問題式教學(xué)和案例教學(xué)在普通化學(xué)教學(xué)中的綜合應(yīng)用
——自發(fā)熱貼發(fā)熱原理中的基礎(chǔ)化學(xué)

胡　鍇　蔡　蘋　程功臻

（武漢大學(xué)化學(xué)與分子科學(xué)學(xué)院，武漢430072）

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·教學(xué)研究與改革·

問題式教學(xué)和案例教學(xué)在普通化學(xué)教學(xué)中的綜合應(yīng)用
——自發(fā)熱貼發(fā)熱原理中的基礎(chǔ)化學(xué)

胡鍇*蔡蘋程功臻

（武漢大學(xué)化學(xué)與分子科學(xué)學(xué)院，武漢430072）

通過“自發(fā)熱貼發(fā)熱原理”教學(xué)案例介紹問題式教學(xué)（PBL）和案例教學(xué)（CL）模式在普通化學(xué)教學(xué)實(shí)踐中的綜合應(yīng)用。兩種教學(xué)模式有機(jī)結(jié)合、取長補(bǔ)短，在案例的基礎(chǔ)上利用提問式教學(xué)激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，在提問式教學(xué)的氛圍中結(jié)合學(xué)生實(shí)際情況充分發(fā)揮案例教學(xué)中教師的引導(dǎo)作用。兩種教學(xué)方法的綜合應(yīng)用能培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的能力、分析和解決問題的能力以及知識(shí)綜合應(yīng)用能力。

問題式教學(xué)；案例教學(xué)；普通化學(xué)；教學(xué)案例

1　前言

化學(xué)是一門綜合性學(xué)科，不同原理之間有其內(nèi)在的關(guān)系和邏輯，同一現(xiàn)象可能需要利用不同的原理進(jìn)行綜合分析。這就要求學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中建立知識(shí)之間的聯(lián)系，靈活地應(yīng)用各種知識(shí)去分析解決實(shí)際問題。在教學(xué)實(shí)踐過程中，我們發(fā)現(xiàn)學(xué)生所學(xué)的知識(shí)仍桎梏于課本和習(xí)題，知識(shí)不能與實(shí)際問題有效地鏈接，分析和解決問題能力不足，理論的綜合應(yīng)用能力還有待提高。此外，自我學(xué)習(xí)的積極性也不高。針對(duì)上述問題，我們?cè)谌粘＝虒W(xué)過程中引入了問題式教學(xué)（problem-based learning，PBL）和案例教學(xué)（case learning，CL）方法，通過問題的引入和討論以及教師的適當(dāng)參與和指導(dǎo)提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和知識(shí)理論的綜合應(yīng)用能力。

PBL和CL是目前高等教育課程教學(xué)中廣泛接受和認(rèn)可的主動(dòng)式學(xué)習(xí)教學(xué)模式，在教學(xué)實(shí)踐中也取得了比較好的教學(xué)效果［1-5］。PBL是一套以問題為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)情境，讓學(xué)生通過自我探索解決問題的教學(xué)方法。該方法注重從具體問題細(xì)節(jié)著手，著眼于提高學(xué)生解決具體問題的能力，在提高學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性、解決具體問題的能力以及教學(xué)質(zhì)量提高等方面都取得了一定的效果。但在具體實(shí)踐過程中我們發(fā)現(xiàn)，對(duì)于知識(shí)的初學(xué)者，當(dāng)其知識(shí)架構(gòu)尚未很好地建立時(shí)，復(fù)雜的問題會(huì)給他們帶來很沉重的負(fù)擔(dān)，加之教師在PBL中有限引導(dǎo)者的角色，使得這種教學(xué)方法的學(xué)習(xí)效果和效率差強(qiáng)人意。針對(duì)這些問題，我們?cè)诮虒W(xué)過程中同時(shí)引入案例教學(xué)方法。區(qū)別于PBL，CL中教師是指導(dǎo)者，在一定程度上統(tǒng)領(lǐng)著整個(gè)課程的進(jìn)程。此外，CL除了關(guān)注具體問題的解決外，更注重提高學(xué)生運(yùn)用所學(xué)理論綜合解決問題的能力，教師幫助學(xué)生在自主學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步構(gòu)建和完善知識(shí)體系。此時(shí)，教師教的不再是具體的知識(shí)理論，而是分析和解決問題的方法。因此，在日常教學(xué)實(shí)踐中，我們根據(jù)實(shí)際教學(xué)對(duì)象特點(diǎn)，將兩種方法有機(jī)結(jié)合、取長補(bǔ)短，以期達(dá)到更好的教學(xué)效果。

案例的選擇和問題的設(shè)置是達(dá)成良好教學(xué)效果的關(guān)鍵。下面以普通化學(xué)教學(xué)中的實(shí)際教學(xué)案例來簡要闡明我們?cè)诰唧w教學(xué)過程中如何綜合應(yīng)用問題式教學(xué)和案例教學(xué)方法。希望在總結(jié)、分享教學(xué)心得的同時(shí)，能起到一定的參考借鑒作用。

2　教學(xué)案例分析

在完成了化學(xué)熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)以及氧化還原反應(yīng)基礎(chǔ)理論教學(xué)后，我們選擇了“自發(fā)熱貼發(fā)熱原理”為教學(xué)案例，進(jìn)行了基于問題式教學(xué)和案例教學(xué)的教學(xué)專題活動(dòng)。選題考慮了學(xué)生當(dāng)前所學(xué)的知識(shí)背景以及知識(shí)的趣味性和拓展性。以問題式教學(xué)引入，問題貫穿整個(gè)教學(xué)討論過程；同時(shí)以案例教學(xué)方法為基本指導(dǎo)，在發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性的同時(shí)也充分體現(xiàn)教師的指導(dǎo)總結(jié)作用，保證教學(xué)活動(dòng)高效進(jìn)行。

具體教學(xué)實(shí)踐中，首先以目前市面上比較流行的自發(fā)熱貼的自發(fā)熱原理為基本問題展開教學(xué)（圖1）；通過提問和分析不斷層層深入，引導(dǎo)學(xué)生思考和討論，最終對(duì)發(fā)熱貼原理形成一個(gè)比較全面的認(rèn)識(shí)。教學(xué)過程中，在鞏固相關(guān)理論的基礎(chǔ)上進(jìn)一步幫助學(xué)生完善知識(shí)的內(nèi)在聯(lián)系，完成知識(shí)重構(gòu)；此外，通過師生共同對(duì)具體問題的分析提高學(xué)生分析和解決問題的能力以及綜合應(yīng)用知識(shí)的能力等。此教學(xué)案例實(shí)施2年以來，取得了較好的效果。不但激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還讓學(xué)生進(jìn)一步了解到知識(shí)不是孤立的，而是存在其內(nèi)在的相互聯(lián)系，更重要的是通過這一教學(xué)過程讓學(xué)生更清楚地理解化學(xué)及其相關(guān)的應(yīng)用。

根據(jù)教學(xué)對(duì)象和教學(xué)目的，針對(duì)化學(xué)和化學(xué)相關(guān)專業(yè)學(xué)生，依次設(shè)計(jì)以下6個(gè)主要問題：

（1）從自發(fā)熱貼的化學(xué)組成入手，分析自發(fā)熱貼能自發(fā)熱的基本化學(xué)原理。

（2）為什么O2首先將Fe氧化為Fe2+，其后Fe2+進(jìn)一步反應(yīng)為Fe3+，而不是一步氧化為Fe3+？

大量傳統(tǒng)外貿(mào)公司紛紛轉(zhuǎn)行搞跨境電商，加上很多新近成立的跨境電商公司，跨境電商行業(yè)對(duì)人才需求量非常大。從企業(yè)反饋來看，單一素養(yǎng)的跨境電商人才難以滿足企業(yè)實(shí)際需求?？缇畴娚唐髽I(yè)迫切需要既會(huì)對(duì)外貿(mào)易技能，又有電子商務(wù)素養(yǎng)的綜合性人才。

（3）試通過相關(guān)計(jì)算說明自發(fā)熱貼的發(fā)熱效率。

（4）同為吸氧腐蝕，為什么自發(fā)熱貼中鐵的氧化速率要明顯地高于生活中鐵釘或者鋼板的氧化速率？

圖1　自發(fā)熱貼實(shí)物圖及構(gòu)造解析圖

（5）評(píng)價(jià)自發(fā)熱貼產(chǎn)品優(yōu)劣的指標(biāo)有哪些？自發(fā)熱貼如何實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定持續(xù)的釋放熱量？通過以上分析總結(jié)，哪些是決定自發(fā)熱貼性能的主要因素？

（6）如何通過化學(xué)方法對(duì)自發(fā)熱貼進(jìn)行組成分析和測(cè)定？

下面是對(duì)問題分析及相關(guān)教學(xué)的簡要說明。

2.1問題1

通過引導(dǎo)學(xué)生閱讀包裝袋上的成分說明和使用說明，學(xué)生可分析討論得出體系中發(fā)生的基本反應(yīng)為鐵粉與空氣中氧氣的氧化還原反應(yīng)：

隨后對(duì)發(fā)熱貼內(nèi)容物反應(yīng)前后的顏色進(jìn)行對(duì)比分析：最初反應(yīng)物為黑色，反應(yīng)后黑色物質(zhì)中混有棕紅色物質(zhì)，學(xué)生可推定反應(yīng)最終產(chǎn)物為Fe2O3，期間相應(yīng)發(fā)生了氧化還原和分解反應(yīng)：

2.2問題2

在解決了第一個(gè)問題的基礎(chǔ)上，針對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物提出了第二個(gè)問題。即為什么Fe被O2氧化的反應(yīng)中，氧化還原反應(yīng)的產(chǎn)物通常為Fe2+而不是Fe3+？這個(gè)問題涉及到在相同的條件下，下面兩個(gè)反應(yīng)哪個(gè)更傾向于發(fā)生的問題：

在解決問題的過程中，學(xué)生學(xué)會(huì)了應(yīng)用電極電勢(shì)、電動(dòng)勢(shì)、元素的拉蒂邁爾圖、沉淀反應(yīng)等相關(guān)知識(shí)，將電動(dòng)勢(shì)這些抽象的概念與具體的反應(yīng)熱力學(xué)及動(dòng)力學(xué)性質(zhì)相結(jié)合。此外，還可以進(jìn)一步讓學(xué)生討論Fe2+和Fe3+結(jié)合OH-生成Fe（OH）2和Fe（OH）3這2個(gè)沉淀反應(yīng)的傾向性問題以及這2個(gè)反應(yīng)對(duì)于總反應(yīng)的影響。

2.3問題3

通過化學(xué)熱力學(xué)的相關(guān)計(jì)算可以得到反應(yīng)的吉布斯自由能變和焓變等，從理論上確認(rèn)反應(yīng)的自發(fā)性以及反應(yīng)具體的熱效能等問題。對(duì)這部分問題的分析和討論可以進(jìn)一步鞏固學(xué)生對(duì)能斯特方程、熱力學(xué)函數(shù)的相關(guān)計(jì)算及相關(guān)函數(shù)自洽性的理解。

在解決這個(gè)問題以后，學(xué)生就會(huì)對(duì)自發(fā)熱貼的基本原理有一定程度的了解。他們能總結(jié)出其發(fā)熱原理為：鐵的吸氧腐蝕反應(yīng)過程中相應(yīng)放出熱量。

2.4問題4

通過指出生活中其他吸氧腐蝕沒有明顯放熱，引入此自發(fā)熱貼中的化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)相關(guān)問題。首先從反應(yīng)原理分析：請(qǐng)學(xué)生從腐蝕原理和存在介質(zhì)兩個(gè)方面分析討論自發(fā)熱貼、鐵釘和鋼板吸氧腐蝕的差異。最后總結(jié)出自發(fā)熱貼的腐蝕為在電解質(zhì)（NaCl）條件下的電化學(xué)腐蝕。其次，從影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素（如反應(yīng)物的顆粒大小、體系溫度、活性炭的吸水作用等），組織學(xué)生分析討論。最后得出，因?yàn)楦哌€原性鐵粉、活性炭的吸水作用以及溫度效益等動(dòng)力學(xué)方面的影響使反應(yīng)速率大大提高。體系中存在很多小的短路電池同時(shí)反應(yīng)，將氧化還原反應(yīng)的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能釋放出來。

2.5問題5

引導(dǎo)學(xué)生通過日常經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出評(píng)價(jià)自發(fā)熱貼優(yōu)劣的主要指標(biāo)，即發(fā)熱溫度、溫度的穩(wěn)定性以及持續(xù)發(fā)熱時(shí)間等。通過成分分析和查閱相關(guān)資料，學(xué)生能夠得到蛭石在其中起到了保溫作用，含有高密度小孔的無紡布包裝能夠控制單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入的空氣體積，從反應(yīng)物濃度對(duì)反應(yīng)速率的影響上對(duì)反應(yīng)進(jìn)行控制。通過討論和分析，最終可得出決定自發(fā)熱貼產(chǎn)品質(zhì)量的主要因素是鐵粉和無紡布的質(zhì)量。

2.6問題6

理論與實(shí)踐相結(jié)合，讓學(xué)生通過對(duì)組成物理化學(xué)性質(zhì)的分析，設(shè)計(jì)出適當(dāng)?shù)姆椒▽?duì)反應(yīng)物進(jìn)行分離和測(cè)定等操作。其中涉及到了化學(xué)實(shí)驗(yàn)的相關(guān)知識(shí)，如物理分離和化學(xué)分離方法、組成鑒定等。

師生通過對(duì)以上6個(gè)主要問題的分析討論能夠?qū)ψ园l(fā)熱貼中所暗含的基本化學(xué)原理有一個(gè)基本認(rèn)識(shí)，而對(duì)這個(gè)日常生活中實(shí)例的分析也提高了學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣，培養(yǎng)其探索精神。教學(xué)過程中兩種方法的應(yīng)用配合可根據(jù)授課對(duì)象以及課時(shí)等因素進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。如在學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性比較高、知識(shí)掌握程度較好以及課時(shí)充足的情況下，可更多地讓學(xué)生通過小組討論的方式分析解決相關(guān)問題，以問題式教學(xué)方式為主。但如果學(xué)時(shí)不足、學(xué)生背景知識(shí)有限時(shí)，則適當(dāng)?shù)丶訌?qiáng)教師的指導(dǎo)作用，通過有限的時(shí)間讓學(xué)生更好地了解如何利用所學(xué)知識(shí)綜合應(yīng)用解決問題，其后輔以相應(yīng)的練習(xí)來加強(qiáng)對(duì)問題的認(rèn)識(shí)，此時(shí)更宜加強(qiáng)案例式教學(xué)方法的使用。其次，根據(jù)問題的難易程度也可交叉采用問題式教學(xué)和案例式教學(xué)方法，積極調(diào)整學(xué)生的實(shí)際參與度。作為知識(shí)的拓展，我們還向?qū)W生介紹了其他市面上可見的自發(fā)熱產(chǎn)品，如白金懷爐、自發(fā)熱米飯、自熱取暖片等。這樣不僅可以激發(fā)學(xué)生進(jìn)一步探索的興趣，同時(shí)也給了學(xué)生一個(gè)應(yīng)用知識(shí)的機(jī)會(huì)，加強(qiáng)了教學(xué)的實(shí)際效果。

以上我們以“自發(fā)熱貼發(fā)熱原理”的教學(xué)專題為例，介紹了在教學(xué)過程中我們?nèi)绾尉C合實(shí)施應(yīng)用問題式教學(xué)和案例教學(xué)。而針對(duì)氧化還原反應(yīng)以及化學(xué)基本原理這部分知識(shí)，我們還選擇了“燙發(fā)水化學(xué)解密”以及“合成氨反應(yīng)中的化學(xué)”等相關(guān)教學(xué)研討專題，組織學(xué)生進(jìn)行相應(yīng)的問題討論和探究學(xué)習(xí)，同樣取得了比較好的效果。

3　總結(jié)與展望

問題式教學(xué)和案例教學(xué)是我們?nèi)粘＝虒W(xué)活動(dòng)的有益補(bǔ)充，兩種教學(xué)方法各有利弊，在具體實(shí)踐過程中如果能根據(jù)教學(xué)對(duì)象特點(diǎn)和教學(xué)目的將兩者結(jié)合，就能在實(shí)際教學(xué)過程中取得很好的效果。當(dāng)然這也要求教師在選題、問題設(shè)置、組織教學(xué)和方法轉(zhuǎn)化應(yīng)用等方面做充分的準(zhǔn)備工作。根據(jù)教學(xué)實(shí)踐，我們發(fā)現(xiàn)將這兩種教學(xué)方法有機(jī)結(jié)合應(yīng)用于高校的化學(xué)基礎(chǔ)教學(xué)中，能夠較好地實(shí)現(xiàn)從以教為中心向以學(xué)為中心、從重媒體應(yīng)用向重教學(xué)設(shè)計(jì)、從重知識(shí)傳授向重能力培養(yǎng)的3大教學(xué)模式轉(zhuǎn)變。而學(xué)生的3大主要能力，即自學(xué)能力、分析和解決問題能力以及知識(shí)的綜合應(yīng)用能力，也得到了提高。

［1］蔣衛(wèi)華，李忠玉.化學(xué)教育，2015，36（4），26.

［2］李珺，夏穎.化學(xué)教育，2014，35（10），44.

［3］陽明福，王云霞.大學(xué)化學(xué)，2003，18（2），25.

［4］吳晗清，鄭冬梅，李遠(yuǎn)蓉.化學(xué)教育，2011，32（3），15.

［5］陸家政，陳菲，蔣京，曾憲棟，劉云軍，管小艷，姚秀瓊.大學(xué)化學(xué)，2011，26（6），16.

The Comprehensive Application of Problem-Based Learning and Case Learning in General Chemistry Teaching：Chemical Principles in Warmer Pad

HU Kai*CAI PingCHENG Gong-Zhen
（College of Chemistry and Molecular Science，Wuhan University，Wuhan 430072，P.R.China）

In this article，the topic of"chemical principles in warmer pad"is used as an example to illustrate how problem-based learning（PBL）and case learning（CL）are used in the teaching of general chemistry.We take the advantages of PBL to arouse the studying interests of students in the casing learning atmosphere.Moreover，the teacher leads the discussion.By using these two teaching methods properly，students′active learning ability，the skills of analyzing and solving problems，as well as the comprehensive practical ability can be improved.

Problem-based learning；Case learning；General chemistry；Teaching case

O6；G64

10.3866/PKU.DXHX201509013

，Email:kaihu@whu.edu.cn