案例法在物理化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用*

李學(xué)峰 趙艷茹

(許昌學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院 河南許昌 461000)

物理化學(xué)是重要的化學(xué)化工專業(yè)基礎(chǔ)課，其基本原理和相關(guān)知識(shí)可在諸多領(lǐng)域得到應(yīng)用，如化工(熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué))、材料(表面與膠體化學(xué))、藥物(熱力學(xué))、冶金、電池(熱力學(xué)、電化學(xué))、電鍍(電化學(xué))等[1]。然而，由于物理化學(xué)理論性較強(qiáng)，常涉及較多的數(shù)學(xué)推導(dǎo)、復(fù)雜的概念及習(xí)題，因此，學(xué)生對(duì)物理化學(xué)學(xué)習(xí)往往感到吃力，甚至很多學(xué)生在學(xué)習(xí)本課程之前就由于聽說(shuō)難學(xué)而產(chǎn)生恐懼心理。很多從事該課程教學(xué)的教師都在試圖改變這一局面，并進(jìn)行了大量的探討。但是，這些探討主要是集中于提高興趣性的層面上[2]。

案例教學(xué)法是在教師的引導(dǎo)下，再現(xiàn)案例實(shí)景，把學(xué)生帶入特定事件的現(xiàn)場(chǎng)，通過(guò)深入角色提高學(xué)生實(shí)際運(yùn)用知識(shí)能力的一種教學(xué)方法[3]。目前，許多高校和培訓(xùn)機(jī)構(gòu)都采用該教學(xué)方法或其核心理念，但專業(yè)多為法學(xué)、醫(yī)學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、商學(xué)等。該方法在化學(xué)化工課程中也有較少應(yīng)用，如張海濤等討論了化工過(guò)程分析與開發(fā)課程中案例素材的來(lái)源和實(shí)例[4]，秦川等系統(tǒng)分析了有機(jī)化學(xué)教學(xué)中案例引入的作用和注意事項(xiàng)，研究結(jié)果表明該方法對(duì)促進(jìn)學(xué)生更快、更深理解和掌握基本知識(shí)有明顯成效[5]。

我院在化學(xué)、應(yīng)用化學(xué)兩個(gè)專業(yè)開設(shè)了物理化學(xué)課程，并在2004年以來(lái)實(shí)施案例教學(xué)法改革，取得初步成效，下面對(duì)實(shí)施情況和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行介紹。

1 案例設(shè)計(jì)

1.1 案例分類

本案例以南京大學(xué)編《物理化學(xué)》(第5版)和天津大學(xué)編《物理化學(xué)》(第4版)為基礎(chǔ)，包含以下幾方面內(nèi)容。

(1) 概念。如熱力學(xué)部分的第一定律、焓、功、熵、吉布斯自由能等。這部分案例主要是以適當(dāng)?shù)姆绞揭牖竞椭匾母拍睿M(jìn)而把每一章節(jié)內(nèi)容串起來(lái)，達(dá)到讓學(xué)生理解和掌握課本內(nèi)容的目的。

(2) 公式。如熱力學(xué)第一定律公式、熱力學(xué)基本方程、麥克斯韋關(guān)系式、克-克方程、能斯特方程、開爾文公式等。這部分案例主要從公式的來(lái)歷和背景講起，結(jié)合推導(dǎo)的邏輯性，可使學(xué)生理解和掌握公式，并學(xué)會(huì)實(shí)際應(yīng)用和解題。

(3) 科學(xué)家軼聞。如物理化學(xué)三劍客、雙面哈伯、固執(zhí)的玻爾茲曼、無(wú)私的開爾文等。這部分案例是補(bǔ)充科學(xué)發(fā)現(xiàn)的背景和科學(xué)家的傳奇經(jīng)歷，再現(xiàn)大師的科學(xué)發(fā)現(xiàn)過(guò)程，使學(xué)生產(chǎn)生對(duì)科學(xué)追求的渴望，培養(yǎng)他們對(duì)學(xué)習(xí)和研究的興趣。

1.2 知識(shí)點(diǎn)梳理

在大多數(shù)情況下，一個(gè)案例所涉及和揭示的往往不僅僅是一個(gè)知識(shí)點(diǎn)，而可能是多個(gè)。比如，合成氨的案例至少涉及了化學(xué)平衡、吉布斯自由能兩個(gè)知識(shí)點(diǎn)；原電池的案例至少涉及了極性(陰陽(yáng)、正負(fù))的分類與定義、導(dǎo)體類別、能斯特方程等知識(shí)點(diǎn)。因此，有必要將相近的知識(shí)點(diǎn)梳理整合，歸結(jié)為一個(gè)案例。當(dāng)然，也允許多個(gè)案例涉及的知識(shí)點(diǎn)相近的情況。

1.3 案例素材的選擇

對(duì)于案例教學(xué)來(lái)說(shuō)，素材是最關(guān)鍵的部分。案例不能過(guò)于復(fù)雜和難懂，否則難以適應(yīng)教學(xué)的要求。因此，選取合適的典型案例是案例教學(xué)設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。

選取案例素材主要有如下來(lái)源：一是《化工大百科全書》，主要涉及化學(xué)化工理論發(fā)展過(guò)程以及進(jìn)展；二是化工類教材，尤其是化學(xué)工藝，與工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)相關(guān)的熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、膠體化學(xué)、電化學(xué)等方面的應(yīng)用實(shí)例，如合成氨的熱力學(xué)分析和應(yīng)用、煉鐵高爐尾氣中CO的難以徹底去除、農(nóng)民鋤地的目的是保墑等；三是調(diào)研本學(xué)院教師的科研方向，結(jié)合對(duì)當(dāng)前或近期學(xué)術(shù)期刊涉及的相關(guān)內(nèi)容的挖掘，從中提煉出物理化學(xué)知識(shí)點(diǎn)的最新應(yīng)用案例，如超臨界流體的高滲透和溶解性能、納米粉體的團(tuán)聚性等。

1.4 案例設(shè)計(jì)的原則

實(shí)施案例教學(xué)的目的在于使學(xué)生易于掌握物理化學(xué)中的知識(shí)難點(diǎn)，因此就要從提高學(xué)生興趣開始。所設(shè)計(jì)的案例事件不但要有代表性，還要有故事性和趣味性。

例如，我們?cè)跓崃W(xué)部分選定的案例有永動(dòng)機(jī)事件、合成氨事件、熵增原理事件等。永動(dòng)機(jī)事件涉及和涵蓋的知識(shí)點(diǎn)有能量、功、能量轉(zhuǎn)換與守恒等；合成氨事件涉及焓、吉布斯自由能、反應(yīng)的熱力學(xué)可行性(吉布斯自由能判據(jù))等知識(shí)點(diǎn)；熵增原理事件則涉及熵的含義、自然和社會(huì)現(xiàn)象的有序與無(wú)序性、熵增原理的適用條件等知識(shí)點(diǎn)。

顯然，這些案例事件涵蓋知識(shí)點(diǎn)多、代表性強(qiáng)，且多個(gè)案例事件串聯(lián)，可形成有機(jī)整體，互相聯(lián)系，將熱力學(xué)部分的整個(gè)體系輕松地寓于多個(gè)故事性、趣味性較強(qiáng)的案例當(dāng)中，能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和降低其理解難度。

2 案例制作

我們的案例采用模塊化設(shè)計(jì)。表1和表2給出了合成氨和工業(yè)味精(表面活性劑)兩個(gè)案例模塊。案例模塊中包含4個(gè)環(huán)節(jié):① 案例事件,② 事件要點(diǎn),③ 知識(shí)點(diǎn)提煉,④ 延伸與應(yīng)用。每一個(gè)案例包括一定知識(shí)點(diǎn);每章內(nèi)容可以通過(guò)若干個(gè)案例模塊有機(jī)地串聯(lián)起來(lái)。這樣，學(xué)生只需記住幾個(gè)案例名稱，就可以逐步完整地掌握本章內(nèi)容。顯然，這種教學(xué)方法深入淺出，能使學(xué)生輕松學(xué)會(huì)并掌握相關(guān)知識(shí)點(diǎn)。

表1 合成氨案例模塊結(jié)構(gòu)組成

表2 工業(yè)味精案例模塊結(jié)構(gòu)組成

3 案例法實(shí)施

國(guó)外教育界有句名言：告訴我，我會(huì)忘記；演示給我，我會(huì)理解；讓我參與，我會(huì)學(xué)會(huì)[6]。根據(jù)學(xué)生的認(rèn)知水平和規(guī)律，我們采取了“告訴”→“演示”→“參與”的模擬步驟，循序漸進(jìn)，使學(xué)生易于理解和掌握知識(shí)點(diǎn)。當(dāng)然，其中的“參與”步驟更多的是通過(guò)課堂模擬講述或結(jié)合實(shí)驗(yàn)課程來(lái)實(shí)現(xiàn)。

第一步，案例事件的講述和演示?？梢酝ㄟ^(guò)口述或多媒體演示，將案例事件較為生動(dòng)地展現(xiàn)給學(xué)生。案例事件要故事性強(qiáng)(最好是真實(shí)的歷史事實(shí)、現(xiàn)實(shí)事件或自然界眾所周知的現(xiàn)象)，主題鮮明(案例事件名稱與要引申的知識(shí)主題嚴(yán)格對(duì)應(yīng))，要點(diǎn)突出(由案例事件引出主題，再分散引出若干知識(shí)要點(diǎn)，是案例模塊的重要功能)，不能太散(不要單純?yōu)榱怂^“講故事”東拉西扯，過(guò)多地涉及由案例引起、但又與知識(shí)點(diǎn)關(guān)系不大的逸聞趣事，以免淡化重點(diǎn)和主題)。

第二步，案例分析。根據(jù)上述案例事件的講述(第一步)，對(duì)案例事件的要點(diǎn)進(jìn)行歸納，采用設(shè)問(wèn)或反向引導(dǎo)的方法，由老師或?qū)W生提出要點(diǎn)涉及的知識(shí)點(diǎn)，完成案例事件→要點(diǎn)→知識(shí)點(diǎn)的自然銜接。然后，對(duì)這些知識(shí)點(diǎn)所延伸的知識(shí)和實(shí)例作不同程度的闡述，以使案例的應(yīng)用更加深入、生動(dòng)、系統(tǒng)。最后，在此基礎(chǔ)上，可總結(jié)該案例教學(xué)的理解思路和記憶思路，即案例事件?要點(diǎn)?知識(shí)點(diǎn)?延伸和實(shí)例(這里的雙箭頭表明該路線可以正反進(jìn)行，即由某個(gè)案例事件可以自然引出這些知識(shí)點(diǎn)及其延伸應(yīng)用，也可由知識(shí)點(diǎn)想到該案例)，這樣的結(jié)果有助于學(xué)生理解并記憶知識(shí)點(diǎn)。

第三步，每章的案例模塊化串講。上述的每個(gè)案例將會(huì)有效幫助學(xué)生理解和記憶知識(shí)點(diǎn)。然而，每個(gè)案例不可能涵蓋太多的要點(diǎn)和知識(shí)點(diǎn)。因此，我們將每章的知識(shí)點(diǎn)歸納總結(jié)為基本能覆蓋該章主要知識(shí)點(diǎn)的若干個(gè)案例。例如，通過(guò)3個(gè)案例的教學(xué)，即永動(dòng)機(jī)案例(說(shuō)明能量守恒、熱力學(xué)第一定律)、熵增原理案例(說(shuō)明熵的概念、引出以及使用范圍)和合成氨案例(說(shuō)明吉布斯自由能的概念、用途)，可以讓學(xué)生輕松掌握熱力學(xué)部分的重要知識(shí)點(diǎn)。在教學(xué)完成后，學(xué)生自己即可由這些案例自然掌握相關(guān)的熱力學(xué)第一定律、熵、吉布斯自由能等基本知識(shí)點(diǎn)；并能從這些知識(shí)點(diǎn)自然聯(lián)想到相關(guān)案例，從而促進(jìn)案例與知識(shí)點(diǎn)的相互引導(dǎo)、相互記憶。這樣，通過(guò)系列案例模塊教學(xué)，就可以把每章的知識(shí)點(diǎn)串聯(lián)起來(lái)，相互獨(dú)立又相互銜接，有助于教師教學(xué)和學(xué)生掌握知識(shí)。目前，本課題組正在著手案例庫(kù)的建設(shè)，旨在完善物理化學(xué)課程的案例模塊，為本校的教學(xué)工作提供基本資料，并為同仁提供有益的借鑒。

4 案例法教學(xué)效果的評(píng)價(jià)

我們對(duì)2002～2007級(jí)化學(xué)和應(yīng)用化學(xué)兩個(gè)專業(yè)本科生的物理化學(xué)課實(shí)施了案例法教學(xué)嘗試。分別從兩個(gè)學(xué)期的物理化學(xué)期末考試成績(jī)和考取研究生錄取率以及物化成績(jī)等幾個(gè)方面考察。

對(duì)于2002和2003級(jí)，第一學(xué)期的物理化學(xué)平均成績(jī)?yōu)?7.5和68分，而經(jīng)過(guò)案例法教學(xué)改革后，2004～2006級(jí)，平均成績(jī)則提高到73～77分，第二學(xué)期具有相同的趨勢(shì)。說(shuō)明案例法提高了教學(xué)效果。

再有，從2002到2006級(jí)的考研錄取率從55%升高到78%～88%，其中物理化學(xué)的平均成績(jī)則從71分提高到81分，這固然與學(xué)生的刻苦學(xué)習(xí)有關(guān)，但顯然也與物理化學(xué)教學(xué)實(shí)施案例法改革有一定聯(lián)系。

[1] 樊曉丹，黃科林，楊波，等.化工技術(shù)與開發(fā)，2008，37(11):23

[2] 張志斌.大學(xué)化學(xué)，2006，21(5):13

[3] 耿珺.化學(xué)教育，2001(4):10

[4] 張海濤，樂(lè)清華，袁向前，等.化工高等教育，2008(4):52

[5] 秦川，榮國(guó)斌.化工高等教育，2006(2):84

[6] 張桂玲，王曉青，李蕾，等.大學(xué)化學(xué)，2004，19(2):17