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        “做中學(xué)”探究式教學(xué)模式研究

        2021-10-12 03:03:30楊喜平盧明霞曹曉雨
        大學(xué)教育 2021年10期
        關(guān)鍵詞:探究式教學(xué)

        楊喜平 盧明霞 曹曉雨

        [摘 要]在物理化學(xué)單組分系統(tǒng)的相平衡的講授中,采用“做中學(xué)”探究式教學(xué)方法。首先制訂“做中學(xué)”探究式教學(xué)的目標(biāo),然后明確采用的教法與學(xué)法,最后提出具體的“做中學(xué)”探究式教學(xué)的策略。給出具體實驗數(shù)據(jù),引導(dǎo)學(xué)生繪制相圖,分析數(shù)據(jù),探討結(jié)論,并且補充介紹水的三相點的測定,其間對學(xué)生進行科學(xué)方法教育,取得了非常好的教學(xué)效果。

        [關(guān)鍵詞]做中學(xué);探究式教學(xué);單組分系統(tǒng);相平衡

        [中圖分類號] G642 [文獻標(biāo)識碼] A [文章編號] 2095-3437(2021)10-0105-03

        科學(xué)教育改革實驗項目“做中學(xué)”,給學(xué)生提供了開放的空間,讓學(xué)生自己去發(fā)現(xiàn)問題,自己動手去做,在做中學(xué)習(xí),在做中掌握知識本領(lǐng),使學(xué)生有機會親自探索科學(xué)奧秘。在教師和學(xué)生共同組成的學(xué)習(xí)環(huán)境中,應(yīng)讓學(xué)生親歷科學(xué)探究的過程。探究既是科學(xué)學(xué)習(xí)的目的,又是科學(xué)學(xué)習(xí)的方式,在探究式科學(xué)教育中,需要把“讓學(xué)生建立新的科學(xué)概念(想法)”與“學(xué)生探究能力、科學(xué)態(tài)度的培養(yǎng)”結(jié)合起來考慮[1]。在高等教育的物理化學(xué)課程教學(xué)中開展“做中學(xué)”科學(xué)探究式教學(xué)[2],教師可將科學(xué)知識匯聚到一個適宜學(xué)生探究的、與科學(xué)概念有關(guān)的問題上,引導(dǎo)學(xué)生進行探究。本文將單組分系統(tǒng)的相平衡的講授置于師生互動、生生互動的環(huán)境中,由學(xué)生主動進行探究,邊做邊學(xué),取得了非常好的教學(xué)效果。

        一、依據(jù)“做中學(xué)”理念,制訂三維教學(xué)目標(biāo)

        相平衡是南京大學(xué)出版社出版的《物理化學(xué)》第5版教材第五章的內(nèi)容,它是熱力學(xué)三大定律在多組分多相系統(tǒng)中的應(yīng)用[3]。單組分系統(tǒng)的相平衡是相平衡中最基礎(chǔ)的內(nèi)容。教材是以水為例來介紹單組分系統(tǒng)的相平衡的。為了便于學(xué)生理解和掌握水的相圖,備課過程中筆者充分挖掘教材的內(nèi)涵和外延,授課過程中適當(dāng)調(diào)整教學(xué)策略[4],創(chuàng)造性地進行教學(xué)設(shè)計,并補充水的相平衡數(shù)據(jù)表和水的三相點的測定過程和方法,同時引導(dǎo)學(xué)生邊做邊學(xué),有效開展探究性學(xué)習(xí)。依據(jù)“做中學(xué)”理念,筆者制訂了以下的三維教學(xué)目標(biāo)。

        (1)知識與技能目標(biāo):掌握單組分系統(tǒng)平衡相圖的繪制方法,能夠根據(jù)實驗數(shù)據(jù)繪制簡單的相圖;掌握單組分系統(tǒng)水的相圖;熟練掌握相圖中點、線、面的物理意義;能運用克拉佩龍方程解釋三條線的斜率;理解水的三相點與冰點的區(qū)別。

        (2)過程與方法目標(biāo): 課堂內(nèi)學(xué)習(xí)與課堂外探究討論相結(jié)合,精心設(shè)計教學(xué)環(huán)節(jié)和課外拓展性作業(yè),激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,促進學(xué)生積極主動地學(xué)習(xí);通過補充介紹水的三相點的測定過程和方法,對學(xué)生進行科學(xué)方法教育。

        (3)情感態(tài)度與價值觀目標(biāo):將課內(nèi)與課外相結(jié)合,培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實際的意識;通過介紹水的三相點的測定過程和方法,讓學(xué)生了解在熱力學(xué)溫標(biāo)的確定中中國科學(xué)家的貢獻[5-6],對學(xué)生進行科學(xué)方法教育,培養(yǎng)學(xué)生的探索意識和思維能力。

        二、精心設(shè)計教法與學(xué)法

        教學(xué)充分體現(xiàn)以教師為主導(dǎo)、學(xué)生為主體,具體的教法與學(xué)法如下:①目標(biāo)導(dǎo)學(xué):列出導(dǎo)學(xué)提綱,給出明確的學(xué)習(xí)要求;②自主發(fā)現(xiàn):依據(jù)導(dǎo)學(xué)提綱,學(xué)生邊做邊學(xué),化解難點;③對比法:水的相圖中三條線的斜率的比較(有正負(fù)之分,產(chǎn)生正負(fù)的原因);水的三相點與冰點的比較(表現(xiàn)為溫度不同、壓力不同,其原因在于系統(tǒng)不同:水的三相點對應(yīng)的是嚴(yán)格的純組分系統(tǒng),而水的冰點是指水被空氣飽和形成的稀溶液);水的相圖與二氧化碳的相圖的比較(水的相圖中三條線的斜率兩正一負(fù),而二氧化碳的相圖中三條線的斜率均為正值;二氧化碳的臨界點溫度比水的低,只有364.2 K,臨界點溫度壓力也比水的低,所以在實際操作中常用二氧化碳超臨界流體作為萃取劑);④合作討論:思考與討論相關(guān)題目,完成綜合實踐作業(yè);⑤理論聯(lián)系實際解釋冬天下雪、夏天下雨及二氧化碳鋼瓶充氣等現(xiàn)象和解決生產(chǎn)實際問題。

        三、“做中學(xué)”探究式教學(xué)的具體策略

        (一)創(chuàng)設(shè)情境,導(dǎo)入新課

        從常見的自然現(xiàn)象和生產(chǎn)實際入手,提出問題:為什么夏天遇到冷空氣會下雨甚至?xí)卤??而冬天往往遇冷空氣會下雪?在室溫?3 ℃)下,用二氧化碳高壓鋼瓶制取干冰應(yīng)采用鋼瓶倒立打開閥門的方法還是采用鋼瓶正立打開閥門的方法?由此引入單組分系統(tǒng)相平衡問題的研究。

        (二)依據(jù)目標(biāo)導(dǎo)學(xué),層層引導(dǎo),學(xué)習(xí)新知

        1.相圖概說

        用圖解的方法研究由一種或多種物質(zhì)構(gòu)成的相平衡系統(tǒng)的性質(zhì)(如沸點、熔點、蒸汽壓、溶解度等)與條件(如溫度、壓力及組成等)的函數(shù)關(guān)系,這種關(guān)系的圖叫作相平衡狀態(tài)圖,簡稱相圖。教師展示圖片,引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)出表示相平衡狀態(tài)的三種方法(本次課三種方法貫穿整個課堂):①實驗數(shù)據(jù)的表格法;②由實驗數(shù)據(jù)作圖的圖解法;③能表達實驗數(shù)據(jù)的方程式的解析法。

        2.目標(biāo)導(dǎo)學(xué)

        上次課把不同溫度下水的相平衡數(shù)據(jù)[7]表(見表1)和導(dǎo)學(xué)提綱進行展示并分發(fā)給學(xué)生,明確要求學(xué)生首先根據(jù)表中所列數(shù)據(jù)用坐標(biāo)紙繪制水的相圖,仔細(xì)觀察圖形特征,思考圖中的點、線、面的物理意義;然后依照導(dǎo)學(xué)提綱所列步驟,結(jié)合繪圖過程分析畫出的三條線的物理意義,嘗試運用相律分析相圖;最后聯(lián)系生活生產(chǎn)實際,對比相圖,說說自己的發(fā)現(xiàn),并給出合理解釋。目標(biāo)導(dǎo)學(xué)所列項目猶如一個小的科研課題,在實施目標(biāo)導(dǎo)學(xué)所列項目的過程中,讓學(xué)生自己動手去做,去發(fā)現(xiàn)問題,親歷科學(xué)探究的過程,真正實現(xiàn)“做中學(xué)”。目標(biāo)導(dǎo)學(xué)項目的完成,能使學(xué)生較深刻地感悟相圖的來龍去脈,在以后遇到其他類型的相圖時,能夠舉一反三、觸類旁通。

        3.層層引導(dǎo),領(lǐng)悟新知

        引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合導(dǎo)學(xué)提綱,總結(jié)運用相圖進行討論和分析的一般原則和步驟:(1)確定相圖的類型,畫出相圖;(2)分析相圖中點、線、面的物理意義(靜態(tài)分析);(3)明確相圖中可變條件和系統(tǒng)狀態(tài)變化之間的關(guān)系(動態(tài)分析); (4)靈活應(yīng)用相圖。

        以水的相圖(如圖1)為例來學(xué)習(xí)運用相圖進行討論和分析的一般原則和步驟,學(xué)習(xí)識圖的一般方法。根據(jù)導(dǎo)學(xué)提綱,結(jié)合繪圖經(jīng)過突出“我的四大發(fā)現(xiàn)”,層層引導(dǎo),學(xué)習(xí)新知。(1)AO線能不能往上無限延伸?(2)三條線的斜率為什么有正負(fù)之分? (3)OD是AO的延長線,是虛線還是實線?(4) O點即三相點與冰點是不是一回事?由學(xué)生總結(jié),補充、完善導(dǎo)學(xué)提綱,分析相圖中所出現(xiàn)的點、線、面的物理意義,給出結(jié)論并講解原因,特別指出氣液平衡曲線OA不能無限延長,它終止于臨界點A(647.4 K,2.2×107 Pa),在臨界點,液體和氣體的密度相等,氣態(tài)和液態(tài)之間的界面消失。在臨界點以上的區(qū)域是超臨界流體區(qū),它呈現(xiàn)氣體狀態(tài),但密度接近液體,有很好的流動性和傳遞性能,介電常數(shù)增大等,呈現(xiàn)出一系列特殊的性質(zhì)。引導(dǎo)學(xué)生用克拉佩龍方程或克-克方程解釋三條線的斜率的正負(fù)及其含義,比如冰水兩相平衡線的斜率為負(fù),說明當(dāng)壓力增高時冰的熔點降低。

        (三)啟迪導(dǎo)航,滲透方法教育和德育教育

        先介紹水的相圖中三條線的交點O稱為三相點。一個點微不足道,但由此成就了一個偉大的物理化學(xué)家和促進了熱力學(xué)溫標(biāo)的確定。自從1854年 Kelvin 提出用一個熱力學(xué)溫度值定義熱力學(xué)溫標(biāo)后,人們幾乎經(jīng)過一個世紀(jì)的不懈努力,才幸運地找到了水的三相點溫度值是定義熱力學(xué)溫標(biāo)的最理想值,因為可由熱力學(xué)證明,這個溫度極為穩(wěn)定。然而,準(zhǔn)確測定這個溫度是極其困難的,因為實驗設(shè)計的難度是難以想象的。接著介紹物理化學(xué)宗師黃子卿,他于1934年精妙地設(shè)計了實驗裝置并且準(zhǔn)確測定了水的三相點溫度為0.00980±0.00005 ℃,并被國際普遍接受[5]。

        補充介紹水的三相點瓶的設(shè)計原理和測定方法,對學(xué)生進行實驗方法教育。在一個由優(yōu)質(zhì)玻璃制成的水的三相點瓶中,放入高純度的水,將水加熱并抽真空,然后將抽真空的口用火焰封死。此時,瓶中的水只有兩相,即水和水蒸氣,怎么獲得第三相(冰)呢?將瓶倒過來,在溫度計插管處加入冰和鹽的混合物(可在溫度計插管的周圍結(jié)上一層冰),再改用水加入溫度計插管中,冰層就與插管分開,形成懸于水中的環(huán)狀冰套。于是出現(xiàn)三相共存,測定該點的溫度即為水的三相點的溫度。將三相點瓶放入有冰水混合物的容器中,冰套可以保持幾個月不融化[6]。如此重要的數(shù)據(jù)不是經(jīng)過高精尖的儀器測定的,而是利用普通的玻璃經(jīng)過精妙的設(shè)計來完成的,由此啟示學(xué)生不要抱怨環(huán)境不好,實驗條件簡陋,實驗設(shè)備低級,應(yīng)勇于開拓創(chuàng)新。同時再度指出一代宗師黃子卿先生是中國化學(xué)家的代表,他的愛國主義精神令人敬佩。日本全面侵華戰(zhàn)爭的前夕, 他表明立場:“我是中國人,要跟中國共命運?!辈⒁闳换氐阶鎳?解放戰(zhàn)爭期間,諾貝爾化學(xué)獎得主鮑林曾勸他把家人接過來,留在美國安心做研究,他說:“我的家在中國,我一定要回去。”等等。這樣,潛移默化地向?qū)W生滲透了愛國主義教育、人文修養(yǎng)和職業(yè)道德等教育,從而塑造學(xué)生的人生觀和價值觀。

        最后提出問題:為什么要抽真空?引導(dǎo)學(xué)生分析水的三相點與冰點的不同及其原因。

        (四)總結(jié)要點,應(yīng)用知識

        讓學(xué)生畫出水在通常條件下的相圖,解釋壓力增大時冰的熔點如何變化。思考與討論:為什么夏天遇到冷空氣會下雨甚至?xí)卤?,而冬天往往遇冷空氣會下雪?夏天水的蒸汽壓較大,當(dāng)環(huán)境(大氣)溫度降低時,系統(tǒng)(水蒸氣)點從相圖中的氣相區(qū)首先進入液相區(qū),故水蒸氣凝結(jié)成液態(tài)水,即下雨;如果環(huán)境(大氣)溫度急劇降低,系統(tǒng)點由液相區(qū)進入固相區(qū),液態(tài)水凝固,即雨滴變?yōu)楸?。而冬天水的蒸汽壓較小,當(dāng)環(huán)境(大氣)溫度降低后系統(tǒng)點由氣相區(qū)直接進入固相區(qū),水蒸氣凝華為較松軟的固體冰即下雪。

        知識的遷移:二氧化碳的相圖與水的相圖一樣嗎?簡單介紹二氧化碳的相圖(見圖2)。根據(jù)二氧化碳的相圖安排搶答與討論:

        (1)二氧化碳空鋼瓶在工廠車間充氣時(車間溫度為13 ℃),當(dāng)充氣壓力表到達一定數(shù)值后,就不再升高,而鋼瓶的總重量卻還在增加,原因是什么?

        (2)(1)中所述現(xiàn)象在炎熱的夏季(平均室溫為33 ℃)會不會出現(xiàn)?

        (3)在室溫(13 ℃)下,用二氧化碳高壓鋼瓶制取干冰應(yīng)采用鋼瓶正立打開閥門的方法還是采用鋼瓶倒立打開閥門的方法?[8]

        (五)拓展訓(xùn)練,升華知識

        自編例題:已知液態(tài)水在-10 ℃和-5 ℃時的飽和蒸汽壓分別為0.289 kPa和0.422 kPa,冰在-10 ℃和-5 ℃時的飽和蒸汽壓分別為0.260 kPa和0.414 kPa。(1)分別計算水的摩爾蒸發(fā)焓、摩爾升華焓和摩爾凝固焓;(2)計算水的三相點的溫度和壓力;(3)對計算結(jié)果的準(zhǔn)確性進行評價。(綜合性很強的題目)

        例題中的摩爾蒸發(fā)焓、摩爾升華焓和摩爾凝固焓的計算,由克-克方程可以順利進行;三相點的溫度和壓力可由任意兩條線的克-克方程組合聯(lián)立方程組求得,但是由本例題(從分發(fā)的數(shù)據(jù)表中截取的兩組數(shù)據(jù))計算的結(jié)果與實際的三相點的溫度和壓力是不同的,應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生對結(jié)果的準(zhǔn)確性進行評價。引導(dǎo)學(xué)生分析產(chǎn)生此差別的原因,不僅可以讓學(xué)生更加深刻地理解克拉佩龍方程和克-克方程在推導(dǎo)過程中引入的近似條件,還可以逐步培養(yǎng)學(xué)生深入思考和不斷探究的意識和習(xí)慣。

        另外,要求學(xué)生課下上網(wǎng)查詢超臨界二氧化碳萃取技術(shù)的特點和優(yōu)點以及超臨界二氧化碳萃取技術(shù)的應(yīng)用,并撰寫小論文,教師安排時間讓學(xué)生進行匯報,然后給予綜合評價。

        四、“做中學(xué)”探究式教學(xué)的反思

        本次課以“做中學(xué)”科學(xué)探究模式開展教學(xué),邊做邊學(xué),目的是培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力、自主學(xué)習(xí)能力和獲取、加工和應(yīng)用信息的能力;采用課內(nèi)學(xué)習(xí)探究與課外合作討論相互結(jié)合的方式,引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)探究的技能,并在學(xué)習(xí)的過程中逐漸建構(gòu)知識體系;精心設(shè)計課外作業(yè),充分調(diào)動學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性;有意識地培養(yǎng)學(xué)生查閱資料的習(xí)慣和能力;舉辦作業(yè)交流,讓學(xué)生體會合作研究、交流學(xué)習(xí)的樂趣。實踐證明,這種“做中學(xué)”探究式教學(xué)是有效的。

        在教學(xué)中通過補充介紹物理化學(xué)宗師黃子卿先生的貢獻及其崇高的精神境界、愛國情懷,將課程思政落實于課堂教學(xué)之中;介紹黃子卿先生設(shè)計的三相點測定儀,突出傳授獲取知識的思想和方法,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和科學(xué)品質(zhì),使學(xué)生具備扎實的基礎(chǔ)和潛在的發(fā)展能力,同時將知識點系統(tǒng)化,附之以素質(zhì)和能力的培養(yǎng)內(nèi)容,使知識傳授不再是教育教學(xué)的終極目標(biāo),而是素質(zhì)和能力培養(yǎng)的有效載體。

        [ 參 考 文 獻 ]

        [1] 劉知新.化學(xué)教學(xué)論[M].4版.北京:高等教育出版社,2009:246-266.

        [2] 楊喜平,張玉軍.物理化學(xué)的科學(xué)探究式教學(xué)研究[J].化學(xué)教育,2015(16):15-17.

        [3] 傅獻彩,沈文霞,姚天揚,等.物理化學(xué)[M].5版.北京:高等教育出版社,2006:277-285.

        [4] 楊喜平,張玉軍,閆向陽.淺談在教學(xué)過程中如何創(chuàng)造性地使用教材[J].職業(yè)時空,2011(6):67-68.

        [5] 黑恩成.以“少而精和博而通”的思想指引教學(xué)[J].化工高等教育,2010(2):1-3.

        [6] 劉國杰,黑恩成.物理化學(xué)導(dǎo)讀[M].北京:科學(xué)出版社,2008:148-155.

        [7] 天津大學(xué)物理化學(xué)教研室.物理化學(xué)上冊[M].5版.北京:高等教育出版社,2009:232.

        [8] 范崇正,杭瑚,蔣淮謂.物理化學(xué):概念辨析·解題方法·應(yīng)用實例[M].4版.北京:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社,1999:19.

        [責(zé)任編輯:黃春香]

        [收稿時間]2020-05-27

        [基金項目]河南省首批線下一流課程建設(shè)項目;河南工業(yè)大學(xué)第一批線下一流課程建設(shè)項目(201903);河南工業(yè)大學(xué)教學(xué)研究項目“以學(xué)為中心的物理化學(xué)課程創(chuàng)新教學(xué)模式研究”([2018]GJYJ-ZX23);河南工業(yè)大學(xué)本科教育教學(xué)改革研究與實踐項目([2019[GJYJ-2019036)。

        [作者簡介] 楊喜平(1972-),女,河南鞏義市人,副教授,碩士,主要從事物理化學(xué)和結(jié)構(gòu)化學(xué)的教學(xué)和研究。

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