肖谷清 王姣亮 謝 丹 孟秋冬

(湖南城市學(xué)院 材料與化學(xué)工程學(xué)院,湖南 益陽 413000)

物理化學(xué)實驗是材料、化學(xué)、化工等專業(yè)開設(shè)的實驗基礎(chǔ)課[1]。開設(shè)物理化學(xué)實驗課有利于促進(jìn)學(xué)生對物理化學(xué)理論知識的理解和應(yīng)用，有利于學(xué)生掌握物理化學(xué)實驗方法，有利于培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度[2]。盡管不同高校有不同的辦學(xué)水平，但物理化學(xué)實驗由于其本身的難度和特點，表現(xiàn)出共同的教學(xué)困境：(1)物理化學(xué)實驗原理抽象，邏輯思維性強(qiáng)；(2)實驗需現(xiàn)學(xué)現(xiàn)用的儀器多。在有限的物理化學(xué)實驗課時內(nèi)，要求學(xué)生掌握實驗原理、實驗方法、儀器使用方法、數(shù)據(jù)處理，完成實驗任務(wù)，學(xué)生感到困難。將物理化學(xué)實驗教學(xué)分散錄制成微課[3]，將微課教學(xué)視頻上傳到雨課堂平臺[4]，借用翻轉(zhuǎn)課堂優(yōu)勢[5]，采用“雨課堂+翻轉(zhuǎn)課堂”教學(xué)模式，將傳統(tǒng)的“教師實驗課堂講解”移至課前，課堂解決學(xué)生提出的物理化學(xué)實驗中的問題和完成實驗任務(wù)，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，解決物理化學(xué)實驗的教學(xué)困境。

1 物理化學(xué)實驗的教學(xué)困境

1.1 物理化學(xué)實驗原理抽象

物理化學(xué)實驗原理抽象、公式多，這些公式都有特定的應(yīng)用條件。以“凝固點降低法測定蔗糖摩爾質(zhì)量”為例，盡管實驗做完了，學(xué)生數(shù)據(jù)處理也正確，但問學(xué)生“為了提高實驗的準(zhǔn)確度，是否可用增加溶質(zhì)濃度的方法?”，學(xué)生不會從“凝固點降低是稀溶液的一個依數(shù)性”原理去分析回答問題。學(xué)生能夠用外推法求ΔTf，可是當(dāng)問學(xué)生“如不用外推法求凝固點，一般ΔTf會偏大還是偏小?”，學(xué)生卻回答不出來。在物理化學(xué)實驗中，大多數(shù)學(xué)生只會“照方抓藥”地操作實驗，根本不會從實驗原理分析問題。

1.2 物理化學(xué)實驗需現(xiàn)學(xué)現(xiàn)用的儀器多

物理化學(xué)實驗需現(xiàn)學(xué)現(xiàn)用的儀器多，學(xué)生預(yù)習(xí)時只看教材文字描述，很難掌握儀器的操作方法。水飽和蒸汽壓的測定需要用到真空泵、真空穩(wěn)壓包、飽和蒸汽壓測量儀；乙酸乙酯皂化反應(yīng)速率常數(shù)的測定需要用到電導(dǎo)率儀；揮發(fā)性雙液系沸點-組成圖的繪制需要用到沸點測定儀和阿貝折光儀。物理化學(xué)實驗中有些儀器的講解需要的時間長，例如蔗糖水解反應(yīng)速率常數(shù)的測定需用到的旋光儀。如果按傳統(tǒng)教學(xué)課堂講解旋光儀原理、使用方法、三分視界(三分視野視場亮度相一致的暗視場，圖1中B時讀數(shù))和讀數(shù)(圖1中F旋光儀讀出的旋光度為+9.30°)，儀器現(xiàn)學(xué)現(xiàn)用，又必須講解實驗原理和數(shù)據(jù)處理，學(xué)生一下子難以掌握。

圖1 旋光儀三分視界和讀數(shù)

2 雨課堂平臺的物理化學(xué)實驗微課

在物理化學(xué)實驗原理、儀器使用方法學(xué)生學(xué)習(xí)困難處，設(shè)計微課，突破物理化學(xué)實驗教學(xué)困境。物理化學(xué)實驗原理的微課，采用雨課堂4.1版語言+ppt屏幕錄屏，并在雨課堂平臺配備一定量典型習(xí)題。儀器使用方法的微課，采用語言講解和操作示范，直接錄像拍攝。每節(jié)微課控制時間，精心設(shè)計突出重點。例如，蔗糖水解反應(yīng)速率常數(shù)的測定實驗，實驗原理學(xué)生感到困難。微課教學(xué)中，教師講解實驗原理時結(jié)合蔗糖水解方程式，提問①：蔗糖水解反應(yīng)中H+為催化劑，其濃度在水解前后變化嗎？學(xué)生回答“不變”。提問②：與蔗糖比較，反應(yīng)物H2O過量，H2O的濃度可認(rèn)為不變，蔗糖水解反應(yīng)的速率由那種反應(yīng)物濃度決定？學(xué)生回答“由蔗糖濃度決定”。提問③：蔗糖水解反應(yīng)的速率由蔗糖濃度決定，反應(yīng)為幾級反應(yīng)？學(xué)生回答“作為一級反應(yīng)處理”。提問④：由于反應(yīng)物蔗糖、產(chǎn)物葡萄糖和果糖均有旋光性，如何測定反應(yīng)物濃度？學(xué)生回答“通過測定旋光度來間接測定反應(yīng)物濃度”。提問⑤：結(jié)合一級反應(yīng)速率方程，如何推導(dǎo)旋光度與速率常數(shù)的表達(dá)式？啟發(fā)、推導(dǎo)旋光度與速率常數(shù)的表達(dá)式lg(at-a∞)=-(kt/2.303)+lg(a0-a∞)，at、a∞分別為蔗糖水解時間t和完全水解后的旋光度，k為速率常數(shù)。提問⑥：如何求速率常數(shù)k？學(xué)生回答“l(fā)g(at-a∞)對時間t作圖線性擬合，由斜率求速率常數(shù)k”。蔗糖水解反應(yīng)實驗原理采用雨課堂4.1版語言+ppt屏幕錄屏，制作微課教學(xué)視頻于實驗課前發(fā)給學(xué)生反復(fù)學(xué)習(xí)。

3 “雨課堂+翻轉(zhuǎn)課堂”的物理化學(xué)實驗微課教學(xué)

3.1 物理化學(xué)實驗課前

如圖2，物理化學(xué)實驗課前教師將物理化學(xué)實驗微課視頻在雨課堂平臺發(fā)布，將傳統(tǒng)的“教師實驗課堂講解”作為實驗預(yù)習(xí)任務(wù)，規(guī)定實驗預(yù)習(xí)任務(wù)、時間和預(yù)習(xí)要求。雨課堂平臺自動記錄學(xué)生的預(yù)習(xí)情況，將學(xué)生預(yù)習(xí)情況按比例(如20%)作為實驗成績，調(diào)動學(xué)生預(yù)習(xí)實驗的積極性。例如，乙醇-乙酸乙酯雙液系溫度-組成圖的繪制實驗，可制作3個微課教學(xué)視頻：①實驗原理與實驗步驟教學(xué)視頻；②沸點測定儀和阿貝折光儀使用方法教學(xué)視頻；③數(shù)據(jù)處理教學(xué)視頻。實驗開課前，統(tǒng)計預(yù)習(xí)情況并算出相應(yīng)得分，統(tǒng)計學(xué)生提出的問題。

圖2 “雨課堂+翻轉(zhuǎn)課堂”的物理化學(xué)實驗微課教學(xué)

為了檢驗學(xué)生預(yù)習(xí)效果，教師可根據(jù)實驗原理、儀器使用方法、數(shù)據(jù)處理、實驗步驟和注意事項，精心設(shè)計預(yù)習(xí)題，雨課堂可提供多種形式的測試題。將預(yù)習(xí)題上傳到雨課堂平臺，規(guī)定學(xué)生定時線上測試，通過測試掌握學(xué)生學(xué)習(xí)的困難。例如，乙醇-乙酸乙酯雙液系溫度-組成圖的繪制實驗的預(yù)習(xí)題：①如何判斷乙醇-雙液系已達(dá)氣液平衡？②沸點儀中平衡氣相和液相如何取樣？③測定氣相和液相折光率時為什么要將待測液冷卻？④一次氣液平衡后蒸餾瓶內(nèi)液體倒出不徹底，是否影響下一次乙醇-乙酸乙酯雙液系樣品的測定？⑤乙醇-乙酸乙酯的折光率-組成工作曲線為一直線，理論上兩點即可確定一條直線，實驗中為何還要進(jìn)行多點測定？⑥簡述用阿貝折光儀測定樣品折光率的步驟？⑦簡述阿貝折光儀如何讀數(shù)？⑧乙醇-乙酸乙酯雙液系實驗測得的沸點和標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的沸點是否一致？為什么？⑨如果要測定純乙醇、純乙酸乙酯的沸點，蒸餾瓶必須洗凈，而且烘干，而測定混合液沸點和組成時，蒸餾瓶則不洗也不烘，為什么?⑩雙液系的沸點-組成圖有哪幾種類型？乙醇-乙酸乙酯雙液系屬于哪一類？

3.2 物理化學(xué)實驗課中

物理化學(xué)實驗課中學(xué)生掃碼進(jìn)入雨課堂，課堂上教師不再按傳統(tǒng)實驗課堂教學(xué)模式系統(tǒng)地講解實驗原理和步驟，而是重點就預(yù)習(xí)中出現(xiàn)的疑難問題，組織學(xué)生交流討論，在教師的指導(dǎo)和同學(xué)的交流協(xié)助中解決實驗中的疑難問題和實驗注意事項。這部分課堂教學(xué)用雨課堂“語音+錄屏”，支持教學(xué)過程回放。例如測定蔗糖稀溶液的凝固點實驗，當(dāng)析出固體較多時測得的凝固點數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確，實驗結(jié)果偏大還是偏小?教師引導(dǎo)學(xué)生分析：①析出的固體是蔗糖還是溶劑水？學(xué)生回答“溶劑水”。②析出的固體多會使凝固點下降(ΔTf)變大還是變??？學(xué)生回答“變大”。③引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)蔗糖分子量計算公式M=(Kf×mB)/(ΔTf×mA)，其它物理量不變，ΔTf變大時會使測定結(jié)果蔗糖分子量M偏小。

3.3 物理化學(xué)實驗課后

物理化學(xué)實驗課后，教師要求學(xué)生書寫實驗報告。實驗報告除了實驗原理、誤差分析、結(jié)果與討論等常規(guī)要求外，教師可要求學(xué)生用origin軟件作圖，要求學(xué)生上傳實驗報告到雨課堂，教師在雨課堂評閱和修改學(xué)生的實驗報告。教師在評閱學(xué)生實驗報告中發(fā)現(xiàn)，有部分學(xué)生origin作圖不美觀，實驗報告中物理量沒有單位。教師把物理化學(xué)實驗報告中的問題總結(jié)歸納，在雨課堂中以“語音+屏幕錄屏”與學(xué)生交流，促進(jìn)學(xué)生實驗?zāi)芰Ω弦粚訕?。教師也可將?yōu)秀的實驗報告選出來上傳到雨課堂平臺，發(fā)揮榜樣的示范效應(yīng)。

4 教學(xué)效果

采用“雨課堂+翻轉(zhuǎn)課堂”教學(xué)模式的物理化學(xué)實驗微課教學(xué)，能解決物理化學(xué)實驗的教學(xué)困境，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。調(diào)查學(xué)生后，“雨課堂+翻轉(zhuǎn)課堂”教學(xué)模式的物理化學(xué)實驗微課教學(xué)效果具體表現(xiàn)為：(1)實驗預(yù)習(xí)更具有針對性和有效性。傳統(tǒng)物理化學(xué)實驗教學(xué)盡管也有實驗預(yù)習(xí)，但學(xué)生在預(yù)習(xí)時無法把握實驗預(yù)習(xí)的重點和難點，學(xué)生對實驗教材內(nèi)容“平均用力”，預(yù)習(xí)效果差。采用“雨課堂+翻轉(zhuǎn)課堂”教學(xué)模式的物理化學(xué)實驗微課教學(xué)，學(xué)生反映微課視頻中教師“聲情并茂”的啟發(fā)、講解和演示，比“無聲”的實驗教材，實驗預(yù)習(xí)更具有針對性；雨課堂可提供多種形式的實驗預(yù)習(xí)測試題，檢驗和校正學(xué)生的實驗預(yù)習(xí)效果，提高實驗預(yù)習(xí)的有效性。(2)課堂討論學(xué)生“成竹在胸”，思維活躍。把傳統(tǒng)實驗課堂講解的實驗原理、儀器使用方法通過教學(xué)視頻上傳到雨課堂平臺，在實驗前已經(jīng)被學(xué)生反復(fù)學(xué)習(xí)，又有雨課堂習(xí)題的鞏固和提高，學(xué)生已“成竹在胸”。大多數(shù)同學(xué)在物理化學(xué)實驗課中能積極主動參與到教師組織的疑難問題的交流討論中來，學(xué)生表現(xiàn)思維活躍。而傳統(tǒng)實驗教學(xué)中疑難問題的交流討論，大部分學(xué)生無法參與進(jìn)來，往往“啟而不發(fā)”。(3)實驗操作規(guī)范。傳統(tǒng)物理化學(xué)實驗教學(xué)盡管也有教師演示實驗和操作示范，由于實驗時人數(shù)多、部分學(xué)生短時走神、部分學(xué)生記憶能力不強(qiáng)，常常造成老師剛剛完成演示和示范，學(xué)生馬上實驗操作就不規(guī)范或錯誤的問題。雨課堂教師操作演示和示范的教學(xué)微課視頻可反復(fù)觀看，學(xué)生普遍反映比傳統(tǒng)課堂教師“一次性”操作演示和示范的效果好。例如水飽和蒸汽壓的測定，傳統(tǒng)課堂教師“一次性”現(xiàn)場操作演示和示范后，許多學(xué)生在裝置安裝、實驗時多個閥門的開啟或關(guān)閉時操作錯誤，而使用雨課堂平臺的翻轉(zhuǎn)課堂的物理化學(xué)實驗微課教學(xué)，由于學(xué)生能夠多次反復(fù)觀看教學(xué)視頻，學(xué)生操作時沒有錯誤，實驗操作規(guī)范，實驗過程順利。

5 結(jié)語

利用雨課堂平臺優(yōu)勢，針對物理化學(xué)實驗的教學(xué)困境，設(shè)計微課并上傳到雨課堂平臺；采用“雨課堂+翻轉(zhuǎn)課堂”教學(xué)模式的物理化學(xué)實驗微課教學(xué)，在物理化學(xué)實驗教學(xué)中取得良好的教學(xué)效果，學(xué)生在掌握物理化學(xué)實驗原理和儀器使用方法、實驗數(shù)據(jù)處理方法、實驗結(jié)果分析等方面的能力有顯著的提高。