大学化学, 2016, 31(7): 20-23 doi: 10.3866/PKU.DXHX201509013

教学研究与改革

问题式教学和案例教学在普通化学教学中的综合应用——自发热贴发热原理中的基础化学

胡锴,, 蔡苹, 程功臻

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

HU Kai,, CAI Ping, CHENG Gong-Zhen

通讯作者: 胡锴, Email: kaihu@whu.edu.cn

摘要

通过“自发热贴发热原理”教学案例介绍问题式教学(PBL)和案例教学(CL)模式在普通化学教学实践中的综合应用。两种教学模式有机结合、取长补短,在案例的基础上利用提问式教学激发学生学习的积极性,在提问式教学的氛围中结合学生实际情况充分发挥案例教学中教师的引导作用。两种教学方法的综合应用能培养学生主动学习的能力、分析和解决问题的能力以及知识综合应用能力。

关键词: 问题式教学 ; 案例教学 ; 普通化学 ; 教学案例

Abstract

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.

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

PDF (529KB) 元数据 多维度评价 相关文章 导出 EndNote| Ris| Bibtex  收藏本文

本文引用格式

胡锴, 蔡苹, 程功臻. 问题式教学和案例教学在普通化学教学中的综合应用——自发热贴发热原理中的基础化学. 大学化学[J], 2016, 31(7): 20-23 doi:10.3866/PKU.DXHX201509013

HU Kai, CAI Ping, CHENG Gong-Zhen. The Comprehensive Application of Problem-Based Learning and Case Learning in General Chemistry Teaching:Chemical Principles in Warmer Pad. University Chemistry[J], 2016, 31(7): 20-23 doi:10.3866/PKU.DXHX201509013

1 前言

化学是一门综合性学科,不同原理之间有其内在的关系和逻辑,同一现象可能需要利用不同的原理进行综合分析。这就要求学生在学习过程中建立知识之间的联系,灵活地应用各种知识去分析解决实际问题。在教学实践过程中,我们发现学生所学的知识仍桎梏于课本和习题,知识不能与实际问题有效地链接,分析和解决问题能力不足,理论的综合应用能力还有待提高。此外,自我学习的积极性也不高。针对上述问题,我们在日常教学过程中引入了问题式教学(problem-based learning,PBL)和案例教学(case learning,CL)方法,通过问题的引入和讨论以及教师的适当参与和指导提高学生学习的主动性和知识理论的综合应用能力。

PBL和CL是目前高等教育课程教学中广泛接受和认可的主动式学习教学模式,在教学实践中也取得了比较好的教学效果[1-5]。PBL是一套以问题为基础,设计学习情境,让学生通过自我探索解决问题的教学方法。该方法注重从具体问题细节着手,着眼于提高学生解决具体问题的能力,在提高学生学习主动性、解决具体问题的能力以及教学质量提高等方面都取得了一定的效果。但在具体实践过程中我们发现,对于知识的初学者,当其知识架构尚未很好地建立时,复杂的问题会给他们带来很沉重的负担,加之教师在PBL中有限引导者的角色,使得这种教学方法的学习效果和效率差强人意。针对这些问题,我们在教学过程中同时引入案例教学方法。区别于PBL,CL中教师是指导者,在一定程度上统领着整个课程的进程。此外,CL除了关注具体问题的解决外,更注重提高学生运用所学理论综合解决问题的能力,教师帮助学生在自主学习的基础上进一步构建和完善知识体系。此时,教师教的不再是具体的知识理论,而是分析和解决问题的方法。因此,在日常教学实践中,我们根据实际教学对象特点,将两种方法有机结合、取长补短,以期达到更好的教学效果。

案例的选择和问题的设置是达成良好教学效果的关键。下面以普通化学教学中的实际教学案例来简要阐明我们在具体教学过程中如何综合应用问题式教学和案例教学方法。希望在总结、分享教学心得的同时,能起到一定的参考借鉴作用。

2 教学案例分析

在完成了化学热力学、动力学以及氧化还原反应基础理论教学后,我们选择了“自发热贴发热原理”为教学案例,进行了基于问题式教学和案例教学的教学专题活动。选题考虑了学生当前所学的知识背景以及知识的趣味性和拓展性。以问题式教学引入,问题贯穿整个教学讨论过程;同时以案例教学方法为基本指导,在发挥学生学习主动性的同时也充分体现教师的指导总结作用,保证教学活动高效进行。具体教学实践中,首先以目前市面上比较流行的自发热贴的自发热原理为基本问题展开教学(图1);通过提问和分析不断层层深入,引导学生思考和讨论,最终对发热贴原理形成一个比较全面的认识。教学过程中,在巩固相关理论的基础上进一步帮助学生完善知识的内在联系,完成知识重构;此外,通过师生共同对具体问题的分析提高学生分析和解决问题的能力以及综合应用知识的能力等。此教学案例实施2年以来,取得了较好的效果。不但激发了学生的学习兴趣,还让学生进一步了解到知识不是孤立的,而是存在其内在的相互联系,更重要的是通过这一教学过程让学生更清楚地理解化学及其相关的应用。

根据教学对象和教学目的,针对化学和化学相关专业学生,依次设计以下6个主要问题:

图1

图1   自发热贴实物图及构造解析图


(1)从自发热贴的化学组成入手,分析自发热贴能自发热的基本化学原理。

(2)为什么O2首先将Fe氧化为Fe2+,其后Fe2+进一步反应为Fe3+,而不是一步氧化为Fe3+

(3)试通过相关计算说明自发热贴的发热效率。

(4)同为吸氧腐蚀,为什么自发热贴中铁的氧化速率要明显地高于生活中铁钉或者钢板的氧化速率?

(5)评价自发热贴产品优劣的指标有哪些?自发热贴如何实现稳定持续的释放热量?通过以上分析总结,哪些是决定自发热贴性能的主要因素?

(6)如何通过化学方法对自发热贴进行组成分析和测定?

下面是对问题分析及相关教学的简要说明。

2.1 问题1

通过引导学生阅读包装袋上的成分说明和使用说明,学生可分析讨论得出体系中发生的基本反应为铁粉与空气中氧气的氧化还原反应:

随后对发热贴内容物反应前后的颜色进行对比分析:最初反应物为黑色,反应后黑色物质中混有棕红色物质,学生可推定反应最终产物为Fe2O3,期间相应发生了氧化还原和分解反应:

在此问题解决过程中,涉及到了氧化还原反应、原电池及铁与氧气相关反应等知识。此外,从化学组成入手的分析方法也让学生了解到,在面临问题时,如何从化学反应本质入手理论联系实际地解决问题。

2.2 问题2

在解决了第一个问题的基础上,针对反应产物提出了第二个问题。即为什么Fe被O2氧化的反应中,氧化还原反应的产物通常为Fe2+而不是Fe3+?这个问题涉及到在相同的条件下,下面两个反应哪个更倾向于发生的问题:

$2Fe~+\text{ }{{O}_{2~}}+~2{{H}_{2}}O~=2F{{e}^{2+}}+4O{{H}^{-}}$

$\text{4}Fe+3{{O}_{2~}}+~6{{H}_{2}}O~=4F{{e}^{3+}}+12O{{H}^{-}}$

此时可引导学生来计算2个反应所对应的电动势,从理论上说,电池反应对应的电动势越大,反应越容易发生。计算得反应(Ⅰ)和(Ⅱ)所对应原电池的电动势分别为0.848 V和0.442 V(φO2/OH- = 0.401 V,φFe2 +/Fe = -0.447 V,φFe3+/Fe=-0.041 V),由此可以分析得出:在相同情况下,Fe更容易被氧化为Fe2+,反应(I)发生的倾向性更大。此外由于体系中OH-的存在,也可以进一步促使反应(Ⅰ)向正反应方向进行。

在解决问题的过程中,学生学会了应用电极电势、电动势、元素的拉蒂迈尔图、沉淀反应等相关知识,将电动势这些抽象的概念与具体的反应热力学及动力学性质相结合。此外,还可以进一步让学生讨论Fe2+和Fe3+结合OH-生成Fe(OH)2和Fe(OH)3这2个沉淀反应的倾向性问题以及这2个反应对于总反应的影响。

2.3 问题3

通过化学热力学的相关计算可以得到反应的吉布斯自由能变和焓变等,从理论上确认反应的自发性以及反应具体的热效能等问题。对这部分问题的分析和讨论可以进一步巩固学生对能斯特方程、热力学函数的相关计算及相关函数自洽性的理解。

在解决这个问题以后,学生就会对自发热贴的基本原理有一定程度的了解。他们能总结出其发热原理为:铁的吸氧腐蚀反应过程中相应放出热量。

2.4 问题4

通过指出生活中其他吸氧腐蚀没有明显放热,引入此自发热贴中的化学反应动力学相关问题。首先从反应原理分析:请学生从腐蚀原理和存在介质两个方面分析讨论自发热贴、铁钉和钢板吸氧腐蚀的差异。最后总结出自发热贴的腐蚀为在电解质(NaCl)条件下的电化学腐蚀。其次,从影响化学反应速率的因素(如反应物的颗粒大小、体系温度、活性炭的吸水作用等),组织学生分析讨论。最后得出,因为高还原性铁粉、活性炭的吸水作用以及温度效益等动力学方面的影响使反应速率大大提高。体系中存在很多小的短路电池同时反应,将氧化还原反应的化学能转化为热能释放出来。

2.5 问题5

引导学生通过日常经验总结出评价自发热贴优劣的主要指标,即发热温度、温度的稳定性以及持续发热时间等。通过成分分析和查阅相关资料,学生能够得到蛭石在其中起到了保温作用,含有高密度小孔的无纺布包装能够控制单位时间内进入的空气体积,从反应物浓度对反应速率的影响上对反应进行控制。通过讨论和分析,最终可得出决定自发热贴产品质量的主要因素是铁粉和无纺布的质量。

2.6 问题6

理论与实践相结合,让学生通过对组成物理化学性质的分析,设计出适当的方法对反应物进行分离和测定等操作。其中涉及到了化学实验的相关知识,如物理分离和化学分离方法、组成鉴定等。

师生通过对以上6个主要问题的分析讨论能够对自发热贴中所暗含的基本化学原理有一个基本认识,而对这个日常生活中实例的分析也提高了学生学习化学的兴趣,培养其探索精神。教学过程中两种方法的应用配合可根据授课对象以及课时等因素进行适当调整。如在学生学习主动性比较高、知识掌握程度较好以及课时充足的情况下,可更多地让学生通过小组讨论的方式分析解决相关问题,以问题式教学方式为主。但如果学时不足、学生背景知识有限时,则适当地加强教师的指导作用,通过有限的时间让学生更好地了解如何利用所学知识综合应用解决问题,其后辅以相应的练习来加强对问题的认识,此时更宜加强案例式教学方法的使用。其次,根据问题的难易程度也可交叉采用问题式教学和案例式教学方法,积极调整学生的实际参与度。作为知识的拓展,我们还向学生介绍了其他市面上可见的自发热产品,如白金怀炉、自发热米饭、自热取暖片等。这样不仅可以激发学生进一步探索的兴趣,同时也给了学生一个应用知识的机会,加强了教学的实际效果。

以上我们以“自发热贴发热原理”的教学专题为例,介绍了在教学过程中我们如何综合实施应用问题式教学和案例教学。而针对氧化还原反应以及化学基本原理这部分知识,我们还选择了“烫发水化学解密”以及“合成氨反应中的化学”等相关教学研讨专题,组织学生进行相应的问题讨论和探究学习,同样取得了比较好的效果。

3 总结与展望

问题式教学和案例教学是我们日常教学活动的有益补充,两种教学方法各有利弊,在具体实践过程中如果能根据教学对象特点和教学目的将两者结合,就能在实际教学过程中取得很好的效果。当然这也要求教师在选题、问题设置、组织教学和方法转化应用等方面做充分的准备工作。根据教学实践,我们发现将这两种教学方法有机结合应用于高校的化学基础教学中,能够较好地实现从以教为中心向以学为中心、从重媒体应用向重教学设计、从重知识传授向重能力培养的3大教学模式转变。而学生的3大主要能力,即自学能力、分析和解决问题能力以及知识的综合应用能力,也得到了提高。

参考文献

蒋卫华; 李忠玉. 化学教育, 2015, 36 (4), 26.

[本文引用: 1]

李珺; 夏颖. 化学教育, 2014, 35 (10), 44.

阳明福; 王云霞. 大学化学, 2003, 18 (2), 25.

吴晗清; 郑冬梅; 李远蓉. 化学教育, 2011, 32 (3), 15.

陆家政; 陈菲; 蒋京; 曾宪栋; 刘云军; 管小艳; 姚秀琼. 大学化学, 2011, 26 (2), 16.

[本文引用: 1]

/