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[教学改革与创新典型案例](10)王林 :基于“三优两法”的物理化学课程建设方案

作者:王林         来源:物理化学教研室         发布日期:2022-06-07     浏览次数:

     

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1.引言

物理化学是一门重要的自然科学,旨在揭示化学反应的规律,即“化学变化过程中能量流动的一般规律”。物理化学能帮助人们从科学的角度认识自然,进而利用能量流动的规律控制化学反应,最终实现利用自然、改造自然的目的。随着科学的不断进步,物理化学与其它学科如生物学、物理学、食品科学、农学、医学在内容上不断交叉融合,促进了社会的发展,在人们的生产生活中发挥着越来越重要的作用。物理化学不仅具有广泛的实用性,同时也兼具极强的理论性,其必须以物理学基本原理为基础、以高等数学为手段、以客观实验事实为支撑,因此“枯燥乏味”是学生对物理化学的普遍评价。物理化学“难教”、“难学”、“难用”,如何提高课堂教学效果,为化学专业培养研究型、应用型人才打基础,一直以来都是物理化学教学工作者所面临的挑战。

本人自执教化学类专业物理化学课程以来,始终坚持改进教学方法,提出了“三优两法”的课程建设方案:首先,凝练优化的教学内容、挖掘优秀的教学内涵、搜集整理优质的教学资源,即“三优”;然后,充分利用模块教学法和线上线下混合式教学法,即“两法”,提升学生学习效率,提高教学效果。

2.课程建设方案及实施情况

2.1优化的教学内容

北宋欧阳修在《送慧勤归余杭》中云:“一馔费千金,百品罗成行。”,从中可见中国人民对美食的喜爱。如果能将人们喜闻乐见的各色美食与物理化学基本原理相结合,那么课堂教学效果将事半功倍。本人于2016年受陕西师范大学邀请开设公开课,首次将《舌尖上的物化》搬上课堂,好评如潮。自此,本人悉心整理了许多美食中有关的物理化学知识,编辑成大量多媒体教学资料,帮助学生快速理解深奥的物理化学原理。如:以清蒸鲈鱼为案例讲解二元理想完全互溶双液系相图、以陕西特色面食为案例讲解高分子的溶胀行为、以果冻为案例讲解水凝胶的制备机理、以鲜奶和牛排为案例讲解化学反应动力学等等,获得了学生的一致好评。2021年,网易新闻网对本人的创新教学内容——《舌尖上的物化》进行了报道。

图1. “舌尖上的物化”知识架构(左)与网易新闻网对本人教学工作的报道(右).

《木兰辞》中云:“当窗理云鬓、对镜贴花黄”,爱美之心人皆有之。2020年,本人利用模块教学法将护肤品、美妆品中有关的物理化学知识引入到课堂,同时整理出了“科学防晒”、“健康美白”两个相对完整的线上专题讲座。2021年12月,本人向化学类专业学生开设了一次别开生面的线下公开课——《美丽俏化学》,同时在腾讯视频网上线上直播,深受广大学生喜爱。

图2. “美丽俏化学”宣传海报(左)与公开课现场照片(右).

2.2优秀的教学内涵

党的十九大报告指出:我国新时期教育改革方向是“以内涵式发展推动高校‘双一流’建设”,这对物理化学教学工作提出了更高的要求,即“优秀的教学内涵”。鉴于此,本人依据工程师萨迪•卡诺的传奇人生,精心设计了一个以爱国主义、理性主义为主题的故事,以线性叙事的形式,将同学们的思绪带入到第一次工业革命时期,在工程师萨迪•卡诺的办公桌前与他“一同研究”热机热功转换的一般规律,并在线下教学课堂带领学生设计“卡诺热机”、诠释“卡诺循环”、推导“卡诺定理”,将复杂的物理化学原理深讲、精讲、透讲,同时在其中自然地引入了课程思政的内容——“如何科学理性地爱国”。

图3. 关于“卡诺定理”的教学设计.

所谓“抽象的知识千篇一律,欢乐的课堂万里挑一”。物理化学的抽象内容非常多,课堂气氛容易沉闷。本人认为在提升教学内涵的同时,必须照顾到学生的学习心态,因此需要营造一个欢乐的线上、线下课堂氛围。2020年初开始,本人尝试摘选一些经典的影视桥段,来诠释物理化学原理,以幽默的语言营造欢乐的课堂教学氛围,降低学生理解抽象概念的难度,提升学生学习积极性,如:“被嫌弃的CO2的一生——超临界萃取技术”、“让水弹飞!看王老师如何站着让雨降下来”、“中国好闺蜜——过渡态理论”、“非诚物化——碰撞理论”、“天将降大任于分子也——单分子反应理论”、“重工业领域的乾坤大挪移——区域熔炼法”、“霾?汰!——利用粒子分布的统计学规律净化空气中的PM2.5”、“一物一菩提、一化一世界——自然界中的表界面物理化学现象”等等。

图4. 课堂教学现场照片.

2.3优质的教学资源

图5. 《物理化学》类型题训练及解析.

本人在执教物理化学的十余年间,一直关注学生考研情况,坚持每年义务辅导有考研需要的学生,帮助他们选择专业和备考,有着丰富的经验。近5年来,物理化学在研究生入学考试中所占的比重越来越大,因此越发受到学校和学院的重视。为此,本人于2019年联合了兰州大学、吉林大学、东北师范大学、陕西师范大学、长安大学等五所名校的几位一线教师,将《物理化学》中的重点、难点、考点问题以及大量学习资源进行分类整合,编纂了一本《<物理化学>类型题训练及解析》,作为我校学生的考研辅导材料,并利用业余时间在线下集中辅导考研学生,讲解难题、传授答题技巧。同年底,应用化学2016级本科生考研通过率显著提高,学生普遍认为这次集中辅导的作用非常大(图6)。在本人的悉心辅导下,在课题组做毕业设计的5位本科生全部都考上了一流高校和科研院所(吉林大学、同济大学、中科院长春应化所)。

图6. 线上答疑辅导实录.

化学教学工作必须建立在客观实验事实的基础上,然而物理化学的很多理论知识缺乏实验支撑。以“卡诺热机”为例,它目前只存在于人们的想象中,因此给学生讲明其中的原理非常困难。本人参考卡诺热机的原理并结合学科前沿,制作了一种安全的小型气体热机,并创新性地融入相关自然科学的知识(例如电能、机械功、卡诺循环、热力学第一和第二定律等),设计研发了一种创新科教仪器——斯特林式燃烧焓测量仪,向学生系统讲授相关的科学原理,并实现了从“无实物教学”到“有实物教学”的质的飞跃。目前,这项研究已获批两项国家专利,部分内容发表在核心期刊《实验技术与管理》上。本人还曾受邀在陕西师范大学展示这部分创新教学研究成果,参见链接:

http://news.nwsuaf.edu.cn/yxxw/86895.htm?from=timeline

图7 专利申请书(左)及斯特林式燃烧焓测量仪构造图(右)

“实践出真知”,在实践中教学对物理化学尤为重要。2019年,因考虑到“超临界技术”在物理化学中的重要地位,本人带领应用化学18级本科生组队前往陕西嘉禾药业有限公司进行生产实习活动,现场教学,重点讲授物质的超临界状态、超临界萃取天然产物的技术要点与原理。并带领同学们收集了超临界萃取的姜辣素。

图8 2019年10月带队赴陕西嘉禾药业有限公司进行生产实习活动

2.4 模块教学法

上个世纪70年代初,模块化教学法被国际劳工组织研究开发出来,是一种以能力培养为核心的教育方法,结合计算机模块即插即用的概念,运用起来更灵活多变,能适应现代化的课堂教学。本人自2019年开始,将“三优”的内容进行凝练,并整理成了包括“美食类”、“科研类”、“名人轶事类”这三大类教学模块,共计二十余个案例,其中最短的2分钟,最长的8分钟,在保障课时充裕的前提下,在课堂教学中自由插入或移除教学模块,增加教学趣味性的同时诠释物理化学抽象原理,降低学生学习难度、提升课堂教学效果。

图9. 科研类教学模块知识架构简图.

2.5 线上线下混合式教学法

“物理化学”这个概念自1752年被俄国科学家罗蒙索诺夫提出以来,至今已有270年历史,其中有许许多多科研工作者砥砺前行的优秀案例,非常适合作为课程思政的内容拿来运用。然而,物理化学的课程内容多,而课时相对紧凑,如何在有限的教学时间内将这些案例融入课堂教学当中,是物理化学课程思政工作的难点。本人利用线上线下混合式教学法,将课程思政的内容进行拆解与合理搭配:在线下教学中,以原理、公式为主线,穿插名人轶事,用公式讲故事;在线上教学中(答疑课、习题课),以传奇故事为主线,用故事讲公式。在节约课堂教学资源的前提下,提升教学效果。

创新科教仪器——斯特林式燃烧焓测量仪在课堂上的运用,也有赖于混合式教学法。因为仪器的原理、构造非常复杂,演示过程耗时漫长,因此本人采用线上精讲原理、线下真机实操的方式向学生讲授相关知识,收效明显。

图10. 线上讲解斯特林热机的机理图(左)与线下课堂教学现场照片(左).

混合式教学法也非常适用于物理化学习题课。考虑到教学时长的限制,本人尝试将习题内容整理成线上多媒体教学资料。迄今为止,本人已将四十余道经典例题整理成331余页的多媒体教学资料,并录制成微课程,通过网络教学平台向所有本科生公开。同时,在线下课堂上提出问题,督促学生利用线上资源学习解题方法与技巧,回到线下课堂进行课堂测验,帮助学生快速、系统地巩固学到的知识。

图11. 线上习题课教学资料.

3.总结与展望

执教十四年来,本人潜心教学研究,针对《物理化学》课程“难教”、“难学”、“难用”的教学问题,提出了“三优两法”的课程建设方案,最终实现“教好”、“学好”、“用好”的目的

在未来的道路上,本人仍然会坚持自己的教学风格,砥砺前行,完善物理化学课程建设,为西北农林科技大学培养一批又一批社会所急需的应用型人才而努力。

致谢

西北农林科技大学教务处、西北农林科技大学科研院、亚洲bet356体育在线。

西北农林科技大学教学改革研究项目(JY1903226)、(JY1702036);国家自然科学基金项目(21808188);陕西省自然科学基金项目(2017JQ5043),陕西省重点研发计划项目(2021SF-308)。

编辑:马玉萍     终审:周文明

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