案例法在物理化学教学中的应用*

2012-09-25李学峰赵艳茹

大学化学 2012年5期

李学峰赵艳茹

(许昌学院化学化工学院河南许昌 461000)

物理化学是重要的化学化工专业基础课，其基本原理和相关知识可在诸多领域得到应用，如化工(热力学和动力学)、材料(表面与胶体化学)、药物(热力学)、冶金、电池(热力学、电化学)、电镀(电化学)等[1]。然而，由于物理化学理论性较强，常涉及较多的数学推导、复杂的概念及习题，因此，学生对物理化学学习往往感到吃力，甚至很多学生在学习本课程之前就由于听说难学而产生恐惧心理。很多从事该课程教学的教师都在试图改变这一局面，并进行了大量的探讨。但是，这些探讨主要是集中于提高兴趣性的层面上[2]。

案例教学法是在教师的引导下，再现案例实景，把学生带入特定事件的现场，通过深入角色提高学生实际运用知识能力的一种教学方法[3]。目前，许多高校和培训机构都采用该教学方法或其核心理念，但专业多为法学、医学、经济学、商学等。该方法在化学化工课程中也有较少应用，如张海涛等讨论了化工过程分析与开发课程中案例素材的来源和实例[4]，秦川等系统分析了有机化学教学中案例引入的作用和注意事项，研究结果表明该方法对促进学生更快、更深理解和掌握基本知识有明显成效[5]。

我院在化学、应用化学两个专业开设了物理化学课程，并在2004年以来实施案例教学法改革，取得初步成效，下面对实施情况和实践经验进行介绍。

1 案例设计

1.1 案例分类

本案例以南京大学编《物理化学》(第5版)和天津大学编《物理化学》(第4版)为基础，包含以下几方面内容。

(1) 概念。如热力学部分的第一定律、焓、功、熵、吉布斯自由能等。这部分案例主要是以适当的方式引入基本和重要的概念，进而把每一章节内容串起来，达到让学生理解和掌握课本内容的目的。

(2) 公式。如热力学第一定律公式、热力学基本方程、麦克斯韦关系式、克-克方程、能斯特方程、开尔文公式等。这部分案例主要从公式的来历和背景讲起，结合推导的逻辑性，可使学生理解和掌握公式，并学会实际应用和解题。

(3) 科学家轶闻。如物理化学三剑客、双面哈伯、固执的玻尔兹曼、无私的开尔文等。这部分案例是补充科学发现的背景和科学家的传奇经历，再现大师的科学发现过程，使学生产生对科学追求的渴望，培养他们对学习和研究的兴趣。

1.2 知识点梳理

在大多数情况下，一个案例所涉及和揭示的往往不仅仅是一个知识点，而可能是多个。比如，合成氨的案例至少涉及了化学平衡、吉布斯自由能两个知识点；原电池的案例至少涉及了极性(阴阳、正负)的分类与定义、导体类别、能斯特方程等知识点。因此，有必要将相近的知识点梳理整合，归结为一个案例。当然，也允许多个案例涉及的知识点相近的情况。

1.3 案例素材的选择

对于案例教学来说，素材是最关键的部分。案例不能过于复杂和难懂，否则难以适应教学的要求。因此，选取合适的典型案例是案例教学设计的重要环节。

选取案例素材主要有如下来源：一是《化工大百科全书》，主要涉及化学化工理论发展过程以及进展；二是化工类教材，尤其是化学工艺，与工农业生产相关的热力学、动力学、胶体化学、电化学等方面的应用实例，如合成氨的热力学分析和应用、炼铁高炉尾气中CO的难以彻底去除、农民锄地的目的是保墒等；三是调研本学院教师的科研方向，结合对当前或近期学术期刊涉及的相关内容的挖掘，从中提炼出物理化学知识点的最新应用案例，如超临界流体的高渗透和溶解性能、纳米粉体的团聚性等。

1.4 案例设计的原则

实施案例教学的目的在于使学生易于掌握物理化学中的知识难点，因此就要从提高学生兴趣开始。所设计的案例事件不但要有代表性，还要有故事性和趣味性。

例如，我们在热力学部分选定的案例有永动机事件、合成氨事件、熵增原理事件等。永动机事件涉及和涵盖的知识点有能量、功、能量转换与守恒等；合成氨事件涉及焓、吉布斯自由能、反应的热力学可行性(吉布斯自由能判据)等知识点；熵增原理事件则涉及熵的含义、自然和社会现象的有序与无序性、熵增原理的适用条件等知识点。

显然，这些案例事件涵盖知识点多、代表性强，且多个案例事件串联，可形成有机整体，互相联系，将热力学部分的整个体系轻松地寓于多个故事性、趣味性较强的案例当中，能提高学生的学习兴趣和降低其理解难度。

2 案例制作

我们的案例采用模块化设计。表1和表2给出了合成氨和工业味精(表面活性剂)两个案例模块。案例模块中包含4个环节:① 案例事件,② 事件要点,③ 知识点提炼,④ 延伸与应用。每一个案例包括一定知识点;每章内容可以通过若干个案例模块有机地串联起来。这样，学生只需记住几个案例名称，就可以逐步完整地掌握本章内容。显然，这种教学方法深入浅出，能使学生轻松学会并掌握相关知识点。

表1 合成氨案例模块结构组成

表2 工业味精案例模块结构组成

3 案例法实施

国外教育界有句名言：告诉我，我会忘记；演示给我，我会理解；让我参与，我会学会[6]。根据学生的认知水平和规律，我们采取了“告诉”→“演示”→“参与”的模拟步骤，循序渐进，使学生易于理解和掌握知识点。当然，其中的“参与”步骤更多的是通过课堂模拟讲述或结合实验课程来实现。

第一步，案例事件的讲述和演示。可以通过口述或多媒体演示，将案例事件较为生动地展现给学生。案例事件要故事性强(最好是真实的历史事实、现实事件或自然界众所周知的现象)，主题鲜明(案例事件名称与要引申的知识主题严格对应)，要点突出(由案例事件引出主题，再分散引出若干知识要点，是案例模块的重要功能)，不能太散(不要单纯为了所谓“讲故事”东拉西扯，过多地涉及由案例引起、但又与知识点关系不大的逸闻趣事，以免淡化重点和主题)。

第二步，案例分析。根据上述案例事件的讲述(第一步)，对案例事件的要点进行归纳，采用设问或反向引导的方法，由老师或学生提出要点涉及的知识点，完成案例事件→要点→知识点的自然衔接。然后，对这些知识点所延伸的知识和实例作不同程度的阐述，以使案例的应用更加深入、生动、系统。最后，在此基础上，可总结该案例教学的理解思路和记忆思路，即案例事件↔要点↔知识点↔延伸和实例(这里的双箭头表明该路线可以正反进行，即由某个案例事件可以自然引出这些知识点及其延伸应用，也可由知识点想到该案例)，这样的结果有助于学生理解并记忆知识点。

第三步，每章的案例模块化串讲。上述的每个案例将会有效帮助学生理解和记忆知识点。然而，每个案例不可能涵盖太多的要点和知识点。因此，我们将每章的知识点归纳总结为基本能覆盖该章主要知识点的若干个案例。例如，通过3个案例的教学，即永动机案例(说明能量守恒、热力学第一定律)、熵增原理案例(说明熵的概念、引出以及使用范围)和合成氨案例(说明吉布斯自由能的概念、用途)，可以让学生轻松掌握热力学部分的重要知识点。在教学完成后，学生自己即可由这些案例自然掌握相关的热力学第一定律、熵、吉布斯自由能等基本知识点；并能从这些知识点自然联想到相关案例，从而促进案例与知识点的相互引导、相互记忆。这样，通过系列案例模块教学，就可以把每章的知识点串联起来，相互独立又相互衔接，有助于教师教学和学生掌握知识。目前，本课题组正在着手案例库的建设，旨在完善物理化学课程的案例模块，为本校的教学工作提供基本资料，并为同仁提供有益的借鉴。