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(yáng) 413000)
物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)是材料、化學(xué)、化工等專業(yè)開(kāi)設(shè)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)課[1]。開(kāi)設(shè)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)課有利于促進(jìn)學(xué)生對(duì)物理化學(xué)理論知識(shí)的理解和應(yīng)用,有利于學(xué)生掌握物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)由于其本身的難度和特點(diǎn),表現(xiàn)出共同的教學(xué)困境:(1)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)原理抽象,邏輯思維性強(qiáng);(2)實(shí)驗(yàn)需現(xiàn)學(xué)現(xiàn)用的儀器多。在有限的物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)課時(shí)內(nèi),要求學(xué)生掌握實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)方法、儀器使用方法、數(shù)據(jù)處理,完成實(shí)驗(yàn)任務(wù),學(xué)生感到困難。將物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)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(tái)[4],借用翻轉(zhuǎn)課堂優(yōu)勢(shì)[5],采用“雨課堂+翻轉(zhuǎn)課堂”教學(xué)模式,將傳統(tǒng)的“教師實(shí)驗(yàn)課堂講解”移至課前,課堂解決學(xué)生提出的物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的問(wèn)題和完成實(shí)驗(yàn)任務(wù),提升學(xué)生的學(xué)習(xí)效果,解決物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)困境。
物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)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(diǎn)降低法測(cè)定蔗糖摩爾質(zhì)量”為例,盡管實(shí)驗(yàn)做完了,學(xué)生數(shù)據(jù)處理也正確,但問(wèn)學(xué)生“為了提高實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確度,是否可用增加溶質(zhì)濃度的方法?”,學(xué)生不會(huì)從“凝固點(diǎn)降低是稀溶液的一個(gè)依數(shù)性”原理去分析回答問(wèn)題。學(xué)生能夠用外推法求ΔTf,可是當(dāng)問(wèn)學(xué)生“如不用外推法求凝固點(diǎn),一般ΔTf會(huì)偏大還是偏小?”,學(xué)生卻回答不出來(lái)。在物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)中,大多數(shù)學(xué)生只會(huì)“照方抓藥”地操作實(shí)驗(yàn),根本不會(huì)從實(shí)驗(yàn)原理分析問(wèn)題。
物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)需現(xiàn)學(xué)現(xiàn)用的儀器多,學(xué)生預(yù)習(xí)時(shí)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(cè)定需要用到真空泵、真空穩(wěn)壓包、飽和蒸汽壓測(cè)量?jī)x;乙酸乙酯皂化反應(yīng)速率常數(shù)的測(cè)定需要用到電導(dǎo)率儀;揮發(fā)性雙液系沸點(diǎn)-組成圖的繪制需要用到沸點(diǎn)測(cè)定儀和阿貝折光儀。物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)中有些儀器的講解需要的時(shí)間長(zhǎng),例如蔗糖水解反應(yīng)速率常數(shù)的測(cè)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(chǎng)亮度相一致的暗視場(chǎng),圖1中B時(shí)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(shí)驗(yàn)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)
在物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)原理、儀器使用方法學(xué)生學(xué)習(xí)困難處,設(shè)計(jì)微課,突破物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)困境。物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)原理的微課,采用雨課堂4.1版語(yǔ)言+ppt屏幕錄屏,并在雨課堂平臺(tái)配備一定量典型習(xí)題。儀器使用方法的微課,采用語(yǔ)言講解和操作示范,直接錄像拍攝。每節(jié)微課控制時(shí)間,精心設(shè)計(jì)突出重點(diǎn)。例如,蔗糖水解反應(yīng)速率常數(shù)的測(cè)定實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)原理學(xué)生感到困難。微課教學(xué)中,教師講解實(shí)驗(yàn)原理時(shí)結(jié)合蔗糖水解方程式,提問(wèn)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(wèn)②:與蔗糖比較,反應(yīng)物H2O過(guò)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(wèn)③:蔗糖水解反應(yīng)的速率由蔗糖濃度決定,反應(yīng)為幾級(jí)反應(yīng)?學(xué)生回答“作為一級(jí)反應(yīng)處理”。提問(wèn)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(cè)定反應(yīng)物濃度?學(xué)生回答“通過(guò)測(cè)定旋光度來(lái)間接測(cè)定反應(yīng)物濃度”。提問(wèn)⑤:結(jié)合一級(jí)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(shí)間t和完全水解后的旋光度,k為速率常數(shù)。提問(wèn)⑥:如何求速率常數(shù)k?學(xué)生回答“l(fā)g(at-a∞)對(duì)時(shí)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(shí)驗(yàn)原理采用雨課堂4.1版語(yǔ)言+ppt屏幕錄屏,制作微課教學(xué)視頻于實(shí)驗(yàn)課前發(fā)給學(xué)生反復(fù)學(xué)習(xí)。
如圖2,物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)課前教師將物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)微課視頻在雨課堂平臺(tái)發(fā)布,將傳統(tǒng)的“教師實(shí)驗(yàn)課堂講解”作為實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)任務(wù),規(guī)定實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)任務(wù)、時(shí)間和預(yù)習(xí)要求。雨課堂平臺(tái)自動(dòng)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(shí)驗(yàn)成績(jī),調(diào)動(dòng)學(xué)生預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)的積極性。例如,乙醇-乙酸乙酯雙液系溫度-組成圖的繪制實(shí)驗(yàn),可制作3個(gè)微課教學(xué)視頻:①實(shí)驗(yàn)原理與實(shí)驗(yàn)步驟教學(xué)視頻;②沸點(diǎn)測(cè)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(shí)驗(yàn)開(kāi)課前,統(tǒng)計(jì)預(yù)習(xí)情況并算出相應(yīng)得分,統(tǒng)計(jì)學(xué)生提出的問(wèn)題。
圖2 “雨課堂+翻轉(zhuǎn)課堂”的物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)微課教學(xué)
為了檢驗(yàn)學(xué)生預(yù)習(xí)效果,教師可根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理、儀器使用方法、數(shù)據(jù)處理、實(shí)驗(yàn)步驟和注意事項(xiàng),精心設(shè)計(jì)預(yù)習(xí)題,雨課堂可提供多種形式的測(cè)試題。將預(yù)習(xí)題上傳到雨課堂平臺(tái),規(guī)定學(xué)生定時(shí)線上測(cè)試,通過(guò)測(cè)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(shí)驗(yàn)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(diǎn)儀中平衡氣相和液相如何取樣?③測(cè)定氣相和液相折光率時(shí)為什么要將待測(cè)液冷卻?④一次氣液平衡后蒸餾瓶?jī)?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(cè)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(diǎn)即可確定一條直線,實(shí)驗(yàn)中為何還要進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)定?⑥簡(jiǎn)述用阿貝折光儀測(cè)定樣品折光率的步驟?⑦簡(jiǎn)述阿貝折光儀如何讀數(shù)?⑧乙醇-乙酸乙酯雙液系實(shí)驗(yàn)測(cè)得的沸點(diǎn)和標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的沸點(diǎn)是否一致?為什么?⑨如果要測(cè)定純乙醇、純乙酸乙酯的沸點(diǎn),蒸餾瓶必須洗凈,而且烘干,而測(cè)定混合液沸點(diǎn)和組成時(shí),蒸餾瓶則不洗也不烘,為什么?⑩雙液系的沸點(diǎn)-組成圖有哪幾種類型?乙醇-乙酸乙酯雙液系屬于哪一類?
物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)模式系統(tǒng)地講解實(shí)驗(yàn)原理和步驟,而是重點(diǎn)就預(yù)習(xí)中出現(xiàn)的疑難問(wèn)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(shí)驗(yàn)中的疑難問(wèn)題和實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)。這部分課堂教學(xué)用雨課堂“語(yǔ)音+錄屏”,支持教學(xué)過(guò)程回放。例如測(cè)定蔗糖稀溶液的凝固點(diǎn)實(shí)驗(yàn),當(dāng)析出固體較多時(shí)測(cè)得的凝固點(diǎn)數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確,實(shí)驗(yàn)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(huì)使凝固點(diǎn)下降(ΔTf)變大還是變小?學(xué)生回答“變大”。③引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)蔗糖分子量計(jì)算公式M=(Kf×mB)/(ΔTf×mA),其它物理量不變,ΔTf變大時(shí)會(huì)使測(cè)定結(jié)果蔗糖分子量M偏小。
物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)課后,教師要求學(xué)生書(shū)寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告。實(shí)驗(yàn)報(bào)告除了實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)報(bào)告到雨課堂,教師在雨課堂評(píng)閱和修改學(xué)生的實(shí)驗(yàn)報(bào)告。教師在評(píng)閱學(xué)生實(shí)驗(yàn)報(bào)告中發(fā)現(xiàn),有部分學(xué)生origin作圖不美觀,實(shí)驗(yàn)報(bào)告中物理量沒(méi)有單位。教師把物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)報(bào)告中的問(wèn)題總結(jié)歸納,在雨課堂中以“語(yǔ)音+屏幕錄屏”與學(xué)生交流,促進(jìn)學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Ω弦粚訕?。教師也可將?yōu)秀的實(shí)驗(yàn)報(bào)告選出來(lái)上傳到雨課堂平臺(tái),發(fā)揮榜樣的示范效應(yīng)。
采用“雨課堂+翻轉(zhuǎn)課堂”教學(xué)模式的物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)微課教學(xué),能解決物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)微課教學(xué)效果具體表現(xiàn)為:(1)實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)更具有針對(duì)性和有效性。傳統(tǒng)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)盡管也有實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí),但學(xué)生在預(yù)習(xí)時(shí)無(wú)法把握實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)的重點(diǎn)和難點(diǎn),學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(wú)聲”的實(shí)驗(yàn)教材,實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)更具有針對(duì)性;雨課堂可提供多種形式的實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)測(cè)試題,檢驗(yàn)和校正學(xué)生的實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)效果,提高實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)課堂講解的實(shí)驗(yàn)原理、儀器使用方法通過(guò)教學(xué)視頻上傳到雨課堂平臺(tái),在實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)課中能積極主動(dòng)參與到教師組織的疑難問(wèn)題的交流討論中來(lái),學(xué)生表現(xiàn)思維活躍。而傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中疑難問(wèn)題的交流討論,大部分學(xué)生無(wú)法參與進(jìn)來(lái),往往“啟而不發(fā)”。(3)實(shí)驗(yàn)操作規(guī)范。傳統(tǒng)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)盡管也有教師演示實(shí)驗(yàn)和操作示范,由于實(shí)驗(yàn)時(shí)人數(shù)多、部分學(xué)生短時(shí)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(shí)驗(yàn)操作就不規(guī)范或錯(cuò)誤的問(wèn)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(cè)定,傳統(tǒng)課堂教師“一次性”現(xiàn)場(chǎng)操作演示和示范后,許多學(xué)生在裝置安裝、實(shí)驗(yàn)時(shí)多個(gè)閥門(mén)的開(kāi)啟或關(guān)閉時(shí)操作錯(cuò)誤,而使用雨課堂平臺(tái)的翻轉(zhuǎn)課堂的物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)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(shí)沒(méi)有錯(cuò)誤,實(shí)驗(yàn)操作規(guī)范,實(shí)驗(yàn)過(guò)程順利。
利用雨課堂平臺(tái)優(yōu)勢(shì),針對(duì)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)困境,設(shè)計(jì)微課并上傳到雨課堂平臺(tái);采用“雨課堂+翻轉(zhuǎn)課堂”教學(xué)模式的物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)微課教學(xué),在物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)原理和儀器使用方法、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析等方面的能力有顯著的提高。