案例教學模式在工科化學教學的運用

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摘要:結合“工科化學”課程的特點和存在的問題，從體現專業特色、與生活實踐緊密結合、緊跟學科前沿和與探索性實驗結合等4個方面探索在理論教學中引入應用案例教學模式，激發學生學習積極性和主動性，提升“工科化學”的課堂教學效果。

關鍵詞:工科化學;;理論教學;案例教學模式

“工科化學”課程是北京交通大學物理、土木、機械等非化學專業開設的一門重要基礎課。重點講解物質的聚集狀態、化學與能源以及水環境中的化學反應等基礎理論知識，輔以新能源開發、金屬的腐蝕與防腐等拓展應用知識。旨在讓學生初步了解化學的基礎理論及其應用，能夠運用化學的理論、觀點、方法審視環境、能源、健康等社會熱點問題，分析、認識和解決工程實踐中的化學問題。同時“工科化學”也是培養“厚基礎，寬專業”工程技術人才的整體知識結構及能力結構的重要組成部分［1－2］。然而“工科化學”課程面臨學時少、內容多、實驗學時更少的境遇。如何使學生在有限的時間內對該課程清晰理解和熟練掌握？如何解決化學實驗課時少帶來的系列問題？這對授課教師來說一直是個重要的挑戰，需要教師去尋求更為有效的教學模式與教學策略。

1案例教學模式

1．1案例教學模式的優勢

案例教學模式是一種以實踐案例為基礎，在教師指導下，通過引導學生獨立思考，達到教學目的一種教學方法。案例教學模式最大優點是：（1）鼓勵學生獨立思考。從知識傳授轉向能力培養，將抽象的理論與生動的教學案例結合，鼓勵學生獨立思考、創造，將枯燥乏味的課堂變得生動活潑。通過課堂交流，既可取長補短，促進人際交流，又可激發人的斗志。（2）引導學生注重能力培養。傳統教學往往重視書本知識的學習而忽視實際能力的培養，案例教學可通過一些應用性案例，提出問題，引導學生運用所學知識綜合分析，帶著問題去思考和查閱文獻。這既增強了對理論知識的理解，又培養了學生的能力。（3）重視相互交流。傳統的教學方法是教師講、學生聽。在案例教學中，學生要對實際案例進行分析，學習必要的理論知識，在教師引導下，自主討論、交流提出解決問題的方案，充分發揮學生學習的積極性和主動性，同時增強教師與學生，學生與學生之間的交流能力［3－6］。

1．2案例教學模式的結構和教學過程

案例教學模式下的教學過程一般涉及以下環節：（1）教學案例精選。案例的選擇既能體現教學重點、難點，又要聯系實際，難度適中，具有一定的啟發性，能夠引發所有學生的思考和求知欲望；另外案例的選擇要貼近生活實際，讓學生感同身受，提高學生的聽課熱情，提高課堂效率；同時針對學生的專業，結合教學內容，充分展現化學知識在非化學專業方向的科研動態，激發學生對化學領域的興趣。（2）教學案例實施環節。教學案例的實施分為準備階段和實施階段。在準備階段，教師根據研討內容可以提前布置，也可以隨堂安排。對于比較有深度的討論內容，學生需提前分組、收集資料、討論和總結。在實施階段，以學生為主體，教師發揮引導作用，引導學生運用學過的知識對提出的問題進行綜合分析，激發學生的創新欲望，讓學生積極主動求知、探索和創新。在教學討論過程中，教師要積極營造一種既生動又平和的氣氛，認真傾聽學生發言的同時，對學生提出的正確觀點加以肯定，對錯誤或不足的地方，加以引導、點撥，提出自己的看法或補充意見。（3）總結環節。教師首先對課堂討論、交流情況進行總體點評，歸納優點，指出不足，對積極參與討論、分析問題透徹或者有獨到見解的學生或小組提出表揚。其次教師要緊扣教學內容進一步強化知識點，梳理思路，高屋建瓴地將基本理論與實踐結合，談談自己的見解，啟發學生多角度地思考，進一步提高學生分析和解決問題能力。

2“工科化學”教學中的案例教學設計

“工科化學”是一門理論與實踐結合非常緊密的學科，可以用來作為案例研究的應用性題目很多，例如新能源的開發，工業廢水的處理，鍋爐污垢的消除等。鑒于此，在“工科化學”理論教學中適當穿插能突出課程教學效果的優秀實踐性案例，使學生充分認識化學科學的重要性，理解化學知識與自己專業的密切關系，從而激發學習興趣，培養學生創新能力。從學科專業、生活實踐、學科前沿以及綜合實驗能力提升4個方面進行了案例教學模式的探索。

2．1體現專業特色的案例教學

“工科化學”的授課對象主要是非化學專業大一新生，這類學生往往認識不到基礎課程的重要性，對各學科之間的交叉作用更是了解甚少。針對不同專業的學生設計與其專業密切相關的應用性教學案例，提出關鍵問題，引導學生運用學過的化學知識綜合分析，有效地將“工科化學”知識融入到專業課學習以及未來的工作中，調動學生學習的積極性［7］。化學反應熱是化學與能源這一章的重點內容，結合學生專業找生產中的實例進行講解化學反應熱。例如針對土木專業學生，可以深入分析水泥水化熱。教師提前向學生布置調研不同標號水泥，了解主要組成及水化機理。以普通硅酸鹽水泥為例，其礦物主要組成為硅酸三鈣C3S（3CaO•SiO2）、硅酸二鈣C2S（2CaO•SiO2）、鋁酸三鈣C3A（3CaO•Al2O3）和鐵鋁酸四鈣C4AF（4CaO•Al2O3•Fe2O3）。在認知組成的基礎上，引導學生寫出相應水化反應方程式，與學生共同分析不同組分的水化反應速度以及反應熱。通過這一系列分析，學生不但清楚了決定普通硅酸鹽水泥強度的因素，也知道了水泥水化后的主要產物為水化硅酸鹽和氫氧化鈣。接著教師引導學生進一步思考“硅酸鹽水泥石若長期浸泡在雨水或雪水中會引起水泥的強度和耐久性下降嗎，會發生什么化學反應？硅酸鹽水泥的橋墩在海水中會被侵蝕嗎？由于這些具體問題與學生專業領域緊密相關，又用上了剛剛學到的化學知識，引起了學生積極思考和熱烈討論，激發了學生學習的積極性。

2．2與生活實踐緊密結合的案例教學

在注重課堂內容與專業生產實踐緊密結合的同時，設置與生活緊密相關的應用性案例來提高學生學習興趣［8］。例如在講授溶液依數性前，先啟發學生思考，北方冬天下雪后，路面上為什么要撒鹽？冬天汽車水箱里面加防凍劑之后為什么就防凍了？讓學生帶著案例和問題上課，并隨著教學內容的展開，學生討論，找出問題答案，交流彼此看法。在這教學過程中，學生主動求知和探索的欲望得到了激發，課堂教學效果得到明顯改善。同時還選擇一些能夠將所學理論知識與解決實際問題聯系起來的應用性案例作為習題，來提高學生應用理論知識的能力。例如講凝固點降低時，可以布置如下題目：四氫呋喃（45元／kg），丙三醇（30元／kg），乙二醇（42元／kg），甲醇（7．2元／kg）都可以用作汽車循環水防凍劑，要在－1℃下不結冰，參考它們的價格，從經濟效益角度排列選用順序。類似這些題型，由于與生產生活息息相關，在應用和鞏固理論知識的同時，也提高了學生學習課程的興趣和主動性。

2．3緊跟學科前沿的案例教學

緊跟學科前沿設置一些應用性教學案例，也是牢牢吸引學生，提升教學效果的另一法寶。全球矚目的能源與環境問題已成為傳統汽車可持續發展的重要瓶頸，發展純電動汽車是當今的熱點問題之一。電動汽車產業群中涉及哪些專業？電動汽車發展的瓶頸是什么？這種熱點問題學生通過各種媒體可能都有所了解，很容易引起學生的積極參與。在討論中，學生各抒己見，通過師生互動以及生生互動，學生認清了在電動汽車這個龐大的產業群中涉及了很多的專業，例如汽車、機械、電氣、化學、冶金，是個多學科交叉融合的產業群。這種跨多領域的綜合產業發展也對綜合素質、基礎知識和綜合運用能力提出了更高要求，也進一步向學生闡釋了“化學是一門基礎學科，必須要學習，必須要重視”。在學習了原電池的基本原理后，教師結合電動汽車這個熱點問題，提出問題：可用于電動汽車的原電池種類都有哪些？各有什么優缺點？這些種類的原電池的組成、電極反應、原電池反應是什么？今后要想在大范圍內應用電動汽車，作為關鍵技術之一的原電池未來必須攻克哪些方面的問題？然后留給學生幾分鐘時間思考討論，或在課堂講授之前提前安排學生查閱一些文獻。在討論中，有的學生提出采用多電子得失的電極材料來提高原電池容量，也有學生暢想快速充電的方法，也有學生對電池的回收再利用比較感興趣，總之通過師生間的這種設問、互動、解答，學生上課熱情很高，透徹理解原電池的基本原理的同時，還能夠學以致用，從原理上思考解決目前原電池存在的問題，無形中學生的創新能力得以提升。

2．4與探索性實驗結合的案例教學

在“工科化學”實驗學時大幅減少的背景下，多驗證性實驗，探索、設計性實驗很少甚至沒有，導致學生創新思維能力培養方面的內容不足。結合每章教學中的重點難點問題，在理論教學過程中設置相應的綜合性實驗，引導學生運用已學的知識，設計實驗方案，更好地理解和掌握相關內容。例如，在講授“沉淀－溶解平衡以及配位平衡”時，教師提前2周將設計K3［Fe（C2O4）3］的制備實驗方案的任務布置給學生，要求每位學生根據已有的化學知識設計實驗方案并自行查閱資料，就實驗方案進行充分研究，積極思考每一步反應原理和操作過程。在課堂討論前1周收齊學生設計方案，教師評閱。從教學中收集的學生實驗方案來看，大多數學生確實查閱了不少資料，設計的實驗方案合理可行，而且實驗方案也是多種多樣的。大多數學生的實驗方案中，選擇以硫酸亞鐵銨為原料，與草酸在酸性溶液中先制得草酸亞鐵沉淀，然后再用草酸亞鐵在草酸鉀和草酸的存在下，以過氧化氫為氧化劑，得到鐵（Ⅲ）草酸配合物，實驗流程如下。（NH4）2Fe（SO4）2H2C2O→4結晶K2C2O→4FeC2O4•2H2OH2O2→40℃Fe2（C2O4）3•5H2OH2C2O4→乙醇K3［Fe（C2O4）3］有些學生提出了其他的合成路線，例如以三價鐵為原料制備K3［Fe（C2O4）3］。FeCl3結晶K2C2O→4FeC2O4•2H2OH2C2O4→乙醇→洗滌K3［Fe（C2O4）3］當然也有些學生的實驗方案中存在著明顯錯誤和問題，教師通過審閱及時指導學生更正。最后教師篩選幾個有代表性的實驗方案安排學生課堂發言。將學生根據自己設計實驗方案的類型劃分為不同的小組，并指定小組長負責組織和協調。教師通過互聯網的即時通訊手段（如微信群等）參與各個小組的討論。對于課堂發言的PPT，一般都經過幾個回合的師生互動，教師提出建議，學生小組成員間討論，進一步完善。在微信互動過程中，每個學生的觀點得到了積極表達和闡述，同時也學會了傾聽、交流和溝通。在課堂發言環節中，教師圍繞設計的實驗方案，結合所學的基本理論知識，通過提問的方式引導學生仔細思考每一步操作的原理。比如，在FeC2O4•2H2O結晶過程中為什么引入K2C2O4溶液？H2O2氧化FeC2O4•2H2O的過程中為什么要在40℃，更高溫度可以嗎？加入草酸溶液，草酸鐵沉淀溶解，為什么再加入95％的乙醇，又有晶體析出？經過上述問題的討論，學生既鞏固了已學化學知識，又對實驗有了更深入的理解。因為實驗方案的不唯一性，不同組學生提出了不同的合成路線，例如以三氯化鐵為原料相比以硫酸亞鐵銨為原料制備K3［Fe（C2O4）3］，合成路線簡化了很多，教師給予必要的點評，在肯定學生運用所學知識解決實際問題的能力和創新精神的同時，啟發學生進一步思考以三氯化鐵為原料有什么不足的地方。在總結環節中，教師需將化學原理與實驗案例相結合，總結點評每一條合成路線的特點和優劣，談談自己的見解，啟發學生多角度地思考問題，同時要求每組學生撰寫實驗設計報告，總結實驗方案設計的不足以及改進措施。在整個案例教學過程中，由于之前每個學生都對實驗方案進行了充分調研和思考，整體參與的積極性比較高，滿意度較好。

3案例教學模式的應用效果

案例教學模式在我校工科化學教學中已經實施了3年，學生學習課程的積極性都很高，課堂氣氛活躍，期末成績及格率為100％，優秀率也達到了35％以上。案例教學模式的實施結果表明，在基礎理論知識講授中穿插一些相關的應用性案例是一種非常有效的教學方式。教學過程中的分析、討論以及總結等教學環節，不但有助于學生更好地理解和掌握相關理論內容，也增強了學生的自學能力，激發了學生積極思考、主動參與、深入探索的欲望，有助于學生綜合能力的培養。另外，案例教學也拉近了理論教學與生產、生活實踐的距離，真正做到了學以致用。但由于案例在課堂討論過程中需要花費較多時間，在大班教學過程中，教師很難關注到每一個學生的反應，因此，需要進一步思考充分利用現代網絡技術（如微信群、QQ群等）的優勢隨時加強與學生的互動討論、答疑解惑，對學生掌握和理解知識的狀況有充分的了解，便于課堂上針對性地解決學生共性的問題；同時，為進一步提高課堂教學效率，增加課堂教學容量，節約教學時間，在課堂教學中積極引進多媒體教學方式［9］也是必要的。

作者:康曉紅 程志明 李智 劉博 段武彪 單位:北京交通大學理學院化學系

參考文獻

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［8］蔡蘋，胡鍇，程功臻．大學化學，2014，29（3）：25－27

［9］薛斌，熊振海，周冬香．化學教育，2014，35（12）：52－56