。

参考文献：

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基金项目：教育部第二批新工科研究与实践项目“基于多方协同的石化安全应急创新人才培养平台建设探索与实践”（项目编号：EAQGABQ20202715）；广东石油化工学院人才引进科研项目“仿生催化氧化中烃基自由基的调控和氧转移机制研究”（项目编号：2019rc047）；2022年度茂名市哲学社会科学规划项目“‘双碳’背景下基于前沿新材料产业的茂名石化产业转型发展路径研究”（项目编号：2022YB01）；茂名市2021年广东省科技创新战略专项“醇醚羧酸技术开发”（项目编号：2021S0007）；“仿生催化环己酮氧化制备E己内酯的中试示范”（项目编号：2021S0008）

作者简介：胡炜杰（1981—），男，汉族，山西高平人，博士，助理研究员，研究方向：化工新材料、智慧化工監测技术与精密仪器。

*通讯作者：陈亚举（1989—），男，汉族，湖南双峰人，博士，副教授，研究方向：二氧化碳化学、有机催化与合成。