基于SPOC和慕课堂的物理化学实验混合式教学改革实践

贾雪平，葛明，张跃华，缪建文，葛存旺

南通大学化学化工学院，江苏 南通 226000

物理化学实验是化学师范、应用化学、化工、高分子等专业的一门重要的专业基础必修课，是与物理化学理论课程内容相配套的实验课程。物理化学实验课程的开设，是为了让学生巩固、加深对物理化学基本理论和基本概念的理解；学习物理化学实验的基本方法和实验技术；发展学生的综合能力，即查阅资料、动手、观测、记录、数据处理和分析能力，使学生受到科学研究工作的启蒙训练，培养学生严谨的科学作风和创新精神。搞好物理化学实验课程建设，探索“互联网+”时代的物理化学实验教学模式，对高校培养高素质人才具有重要意义[1,2]。

1 物理化学实验课程特点及教学现状

物理化学实验原理理论性强，实验操作复杂，实验预习、操作、实验数据处理难度都比较大。虽然学生在实验前撰写了报告，但是绝大多数学生只是抄书，实际对实验的原理和过程一知半解；物理化学实验原理和操作的知识点多，学生对实验课上老师教授的知识点难以及时消化吸收，因此在实验和数据处理的过程中还是会不断犯错；物理化学实验数据处理和物理化学理论关系密切，对于物理化学理论基础差的同学，很容易失去学习兴趣，进而发生实验报告抄袭现象。

物理化学实验仪器数量少，每个实验容纳的学生数少。我校每个实验配备6套仪器，每组最多容纳12个学生；物理化学实验采用大循环的模式，每个时间段同时开设6个实验。因为任课教师人数少，因此每位教师要讲授两个实验的原理和操作，时间紧张，导致有些实验难以在规定的时间内完成。而且，在操作讲解时，由于空间的限制，有些学生也难以清楚地看到教师的示范，影响实验进度。

物理化学实验时间长，再加上讲授两个实验时间紧张，教师没有时间与学生进行充分的互动，了解学生对实验的掌握情况，进而影响实验技能的训练效果。

正是为了解决物理化学实验中出现的这些问题，本教学团队利用爱课程平台的SPOC和慕课堂，进行了物理化学实验线上线下混合式课程改革。

2 基于SPOC和慕课堂的物理化学实验混合式教学改革实践

混合式教学是将传统的网络教学(线上)与课堂教学(线下)相结合，融合二者优势的新型教学模式[1,2]。SPOC (small private online course)又称为小规模私人在线课程，它的主要特征是规模小(small)、人数少(几十到几百人)、对学习者有准入条件(private)，可以对学生进行更加细致的管理。利用SPOC可以构建灵活有效的教学方式，实现线上和传统课堂的完美融合，提高教学质量[3,4]。将SPOC引入物理化学实验课程，是将浅层的学习内容，包括实验基本原理和实验操作，转移至课外线上SPOC课堂，学生根据自己的时间及实际需求进行必要的、灵活的学习；线下的实验课上，教师精简讲授内容，增加师生互动，进一步培养学生的综合能力。鉴于此，谢爱娟、伍水生等人提出了基于SPOC的物理化学实验混合教学模式，并利用SPOC开展了物理化学实验翻转式教学的探索[3–5]。

近年来，智慧教学平台，如雨课堂、慕课堂、课堂派、云班课等，已经成为各类课堂教学的重要辅助手段，并取得比较理想的效果[6–9]。其中，慕课堂是爱课程平台研发的线上线下混合式智慧教学工具，能够与爱课程平台的SPOC在管理后台、用户账号、学习数据等方面结合，帮助教师统筹线上与线下课堂，提升教学效率。本团队将爱课程平台的SPOC和慕课堂同时应用到物理化学实验的教学中，开展混合式教学改革，这对于解决传统教学模式下的弊端，培养高素质人才有着重要意义。

2.1 线上教学资源的建设

针对本校的物理化学实验大纲和实验仪器，充分考虑本校学生的能力水平，制作了实验原理、实验操作视频；同时，针对物理化学实验的数据处理规范、误差传递等内容制作了物理化学实验讲座。在爱课程平台，创建物理化学实验SPOC，图1为课程部分目录。课程中除了实验视频外，还配备了相应的PPT、随堂测试等资料，以便学生做笔记和自测；学生通过注册爱课程(或中国大学MOOC)的账号，进行学校云认证，可以观看视频，获取相关的学习资料。

图1 物理化学实验视频部分目录

2.2 线上线下混合教学模式

2.2.1 关联SPOC与慕课堂

利用爱课程平台的慕课堂，按实验小组创建班级，如图2所示。学生加入班级后，可以通过慕课堂的管理功能，将学生在SPOC上学习的记录和课堂关联，方便地查看学生使用SPOC学习的情况。

图2 按实验小组创建的慕课堂

2.2.2 课前预习(线上)

观看SPOC视频进行课前预习，通过实验原理和操作视频中设计的在线互动以及随堂测试，促进学生思考，激发学习主动性，培养学生自主学习的能力和习惯。图3给出了某实验小组SPOC视频学习的情况。

图3 某实验小组SPOC视频学习情况

2.2.3 课堂上的测试、讲解、讨论、实验(线下)

通过慕课堂发布题目，在实验室里对学生的预习效果进行测试。测试的目的是敦促学生在实验前充分预习，及时了解学生预习情况，以便教师有针对性地进行讲解。显然，几道测试题无法涵盖实验的全部内容，因此课堂中的提问也很重要。在课堂提问和讨论中，可以对实验基础内容进行拓展，启发学生的高阶思维和创新能力。通常，测试时间安排5–8分钟，试题数量5–8道；评讲试题和讲解实验时间约10分钟；实验讨论时间10–20分钟。

2.2.4 课后讨论(线上+线下)

实验结束后，针对实验内容进行拓展性讨论。

2.3 基于SPOC的物理化学实验混合式教学实例——以“凝固点降低法测定溶质分子量”为例

2.3.1 课前预习(线上)

在SPOC上观看实验原理和操作讲解视频，完成视频中的互动测试以及随堂测验。图4为凝固点降低实验的互动测试和随堂测试题。

图4 凝固点降低实验的互动测试(左)和随堂测试(右)

实验预习的主要目的是了解实验的基本原理和操作，因此大部分试题是针对实验的基础知识。试题还包含了误差处理的知识，这部分内容在先导课程“无机分析实验”中学习过，这些试题是为了让学生在复习的同时，完成知识点由点到线的串联。发展学生的综合能力，例如数据处理和分析能力，是物理化学实验目的之一，我们会把这些目标贯穿在整个教学过程中。

2.3.2 课堂上的测试、讲解、实验、讨论(线下)

由于学生在SPOC中参加互动测试和随堂测试的情况教师无法查看，因此，在实验课堂上，通过慕课堂发布题目，对学生的预习效果进行检测。测试题和预习时做的题类似，目的是敦促学生在实验前充分预习，及时了解学生预习情况，以便有教师针对性地进行讲解。图5是某实验小组慕课堂“凝固点降低法测定溶质分子量”测试情况。

图5 某实验小组慕课堂“凝固点降低法测定溶质分子量”测试情况

对测试中错误率较高的题目进行评讲后，简要讲解实验过程，强调实验中的注意点，以便学生迅速开展实验。

实验期间巡回指导，就学生实验中出现的不正确操作予以纠正，对学生不理解的实验现象予以解释，对于出现的典型的问题或共性的问题集体讨论。

实验结束后，通过“问题发掘”的方式，展开讨论。目的是激发学生思考，加深学生对物理化学理论的理解，培养学生利用物理化学理论解释问题、处理问题的能力。

问题举例：

【问题1】一定压力下，纯溶剂的凝固点是确定的，溶液的凝固点是变化的。除了从依数性的角度，还可以从其他角度解释吗？

【参考回答】可以从相律的角度来解释：对于纯溶剂，在一定压力下，采用相律F = C - P + 1的形式，C = 1，固液平衡时有两个相，P = 2，因此自由度F = 0，凝固点不变；对于溶液，在一定压力下，同样采用相律F = C - P + 1的形式，C = 2，固液平衡时有两个相，P = 2，因此自由度F = 1，凝固点是变化的。

【问题2】为什么溶液过冷太深的时候需要加快搅拌？

【参考回答】过冷液体是在正常凝固点仍然没有凝固的液体。因为液体冷却凝固过程中首先要形成小颗粒固体，然后小颗粒固体慢慢长大。根据开尔文方程，小颗粒固体的饱和蒸气压比普通固体的饱和蒸气压高，熔点比普通固体的熔点低。因此，液体冷却至正常凝固点时，不会有小颗粒固体析出，液体必须冷却至正常凝固点以下，才能达到小颗粒固体的饱和状态而开始凝固，由此产生过冷现象。

冷却过程中加快搅拌，搅拌棒与凝固点管之间的碰撞和摩擦可能产生固体小颗粒掉落于溶液中，这些小颗粒固体可以作为溶剂固相的“种子”，使溶液跳过生成小颗粒固体的困难期，促使液体凝固。

通过这些问题的启发，使实验的理论知识点不再局限于稀溶液的依数性，而是扩展到了物理化学理论的其他章节，如相平衡和界面现象，让学生更好地将理论联系实际，培养学生用物理化学理论来解释实验现象和处理问题的能力。

这些问题不是固定的，可以视学生的接受程度和实验完成的情况选择性地讨论。如果课堂上时间不够，也可以放在课后。

2.3.3 课后讨论(线上+线下)

因为课堂时间的限制，一部分拓展性讨论可以放在课后。

问题举例：

【问题】除了凝固点降低法测定溶质的分子量之外，哪些方法可以用于测定分子量？和凝固点降低法相比有哪些优势和劣势？

这类问题发布在SPOC的讨论区，学生可以在讨论区参与讨论，也可以与教师通过微信、QQ等方式交流，也可以在下次实验的课间进行。

这类问题的发散性比较强，主要目的是培养学生的综合能力，激发学生的创新思维。问题的讨论不局限于物理化学课程内，可以扩展到其他的科目，如“仪器分析”等，也可以引导学生查阅文献。

3 混合式教学改革成效

王丽娟等认为，不同班级学生的知识背景、学习能力是有差异的，若单纯用平行班级的成绩作对比来评价教学效果有一些偏颇[10]。因此我们采取了纵向比较的方法，也就是让学生将物理化学实验和他们以前修过的无机实验、有机实验比较(这两门实验均采用了传统教学模式)。参考王丽娟等人的研究[3]，我们设计了调查问卷，调查了混合式教学改革对学生学习态度、学习兴趣、学习能力、知识掌握等方面的影响，以期为今后混合教学模式的改进提供参考。

问卷调查对象为2018级化学工程与工艺专业3个班和环境工程专业2个班的学生，共计125人。通过慕课堂发布问卷，问卷为无记名方式。所有问卷在本学期最后一次实验课结束后发出，学生课后完成。发布问卷前再次向学生强调，问卷内容不会影响学生的成绩，请学生如实填写。123名同学参与了问卷调查，均为有效问卷。调查问卷的数据使用Excel收集并处理，处理统计结果用百分数(选择人数/总人数×100%)表示，并用柱状图进行分析对比。

3.1 实验预习环节调查

我们先针对实验预习环节进行了调查，具体问题及结果见表1和图6。问题1–3的调查结果表明：97.6%的学生认为教师有必要要求学生进行课前预习，95.1%的人能做到每次实验前预习，说明绝大部分学生具有较好的学习习惯和态度。一部分同学在预习的过程中主动搜集资料，进行了深入的思考，并希望教师能提供视频进行更好的预习，表明学生求知欲较强。“顺木之天，以致其性”，配合学生的特点，改进教学方法，激发学生的学习兴趣，是教学改革应该遵循的原则。

表1 学生以往实验课程预习环节调查问题汇总

图6 学生实验预习习惯和方式调查结果

3.2 在线课程的学习效果调查

由于新冠疫情，调查对象在前一学期的物理化学理论课中都参与了在线课程的学习，熟悉这种学习方式。我们针对混合教学模式教学中在线课程的学习设置了相关问题，调查问题及结果见表2和图7。问题4的调查结果说明：大部分学生接受在线学习方式，有35%的同学对在线课程的态度取决于视频的内容和质量。问题5–7的调查结果表明：在本次调查的学生中，大部分认为物理化学实验视频能够提高预习效果，对实验操作和实验数据处理有帮助，并能够加深对物理化学理论知识的理解。问题8和9的调查结果表明：66.7%的学生花了30–60分钟，14.6%的学生花了60–90分钟的时间预习实验。可能由于预习花费的时间不长，所以绝大部分同学(22.8% + 67.5%)并不认为学习负担增加了，其中有67.5%的同学喜欢这种学习方式，这和王丽娟等人得到的结论是一致的[3]。

表2 在线课程的学习与混合教学模式的调查问题汇总

图7 在线课程的学习与混合教学模式的调查结果

3.3 混合教学模式对学生能力影响的调查

我们进一步调查了混合教学模式对学生能力的影响，具体问题及结果见表3和图8。问题10–13的调查结果表明：本次调查对象对混合教学模式总体上的评价较好，绝大部分学生认为该模式在一定程度上提高了自己的学习能力、独立解决问题的能力并提高了自己的学习兴趣；91.9%的学生明确表达喜欢混合教学模式。

表3 混合教学模式对学生能力影响的调查问题汇总

图8 混合教学模式对学生能力影响的调查结果

4 混合式教学的优势及其面临的挑战

混合式教学的优势在于，学生可以通过线上的教学视频和资料，进行高效的预习和复习，不仅加强了对物理化学理论知识的理解和应用，而且激发了学生自主学习的积极性。由于学生在实验前预习充分，因此教师在线下的实验课上可以精简讲授内容，节约的时间可以和学生进行启发式与讨论式相结合的互动教学。在学生掌握实验基本内容的基础上，这些师生互动可以进一步培养学生的综合能力，激发学生的创新思维。

在新冠疫情期间，物理化学实验的线上线下混合模式，也发挥了重要的作用。“互联网+”教学可以突破时空限制的特点，使学生能够通过线上的SPOC视频和资料进行学习，减少了在实验室集中听讲的时间，减少了人员聚集。

但新的教学模式对实验指导教师的教学理念、信息化教学能力和物理化学理论知识水平提出了更高的要求。近年来，教育部提出“淘汰水课，打造金课”、课程思政等理念，要让这些理念深入到每个教师的教学中，还需要学校加大宣传和培训力度。虽然这几年“互联网+”教学迅猛发展，但很多教师的信息化教学水平仍然停留在PPT阶段，因此提升教师的信息化教学水平也是当务之急。另外，在传统的实验课堂中，实验指导教师只需要知道和某个实验相关的理论和操作的浅层知识；在混合式实验教学中，浅层知识学生已经通过视频资料在课前学习了，在课堂教学中，教师需要引导学生进行物理化学的各个知识点相互之间以及与其他课程知识的串联，这就需要教师提高自身的理论水平。同时，指导教师还应当有意识地将自己的科研成果渗透到教学中，提高课程的创新性、挑战度。

5 结语

在爱课程平台创建了物理化学实验SPOC，并基于SPOC和慕课堂开展了物理化学实验混合式教学改革。实践表明，混合式教学提高了学生的学习兴趣，能够加深学生对物理化学理论知识的理解，在实验操作和数据处理方面能给学生提供有效帮助，对于发展学生的综合能力有一定的积极作用。我们将继续借鉴其他高校的成功经验[1–10]，利用好在线课程和智慧教学工具，对课前、课上、课后各个环节的教学内容重新设计和优化，不断探索提高教学质量的途径和方法，为培养高素质人才而努力。