摘 要 物理化學(xué)課程內(nèi)容邏輯性強(qiáng)，包含大量的抽象概念和數(shù)學(xué)推導(dǎo)，線上教學(xué)需保證高度流暢性。針對(duì)這一問(wèn)題，筆者采取多維措施對(duì)線上教學(xué)進(jìn)行設(shè)計(jì)，疫情期間建立了適合物理化學(xué)線上教學(xué)的“5懂”錄播教學(xué)。教學(xué)活動(dòng)突破網(wǎng)絡(luò)和時(shí)空的影響。

關(guān)鍵詞 物理化學(xué) 線上教學(xué) 錄播 科研 基本理論

中圖分類號(hào)：G424? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：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

物理化學(xué)是北航化學(xué)學(xué)院化學(xué)和應(yīng)用化學(xué)專業(yè)本科生的核心專業(yè)理論課，主要講授化學(xué)過(guò)程的基本原理和基本規(guī)律，為實(shí)際的科研和生產(chǎn)過(guò)程提供理論指導(dǎo)。[1]教學(xué)內(nèi)容包括熱力學(xué)第一、第二定律、多組分體系的熱力學(xué)、相平衡、化學(xué)平衡、電化學(xué)、化學(xué)動(dòng)力學(xué)、表面與界面化學(xué)以及膠體化學(xué)。[2]物理化學(xué)課程中的理論是建立在大量抽象的概念、模型以及數(shù)學(xué)推導(dǎo)的基礎(chǔ)之上，因此需要縝密地分析和反復(fù)地推敲才能理解這些概念的物理意義以及理論適用的體系和條件。[3]由于課程講授的是最基本的理論，學(xué)生容易感覺(jué)課程內(nèi)容過(guò)于陳舊。使學(xué)生了解基本理論在科學(xué)研究和實(shí)際生活中的應(yīng)用能夠提高學(xué)生學(xué)習(xí)課程的積極性。[4]

在傳統(tǒng)線下教學(xué)過(guò)程中，邏輯性強(qiáng)的數(shù)學(xué)推導(dǎo)需要進(jìn)行板書，這樣才能夠使學(xué)生跟上教學(xué)節(jié)奏，更好地理解每一步的物理意義。2020年上半年受新冠疫情的影響，我校物理化學(xué)課程不得不采用線上教學(xué)模式。線上教學(xué)模式主要分為線上直播和線上錄播兩種模式。物理化學(xué)課程內(nèi)容中大量的抽象概念和數(shù)學(xué)推導(dǎo)，要求線上教學(xué)應(yīng)具備高度的流暢性。對(duì)于線上直播教學(xué)來(lái)說(shuō)，網(wǎng)速較慢會(huì)使學(xué)生跟不上教師對(duì)概念和公式的推導(dǎo)過(guò)程，而網(wǎng)絡(luò)卡頓會(huì)導(dǎo)致一個(gè)數(shù)學(xué)推導(dǎo)過(guò)程前功盡棄。而且，學(xué)生分布在全國(guó)各地，網(wǎng)絡(luò)情況也受時(shí)間或空間的影響，有的學(xué)生可能還沒(méi)法使用寬帶網(wǎng)絡(luò)。上述幾個(gè)因素會(huì)使學(xué)生在直播的某些過(guò)程中聽不懂、看不懂公式的推導(dǎo)過(guò)程。因此，如何保證線上教學(xué)的流暢性是物理化學(xué)線上教學(xué)的首要問(wèn)題。

線上錄播的教學(xué)課件和視頻能夠使學(xué)生學(xué)習(xí)活動(dòng)更加靈活和高效。遇到課程中的重難點(diǎn)，學(xué)生可以自由地暫停視頻進(jìn)行思考，或通過(guò)反復(fù)觀看視頻以及微信群來(lái)進(jìn)行討論。筆者在線下授課的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)課件進(jìn)行優(yōu)化、錄制教學(xué)視頻、在微信群進(jìn)行翻轉(zhuǎn)課堂、設(shè)計(jì)例題和作業(yè)以及結(jié)合科學(xué)研究或?qū)嶋H應(yīng)用等多維措施使同學(xué)們能夠?qū)φn程知識(shí)點(diǎn)“看得懂”“聽得懂”“講得懂”“做得懂”以及“用得懂”，建立了適合物理化學(xué)線上教學(xué)的“5懂”錄播教學(xué)。在本文中，筆者對(duì)這些教學(xué)設(shè)計(jì)和實(shí)踐進(jìn)行詳細(xì)介紹。

1 優(yōu)化課件，使學(xué)生能夠“看得懂”

預(yù)習(xí)和課后復(fù)習(xí)是線上教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，應(yīng)由學(xué)生在課前和課后獨(dú)立自主完成。因此，翔實(shí)、易懂且有針對(duì)性的課件資料能夠調(diào)動(dòng)學(xué)生課前和課后學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性。筆者對(duì)線上教學(xué)的課件進(jìn)行了詳細(xì)的優(yōu)化，將線下教學(xué)中的板書內(nèi)容，如公式的推導(dǎo)和適用條件、重難點(diǎn)、章節(jié)總結(jié)以及例題全部植入到課件中，建立了適合本科生自學(xué)的課件體系。比如，把不同過(guò)程 G的計(jì)算方法總結(jié)在課件中，便于學(xué)生在課后進(jìn)行總結(jié)和自主復(fù)習(xí)。[5]對(duì)于簡(jiǎn)單等溫物理過(guò)程（dT=0），根據(jù)熱力學(xué)基本方程式可知，。而對(duì)于任意等溫過(guò)程，根據(jù)自由能的定義式可知，。因此，如果已知這個(gè)過(guò)程的 H和 S，就能計(jì)算出此過(guò)程的 G。還可以利用 G的物理意義來(lái)計(jì)算某一個(gè)過(guò)程的 G。對(duì)于等溫、等壓的可逆過(guò)程， G等于這個(gè)過(guò)程所做的非體積功W'，即 G= W'。如果W'=0，顯然 G=0。因此，一個(gè)過(guò)程 G的計(jì)算，可以使用多個(gè)方法來(lái)計(jì)算。這種優(yōu)化的線上課件能夠使學(xué)生“看得懂”課程的知識(shí)點(diǎn)，提高了自主學(xué)習(xí)的效率。

2 錄制視頻，使學(xué)生能夠“聽得懂”

為了使學(xué)生能夠準(zhǔn)備掌握課程內(nèi)容，將上述優(yōu)化后的課件錄制成視頻，至少提前一天將壓縮后的視頻上傳至物理化學(xué)課程中心和北航云盤供學(xué)生下載，保證能夠多渠道獲得學(xué)習(xí)資料。在上課時(shí)間，學(xué)生可以連貫地觀看或回放視頻，并提出問(wèn)題，而不受網(wǎng)絡(luò)的影響。視頻中重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)課程中所涉及概念、模型以及邏輯推導(dǎo)。比如，“熵”的定義實(shí)際上是“熵變”的定義。當(dāng)始態(tài)和終態(tài)確定后，系統(tǒng)發(fā)生變化的熵變等于可逆變化過(guò)程的熱溫熵?！翱赡孢^(guò)程”是過(guò)程的一個(gè)理想模型，是科學(xué)的抽象，就像理想氣體是氣體的科學(xué)抽象一樣?？赡孢^(guò)程實(shí)際上就是無(wú)限接近的平衡過(guò)程。氣體的可逆膨脹和可逆壓縮，氣體處于力學(xué)平衡（壓力差無(wú)限小）。可逆?zhèn)鳠徇^(guò)程，體系處于熱平衡（溫差無(wú)限?。??？赡嫦嘧冞^(guò)程（液體在其沸點(diǎn)時(shí)的蒸發(fā)或固體在其熔點(diǎn)時(shí)的熔化），體系無(wú)限接近相平衡?？赡婊瘜W(xué)反應(yīng)體系無(wú)限接近化學(xué)平衡。通常討論的化學(xué)平衡（或可逆）以及平衡常數(shù)都是等溫等壓無(wú)非體積功下的化學(xué)平衡，即。但在有非體積功（比如電功W'）時(shí)，化學(xué)反應(yīng)達(dá)到平衡（或可逆）的條件是，即電化學(xué)平衡。 “化學(xué)勢(shì)”是熱力學(xué)一個(gè)重要的物理量，可以用來(lái)判斷在無(wú)非體積功條件下廣義傳質(zhì)過(guò)程的方向，包括物質(zhì)的擴(kuò)散、流體流動(dòng)、相變以及化學(xué)反應(yīng)。狹義的化學(xué)勢(shì)就是偏摩爾吉布斯自由能。在其他變量不變的情況下，某一組分B化學(xué)勢(shì)（ B）對(duì)溫度的偏微商是這一組分偏摩爾熵的負(fù)值（-SB）?；瘜W(xué)勢(shì)（ B）對(duì)壓力的偏微商是這一組份的偏摩爾體積。“蒸氣壓”是液體自身的性質(zhì)。對(duì)于純液體來(lái)說(shuō)，溫度對(duì)蒸氣壓的影響服從克勞修斯-克拉貝龍方程。在溫度不變的條件下，壓力（p）對(duì)液體的蒸氣壓（pV）有如下影響：[6]

其中 Vm（l） 和Vm（g）分別為液相和氣相的摩爾體積。由于，因此壓力對(duì)蒸氣壓的影響很小。在很多情況下，可以忽略壓力對(duì)液體蒸氣壓的影響。通過(guò)對(duì)視頻的學(xué)習(xí)，使學(xué)生在課堂上能夠“聽得懂”課程的基本知識(shí)點(diǎn)、重點(diǎn)和難點(diǎn)，提高課堂學(xué)習(xí)的效率。

3 利用微信群翻轉(zhuǎn)課堂，使學(xué)生能夠“講得懂”

利用微信群翻轉(zhuǎn)課堂來(lái)了解學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解程度，以及對(duì)知識(shí)點(diǎn)的解是否有偏差。每次課筆者會(huì)準(zhǔn)備10～20個(gè)與課程教學(xué)內(nèi)容相關(guān)的問(wèn)題進(jìn)行科學(xué)設(shè)疑，提前發(fā)布，讓學(xué)生帶著問(wèn)題學(xué)習(xí)并回答。

對(duì)于課程中的重點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題，例如“如何利用化學(xué)勢(shì)來(lái)推導(dǎo)理想液態(tài)混合物的性質(zhì)？”“溶劑和溶質(zhì)的化學(xué)勢(shì)表達(dá)式如何推導(dǎo)？”“多組分體系的熱力學(xué)基本關(guān)系式如何表達(dá)？”以及“熱力學(xué)判據(jù)及適用條件”等，邀請(qǐng)學(xué)生進(jìn)行語(yǔ)音講解或手寫拍照來(lái)討論，使學(xué)生能夠“講得懂”所學(xué)到的知識(shí)點(diǎn)。老師在學(xué)生回答問(wèn)題之后進(jìn)行及時(shí)點(diǎn)評(píng)，掌握學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握程度并及時(shí)糾錯(cuò)。

4 準(zhǔn)備習(xí)題和作業(yè)，使學(xué)生能夠“做得懂”

習(xí)題和課后作業(yè)是課堂教學(xué)的延伸和補(bǔ)充，可起到鞏固和應(yīng)用知識(shí)點(diǎn)的作用。[7]筆者會(huì)在課堂教學(xué)中和學(xué)生討論一些具體的例題以及題目中所涉及的知識(shí)點(diǎn)，使學(xué)生能夠?qū)⑺鶎W(xué)習(xí)到的知識(shí)點(diǎn)應(yīng)用到具體的實(shí)例中。每一章課后，會(huì)布置兩次作業(yè)并推送復(fù)習(xí)題，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)通過(guò)電子郵件提交，對(duì)作業(yè)的共性問(wèn)題進(jìn)行討論，目的是使學(xué)生能夠運(yùn)用課程知識(shí)點(diǎn)“做得懂”習(xí)題。

5 結(jié)合科學(xué)研究或?qū)嶋H應(yīng)用，使學(xué)生能夠“用得懂”

由于課程主要講授的是化學(xué)過(guò)程的基本理論和規(guī)律，學(xué)生在學(xué)習(xí)課程的過(guò)程中容易感覺(jué)課程內(nèi)容過(guò)于經(jīng)典和陳舊。實(shí)際上，基本理論和規(guī)律對(duì)科學(xué)研究和實(shí)際應(yīng)用具有重要的指導(dǎo)意義。在線上教學(xué)過(guò)程中，筆者把科學(xué)研究或?qū)嶋H應(yīng)用與授課內(nèi)容結(jié)合。通過(guò)揭示其中所涉及的物理化學(xué)知識(shí)點(diǎn)，使學(xué)生認(rèn)識(shí)到物理化學(xué)課程的重要性，拓寬學(xué)生的視野，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新科研意識(shí)。例如，在講到熱力學(xué)第二定律中化學(xué)反應(yīng)的 G判據(jù)知識(shí)點(diǎn)時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生利用 G判據(jù)來(lái)解決水分解反應(yīng)的方向問(wèn)題。在學(xué)習(xí)化學(xué)勢(shì)概念時(shí)，基于化學(xué)勢(shì)和電化學(xué)勢(shì)概念來(lái)推導(dǎo)科學(xué)研究中濃差電池的電動(dòng)勢(shì)和液接電勢(shì)。表1是筆者將科學(xué)研究和實(shí)際應(yīng)用與授課內(nèi)容結(jié)合的具體事例以及所涉及的課程知識(shí)點(diǎn)。這些教學(xué)設(shè)計(jì)使學(xué)生能夠“用得懂”所學(xué)的知識(shí)點(diǎn)來(lái)解決實(shí)際科研問(wèn)題，提高課程的授課效果。

6 總結(jié)

依據(jù)物理化學(xué)的課程特點(diǎn)，筆者利用優(yōu)化的課件、錄制視頻、微信群翻轉(zhuǎn)課堂、習(xí)題作業(yè)以及結(jié)合科學(xué)研究等多維措施使同學(xué)們能夠?qū)φn程知識(shí)點(diǎn)“看得懂”“聽得懂”“講得懂”“做得懂”以及“用得懂”，建立了適合物理化學(xué)的“5懂”線上錄播教學(xué)模式。學(xué)生反饋良好。線上錄播教學(xué)效果在學(xué)生期末考試成績(jī)中有所體現(xiàn)。其中，優(yōu)秀率（90-100分）比例達(dá)到38%，良好率（80-90分）比例達(dá)到42%，80分以下僅占20%，考試成績(jī)達(dá)到甚至超過(guò)了線下教學(xué)。在隨后的線上教學(xué)過(guò)程中，我們將會(huì)探索更多的措施來(lái)完善課程教學(xué)，使師生都得到更多的收獲和成長(zhǎng)。

基金項(xiàng)目：北京航空航天大學(xué)線上線下混合式一流本科課程校級(jí)立項(xiàng)“物理化學(xué)”（北航教字[2020]2號(hào)）

參考文獻(xiàn)

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