案例教学模式在工科化学教学的运用

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摘要:结合“工科化学”课程的特点和存在的问题，从体现专业特色、与生活实践紧密结合、紧跟学科前沿和与探索性实验结合等4个方面探索在理论教学中引入应用案例教学模式，激发学生学习积极性和主动性，提升“工科化学”的课堂教学效果。

关键词:工科化学;;理论教学;案例教学模式

“工科化学”课程是北京交通大学物理、土木、机械等非化学专业开设的一门重要基础课。重点讲解物质的聚集状态、化学与能源以及水环境中的化学反应等基础理论知识，辅以新能源开发、金属的腐蚀与防腐等拓展应用知识。旨在让学生初步了解化学的基础理论及其应用，能够运用化学的理论、观点、方法审视环境、能源、健康等社会热点问题，分析、认识和解决工程实践中的化学问题。同时“工科化学”也是培养“厚基础，宽专业”工程技术人才的整体知识结构及能力结构的重要组成部分［1－2］。然而“工科化学”课程面临学时少、内容多、实验学时更少的境遇。如何使学生在有限的时间内对该课程清晰理解和熟练掌握？如何解决化学实验课时少带来的系列问题？这对授课教师来说一直是个重要的挑战，需要教师去寻求更为有效的教学模式与教学策略。

1案例教学模式

1．1案例教学模式的优势

案例教学模式是一种以实践案例为基础，在教师指导下，通过引导学生独立思考，达到教学目的一种教学方法。案例教学模式最大优点是：（1）鼓励学生独立思考。从知识传授转向能力培养，将抽象的理论与生动的教学案例结合，鼓励学生独立思考、创造，将枯燥乏味的课堂变得生动活泼。通过课堂交流，既可取长补短，促进人际交流，又可激发人的斗志。（2）引导学生注重能力培养。传统教学往往重视书本知识的学习而忽视实际能力的培养，案例教学可通过一些应用性案例，提出问题，引导学生运用所学知识综合分析，带着问题去思考和查阅文献。这既增强了对理论知识的理解，又培养了学生的能力。（3）重视相互交流。传统的教学方法是教师讲、学生听。在案例教学中，学生要对实际案例进行分析，学习必要的理论知识，在教师引导下，自主讨论、交流提出解决问题的方案，充分发挥学生学习的积极性和主动性，同时增强教师与学生，学生与学生之间的交流能力［3－6］。

1．2案例教学模式的结构和教学过程

案例教学模式下的教学过程一般涉及以下环节：（1）教学案例精选。案例的选择既能体现教学重点、难点，又要联系实际，难度适中，具有一定的启发性，能够引发所有学生的思考和求知欲望；另外案例的选择要贴近生活实际，让学生感同身受，提高学生的听课热情，提高课堂效率；同时针对学生的专业，结合教学内容，充分展现化学知识在非化学专业方向的科研动态，激发学生对化学领域的兴趣。（2）教学案例实施环节。教学案例的实施分为准备阶段和实施阶段。在准备阶段，教师根据研讨内容可以提前布置，也可以随堂安排。对于比较有深度的讨论内容，学生需提前分组、收集资料、讨论和总结。在实施阶段，以学生为主体，教师发挥引导作用，引导学生运用学过的知识对提出的问题进行综合分析，激发学生的创新欲望，让学生积极主动求知、探索和创新。在教学讨论过程中，教师要积极营造一种既生动又平和的气氛，认真倾听学生发言的同时，对学生提出的正确观点加以肯定，对错误或不足的地方，加以引导、点拨，提出自己的看法或补充意见。（3）总结环节。教师首先对课堂讨论、交流情况进行总体点评，归纳优点，指出不足，对积极参与讨论、分析问题透彻或者有独到见解的学生或小组提出表扬。其次教师要紧扣教学内容进一步强化知识点，梳理思路，高屋建瓴地将基本理论与实践结合，谈谈自己的见解，启发学生多角度地思考，进一步提高学生分析和解决问题能力。

2“工科化学”教学中的案例教学设计

“工科化学”是一门理论与实践结合非常紧密的学科，可以用来作为案例研究的应用性题目很多，例如新能源的开发，工业废水的处理，锅炉污垢的消除等。鉴于此，在“工科化学”理论教学中适当穿插能突出课程教学效果的优秀实践性案例，使学生充分认识化学科学的重要性，理解化学知识与自己专业的密切关系，从而激发学习兴趣，培养学生创新能力。从学科专业、生活实践、学科前沿以及综合实验能力提升4个方面进行了案例教学模式的探索。

2．1体现专业特色的案例教学

“工科化学”的授课对象主要是非化学专业大一新生，这类学生往往认识不到基础课程的重要性，对各学科之间的交叉作用更是了解甚少。针对不同专业的学生设计与其专业密切相关的应用性教学案例，提出关键问题，引导学生运用学过的化学知识综合分析，有效地将“工科化学”知识融入到专业课学习以及未来的工作中，调动学生学习的积极性［7］。化学反应热是化学与能源这一章的重点内容，结合学生专业找生产中的实例进行讲解化学反应热。例如针对土木专业学生，可以深入分析水泥水化热。教师提前向学生布置调研不同标号水泥，了解主要组成及水化机理。以普通硅酸盐水泥为例，其矿物主要组成为硅酸三钙C3S（3CaO•SiO2）、硅酸二钙C2S（2CaO•SiO2）、铝酸三钙C3A（3CaO•Al2O3）和铁铝酸四钙C4AF（4CaO•Al2O3•Fe2O3）。在认知组成的基础上，引导学生写出相应水化反应方程式，与学生共同分析不同组分的水化反应速度以及反应热。通过这一系列分析，学生不但清楚了决定普通硅酸盐水泥强度的因素，也知道了水泥水化后的主要产物为水化硅酸盐和氢氧化钙。接着教师引导学生进一步思考“硅酸盐水泥石若长期浸泡在雨水或雪水中会引起水泥的强度和耐久性下降吗，会发生什么化学反应？硅酸盐水泥的桥墩在海水中会被侵蚀吗？由于这些具体问题与学生专业领域紧密相关，又用上了刚刚学到的化学知识，引起了学生积极思考和热烈讨论，激发了学生学习的积极性。

2．2与生活实践紧密结合的案例教学

在注重课堂内容与专业生产实践紧密结合的同时，设置与生活紧密相关的应用性案例来提高学生学习兴趣［8］。例如在讲授溶液依数性前，先启发学生思考，北方冬天下雪后，路面上为什么要撒盐？冬天汽车水箱里面加防冻剂之后为什么就防冻了？让学生带着案例和问题上课，并随着教学内容的展开，学生讨论，找出问题答案，交流彼此看法。在这教学过程中，学生主动求知和探索的欲望得到了激发，课堂教学效果得到明显改善。同时还选择一些能够将所学理论知识与解决实际问题联系起来的应用性案例作为习题，来提高学生应用理论知识的能力。例如讲凝固点降低时，可以布置如下题目：四氢呋喃（45元／kg），丙三醇（30元／kg），乙二醇（42元／kg），甲醇（7．2元／kg）都可以用作汽车循环水防冻剂，要在－1℃下不结冰，参考它们的价格，从经济效益角度排列选用顺序。类似这些题型，由于与生产生活息息相关，在应用和巩固理论知识的同时，也提高了学生学习课程的兴趣和主动性。

2．3紧跟学科前沿的案例教学

紧跟学科前沿设置一些应用性教学案例，也是牢牢吸引学生，提升教学效果的另一法宝。全球瞩目的能源与环境问题已成为传统汽车可持续发展的重要瓶颈，发展纯电动汽车是当今的热点问题之一。电动汽车产业群中涉及哪些专业？电动汽车发展的瓶颈是什么？这种热点问题学生通过各种媒体可能都有所了解，很容易引起学生的积极参与。在讨论中，学生各抒己见，通过师生互动以及生生互动，学生认清了在电动汽车这个庞大的产业群中涉及了很多的专业，例如汽车、机械、电气、化学、冶金，是个多学科交叉融合的产业群。这种跨多领域的综合产业发展也对综合素质、基础知识和综合运用能力提出了更高要求，也进一步向学生阐释了“化学是一门基础学科，必须要学习，必须要重视”。在学习了原电池的基本原理后，教师结合电动汽车这个热点问题，提出问题：可用于电动汽车的原电池种类都有哪些？各有什么优缺点？这些种类的原电池的组成、电极反应、原电池反应是什么？今后要想在大范围内应用电动汽车，作为关键技术之一的原电池未来必须攻克哪些方面的问题？然后留给学生几分钟时间思考讨论，或在课堂讲授之前提前安排学生查阅一些文献。在讨论中，有的学生提出采用多电子得失的电极材料来提高原电池容量，也有学生畅想快速充电的方法，也有学生对电池的回收再利用比较感兴趣，总之通过师生间的这种设问、互动、解答，学生上课热情很高，透彻理解原电池的基本原理的同时，还能够学以致用，从原理上思考解决目前原电池存在的问题，无形中学生的创新能力得以提升。

2．4与探索性实验结合的案例教学

在“工科化学”实验学时大幅减少的背景下，多验证性实验，探索、设计性实验很少甚至没有，导致学生创新思维能力培养方面的内容不足。结合每章教学中的重点难点问题，在理论教学过程中设置相应的综合性实验，引导学生运用已学的知识，设计实验方案，更好地理解和掌握相关内容。例如，在讲授“沉淀－溶解平衡以及配位平衡”时，教师提前2周将设计K3［Fe（C2O4）3］的制备实验方案的任务布置给学生，要求每位学生根据已有的化学知识设计实验方案并自行查阅资料，就实验方案进行充分研究，积极思考每一步反应原理和操作过程。在课堂讨论前1周收齐学生设计方案，教师评阅。从教学中收集的学生实验方案来看，大多数学生确实查阅了不少资料，设计的实验方案合理可行，而且实验方案也是多种多样的。大多数学生的实验方案中，选择以硫酸亚铁铵为原料，与草酸在酸性溶液中先制得草酸亚铁沉淀，然后再用草酸亚铁在草酸钾和草酸的存在下，以过氧化氢为氧化剂，得到铁（Ⅲ）草酸配合物，实验流程如下。（NH4）2Fe（SO4）2H2C2O→4结晶K2C2O→4FeC2O4•2H2OH2O2→40℃Fe2（C2O4）3•5H2OH2C2O4→乙醇K3［Fe（C2O4）3］有些学生提出了其他的合成路线，例如以三价铁为原料制备K3［Fe（C2O4）3］。FeCl3结晶K2C2O→4FeC2O4•2H2OH2C2O4→乙醇→洗涤K3［Fe（C2O4）3］当然也有些学生的实验方案中存在着明显错误和问题，教师通过审阅及时指导学生更正。最后教师筛选几个有代表性的实验方案安排学生课堂发言。将学生根据自己设计实验方案的类型划分为不同的小组，并指定小组长负责组织和协调。教师通过互联网的即时通讯手段（如微信群等）参与各个小组的讨论。对于课堂发言的PPT，一般都经过几个回合的师生互动，教师提出建议，学生小组成员间讨论，进一步完善。在微信互动过程中，每个学生的观点得到了积极表达和阐述，同时也学会了倾听、交流和沟通。在课堂发言环节中，教师围绕设计的实验方案，结合所学的基本理论知识，通过提问的方式引导学生仔细思考每一步操作的原理。比如，在FeC2O4•2H2O结晶过程中为什么引入K2C2O4溶液？H2O2氧化FeC2O4•2H2O的过程中为什么要在40℃，更高温度可以吗？加入草酸溶液，草酸铁沉淀溶解，为什么再加入95％的乙醇，又有晶体析出？经过上述问题的讨论，学生既巩固了已学化学知识，又对实验有了更深入的理解。因为实验方案的不唯一性，不同组学生提出了不同的合成路线，例如以三氯化铁为原料相比以硫酸亚铁铵为原料制备K3［Fe（C2O4）3］，合成路线简化了很多，教师给予必要的点评，在肯定学生运用所学知识解决实际问题的能力和创新精神的同时，启发学生进一步思考以三氯化铁为原料有什么不足的地方。在总结环节中，教师需将化学原理与实验案例相结合，总结点评每一条合成路线的特点和优劣，谈谈自己的见解，启发学生多角度地思考问题，同时要求每组学生撰写实验设计报告，总结实验方案设计的不足以及改进措施。在整个案例教学过程中，由于之前每个学生都对实验方案进行了充分调研和思考，整体参与的积极性比较高，满意度较好。

3案例教学模式的应用效果

案例教学模式在我校工科化学教学中已经实施了3年，学生学习课程的积极性都很高，课堂气氛活跃，期末成绩及格率为100％，优秀率也达到了35％以上。案例教学模式的实施结果表明，在基础理论知识讲授中穿插一些相关的应用性案例是一种非常有效的教学方式。教学过程中的分析、讨论以及总结等教学环节，不但有助于学生更好地理解和掌握相关理论内容，也增强了学生的自学能力，激发了学生积极思考、主动参与、深入探索的欲望，有助于学生综合能力的培养。另外，案例教学也拉近了理论教学与生产、生活实践的距离，真正做到了学以致用。但由于案例在课堂讨论过程中需要花费较多时间，在大班教学过程中，教师很难关注到每一个学生的反应，因此，需要进一步思考充分利用现代网络技术（如微信群、QQ群等）的优势随时加强与学生的互动讨论、答疑解惑，对学生掌握和理解知识的状况有充分的了解，便于课堂上针对性地解决学生共性的问题；同时，为进一步提高课堂教学效率，增加课堂教学容量，节约教学时间，在课堂教学中积极引进多媒体教学方式［9］也是必要的。

作者:康晓红 程志明 李智 刘博 段武彪 单位:北京交通大学理学院化学系

参考文献

［1］杨玉国．现代化学基础．北京：中国铁道出版社，2001

［2］陈云，吴庆生．大学化学，2013，28（6）：6－8

［3］张元兴，欧阳立明，欧伶．化工高等教育，2006（5）：92－93

［4］余红伟，魏徵，李瑜，等．化工高等教育，2012（3）：92－94

［5］周华，胡国良．教育探索，2013（5）：143－144

［6］郑淑芬．教育探索，2008（4）：56－57

［7］许秀芳．大学化学，2014，29（6）：25－28

［8］蔡苹，胡锴，程功臻．大学化学，2014，29（3）：25－27

［9］薛斌，熊振海，周冬香．化学教育，2014，35（12）：52－56