案例法在物理化學教學中的應用*

李學峰 趙艷茹

(許昌學院化學化工學院 河南許昌 461000)

物理化學是重要的化學化工專業基礎課，其基本原理和相關知識可在諸多領域得到應用，如化工(熱力學和動力學)、材料(表面與膠體化學)、藥物(熱力學)、冶金、電池(熱力學、電化學)、電鍍(電化學)等[1]。然而，由于物理化學理論性較強，常涉及較多的數學推導、復雜的概念及習題，因此，學生對物理化學學習往往感到吃力，甚至很多學生在學習本課程之前就由于聽說難學而產生恐懼心理。很多從事該課程教學的教師都在試圖改變這一局面，并進行了大量的探討。但是，這些探討主要是集中于提高興趣性的層面上[2]。

案例教學法是在教師的引導下，再現案例實景，把學生帶入特定事件的現場，通過深入角色提高學生實際運用知識能力的一種教學方法[3]。目前，許多高校和培訓機構都采用該教學方法或其核心理念，但專業多為法學、醫學、經濟學、商學等。該方法在化學化工課程中也有較少應用，如張海濤等討論了化工過程分析與開發課程中案例素材的來源和實例[4]，秦川等系統分析了有機化學教學中案例引入的作用和注意事項，研究結果表明該方法對促進學生更快、更深理解和掌握基本知識有明顯成效[5]。

我院在化學、應用化學兩個專業開設了物理化學課程，并在2004年以來實施案例教學法改革，取得初步成效，下面對實施情況和實踐經驗進行介紹。

1 案例設計

1.1 案例分類

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

(1) 概念。如熱力學部分的第一定律、焓、功、熵、吉布斯自由能等。這部分案例主要是以適當的方式引入基本和重要的概念，進而把每一章節內容串起來，達到讓學生理解和掌握課本內容的目的。

(2) 公式。如熱力學第一定律公式、熱力學基本方程、麥克斯韋關系式、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歷和背景講起，結合推導的邏輯性，可使學生理解和掌握公式，并學會實際應用和解題。

(3) 科學家軼聞。如物理化學三劍客、雙面哈伯、固執的玻爾茲曼、無私的開爾文等。這部分案例是補充科學發現的背景和科學家的傳奇經歷，再現大師的科學發現過程，使學生產生對科學追求的渴望，培養他們對學習和研究的興趣。

1.2 知識點梳理

在大多數情況下，一個案例所涉及和揭示的往往不僅僅是一個知識點，而可能是多個。比如，合成氨的案例至少涉及了化學平衡、吉布斯自由能兩個知識點；原電池的案例至少涉及了極性(陰陽、正負)的分類與定義、導體類別、能斯特方程等知識點。因此，有必要將相近的知識點梳理整合，歸結為一個案例。當然，也允許多個案例涉及的知識點相近的情況。

1.3 案例素材的選擇

對于案例教學來說，素材是最關鍵的部分。案例不能過于復雜和難懂，否則難以適應教學的要求。因此，選取合適的典型案例是案例教學設計的重要環節。

選取案例素材主要有如下來源：一是《化工大百科全書》，主要涉及化學化工理論發展過程以及進展；二是化工類教材，尤其是化學工藝，與工農業生產相關的熱力學、動力學、膠體化學、電化學等方面的應用實例，如合成氨的熱力學分析和應用、煉鐵高爐尾氣中CO的難以徹底去除、農民鋤地的目的是保墑等；三是調研本學院教師的科研方向，結合對當前或近期學術期刊涉及的相關內容的挖掘，從中提煉出物理化學知識點的最新應用案例，如超臨界流體的高滲透和溶解性能、納米粉體的團聚性等。

1.4 案例設計的原則

實施案例教學的目的在于使學生易于掌握物理化學中的知識難點，因此就要從提高學生興趣開始。所設計的案例事件不但要有代表性，還要有故事性和趣味性。

例如，我們在熱力學部分選定的案例有永動機事件、合成氨事件、熵增原理事件等。永動機事件涉及和涵蓋的知識點有能量、功、能量轉換與守恒等；合成氨事件涉及焓、吉布斯自由能、反應的熱力學可行性(吉布斯自由能判據)等知識點；熵增原理事件則涉及熵的含義、自然和社會現象的有序與無序性、熵增原理的適用條件等知識點。

顯然，這些案例事件涵蓋知識點多、代表性強，且多個案例事件串聯，可形成有機整體，互相聯系，將熱力學部分的整個體系輕松地寓于多個故事性、趣味性較強的案例當中，能提高學生的學習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計。表1和表2給出了合成氨和工業味精(表面活性劑)兩個案例模塊。案例模塊中包含4個環節:① 案例事件,② 事件要點,③ 知識點提煉,④ 延伸與應用。每一個案例包括一定知識點;每章內容可以通過若干個案例模塊有機地串聯起來。這樣，學生只需記住幾個案例名稱，就可以逐步完整地掌握本章內容。顯然，這種教學方法深入淺出，能使學生輕松學會并掌握相關知識點。

表1 合成氨案例模塊結構組成

表2 工業味精案例模塊結構組成

3 案例法實施

國外教育界有句名言：告訴我，我會忘記；演示給我，我會理解；讓我參與，我會學會[6]。根據學生的認知水平和規律，我們采取了“告訴”→“演示”→“參與”的模擬步驟，循序漸進，使學生易于理解和掌握知識點。當然，其中的“參與”步驟更多的是通過課堂模擬講述或結合實驗課程來實現。

第一步，案例事件的講述和演示。可以通過口述或多媒體演示，將案例事件較為生動地展現給學生。案例事件要故事性強(最好是真實的歷史事實、現實事件或自然界眾所周知的現象)，主題鮮明(案例事件名稱與要引申的知識主題嚴格對應)，要點突出(由案例事件引出主題，再分散引出若干知識要點，是案例模塊的重要功能)，不能太散(不要單純為了所謂“講故事”東拉西扯，過多地涉及由案例引起、但又與知識點關系不大的逸聞趣事，以免淡化重點和主題)。

第二步，案例分析。根據上述案例事件的講述(第一步)，對案例事件的要點進行歸納，采用設問或反向引導的方法，由老師或學生提出要點涉及的知識點，完成案例事件→要點→知識點的自然銜接。然后，對這些知識點所延伸的知識和實例作不同程度的闡述，以使案例的應用更加深入、生動、系統。最后，在此基礎上，可總結該案例教學的理解思路和記憶思路，即案例事件?要點?知識點?延伸和實例(這里的雙箭頭表明該路線可以正反進行，即由某個案例事件可以自然引出這些知識點及其延伸應用，也可由知識點想到該案例)，這樣的結果有助于學生理解并記憶知識點。

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

4 案例法教學效果的評價

我們對2002～2007級化學和應用化學兩個專業本科生的物理化學課實施了案例法教學嘗試。分別從兩個學期的物理化學期末考試成績和考取研究生錄取率以及物化成績等幾個方面考察。

對于2002和2003級，第一學期的物理化學平均成績為67.5和68分，而經過案例法教學改革后，2004～2006級，平均成績則提高到73～77分，第二學期具有相同的趨勢。說明案例法提高了教學效果。

再有，從2002到2006級的考研錄取率從55%升高到78%～88%，其中物理化學的平均成績則從71分提高到81分，這固然與學生的刻苦學習有關，但顯然也與物理化學教學實施案例法改革有一定聯系。

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

[2] 張志斌.大學化學，2006，21(5):13

[3] 耿珺.化學教育，2001(4):10

[4] 張海濤，樂清華，袁向前，等.化工高等教育，2008(4):52

[5] 秦川，榮國斌.化工高等教育，2006(2):84

[6] 張桂玲，王曉青，李蕾，等.大學化學，2004，19(2):17