多方位教學方法探索與實踐
——西安交通大學少年大學生化學原理課程教學研究

和 玲賈欽相 段新華（西安交通大學理學院，西安710049）

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·教學研究與改革·

多方位教學方法探索與實踐
——西安交通大學少年大學生化學原理課程教學研究

和 玲*賈欽相 段新華
（西安交通大學理學院，西安710049）

摘要：針對少年班學生年齡及知識結構特點，在化學原理課程的教學中，探討了啟發(fā)式教學、對比式教學、應用實例式教學、討論式教學等多方位教學方法的研究與實踐。目的是探索一種更好地培養(yǎng)少年班學生的學習方法、自學能力、運用知識的能力和科學思維與創(chuàng)新思維能力的教學方法。最后，介紹了實踐應用效果。

關鍵詞：少年大學生；化學原理；多方位教學方法；教學實踐

西安交通大學是全國兩所招收少年大學生的學校之一。對于少年班化學教學，國內外可借鑒的先例極少。因此，針對少年班學生在知識積累、年齡結構、培養(yǎng)目標等方面的特點，以及少年班學生實行“預科－本科－碩士”貫通教育的培養(yǎng)特點和進行個性化培養(yǎng)的要求，為少年班量身定做了3個階段的化學理論基礎課程。設計了集無機化學、分析化學、物理化學和有機化學于一體的三分冊綜合性化學課程，其中第一分冊為基礎化學（在3個不同的高中完成），第二分冊為化學原理（在大學部的兩個學期完成）［1］，第三分冊為有機化學（在大學部的第三學期完成）。

化學原理的理論教學共分為3篇，合計14章，概括了四大化學中的重要原理、基本知識、基本概念和基本理論。第一篇化學反應原理，包括了熱力學基礎、化學平衡通論、水溶液中的平衡、化學動力學、電化學基礎；第二篇物質結構基礎，包括了原子結構、分子結構、配合物結構。第三篇分析化學基礎，包括了定量分析基礎、滴定分析概述、滴定分析方法、分光光度法、氣相色譜法、儀器分析方法簡介。因此，在教學內容合理組合方面，達到有效地與高中化學銜接，做到了化學基礎知識與少年班能力培養(yǎng)要求的對應，也將無機化學、分析化學、有機化學、物理化學內容進行了合理有效的組合。

通過多年的教學實踐，為了使少年班學生在學習中充分體會到化學學習的樂趣，并激發(fā)學生的學習積極性，拓寬知識面，培養(yǎng)學生的科學思維能力、創(chuàng)新思維能力、科學學習方法和良好的科學品德等，針對少年班這一階段的化學知識結構層次，在化學原理課程教學中，嘗試應用啟發(fā)式教學、對比式教學、應用實例式教學、討論式教學等結合的多方位教學方法。

1 探索適合于少年班培養(yǎng)的多方位互動教學方法

1.1 啟發(fā)式教學方法

在化學原理課程中，利用啟發(fā)式教學引導學生盡快適應大學學習環(huán)境，為后續(xù)專業(yè)學習打好基礎。對于一些新概念、新公式等有難度的環(huán)節(jié)，為了適應年紀較小的少年班學生學習，防止學生失去學習興趣，教師在此處設置了重重懸念，啟發(fā)學生的思維，使得化學知識版塊變得脈絡清晰，易于把握。并將板塊的問題有機地相互貫穿和前后呼應，使得學生易于理解和掌握。與常規(guī)大學生教學中的啟發(fā)式教學方法相比［2，3］，更注重啟發(fā)與引導，發(fā)揮少年學生敢于想象和善于思考的優(yōu)勢［4，5］。

1.1.1 啟發(fā)式教學用于化學反應的熱效應與化學反應的方向

在化學熱力學章節(jié)教學的環(huán)節(jié)中，化學反應的熱效應（焓）的計算以及吉布斯自由能判據(jù)的引入是學生較難掌握的環(huán)節(jié)。尤其對于年紀較小的少年班學生而言，一下子接受大量的新公式和新概念，如果教學難度和興趣不能緊密相扣，學生很容易失去學習興趣。為此，我們在教學過程中，在此處設置了重重懸念，使得知識版塊變得脈絡清晰，易于把握。

首先，闡述化學熱力學是利用熱力學的方法和基本原理研究化學現(xiàn)象（化學反應）的學科。然后提出，研究化學熱力學以及與之相關的內容時，5個最重要的問題有待思考：

1）在一定的條件下，化學反應是否能夠發(fā)生？

2）如果反應能夠發(fā)生，能量變化如何（吸熱、放熱）？

3）如果反應能夠進行，反應的程度如何？

4）如果反應能夠進行，反應的速率如何？

5）化學反應的本質是什么（物質的結構和性能的關系）？

并逐一通過啟發(fā)式講述和推導，闡述上述幾個問題。具體方法如下：

在介紹了熱力學第一定律之后，以“化學反應的熱效應如何？”把學生的思維轉移到反應熱概念上來，引入化學反應熱效應焓的概念（恒溫恒壓，不做非體積功的情況）。有了概念，那么“焓如何得到？”引入焓的數(shù)學表達式：H=U+pV。

有了數(shù)學表達式，但焓用表達式計算有困難，因為U的絕對值不可測，H的絕對值也不可測，能測定的是體系焓變ΔH。對于化學反應來講，始態(tài)為反應物，終態(tài)為生成物，ΔH即為生成物和反應物的焓差。這時拋出問題給學生，啟發(fā)和引導學生思考：1）在絕對焓值無法求得的情況下，如何計算化學反應的焓變？2）如何比較不同化學反應的熱效應？首先討論問題2），以通俗比喻“比較高矮要站在同一個標準”引出標準摩爾焓變的概念，在此介紹熱力學標準態(tài)及熱化學方程式的書寫。在標準摩爾焓變的基礎上，討論“如何計算化學反應的熱效應”的問題，引出標準摩爾生成焓的概念。然后可以介紹除了用標準摩爾生成焓計算化學反應熱效應之外的其他幾種計算方法（蓋斯定律、標準摩爾燃燒焓等）。

化學反應的熱效應（焓）的計算環(huán)節(jié)結束后，回到本章開始提出的問題，反應熱效應的計算現(xiàn)在解決了，那么反應的自發(fā)進行方向這一問題怎么解決？是決定于反應熱嗎？舉出實驗事實，有些吸熱反應也能自發(fā)進行，說明焓變是影響化學反應自發(fā)性的因素之一，但不是唯一的決定因素。由此開始討論化學反應的方向性，到底決定于哪些因素？引出熵的概念。然后通過一些化學反應的實例，指出“一個反應的自發(fā)性與焓變、熵變、溫度三者都有關系”，那么，“有沒有一個函數(shù)能綜合三者的影響，幫助我們判斷化學反應自發(fā)進行的方向？”從而引出吉布斯自由能的概念。在整個過程中，環(huán)環(huán)相扣，牢牢抓住學生的思維，提高學生的學習興趣。

1.1.2 啟發(fā)式教學用于緩沖溶液

在酸堿平衡教學的環(huán)節(jié)中，緩沖溶液組成、計算和配制是重要內容。在教學過程中，設置了對比式啟發(fā)的方法，引導學生學習。

首先闡述“一元弱酸弱堿的解離平衡與計算”，學生們容易掌握這個環(huán)節(jié)。然后通過5個教學環(huán)節(jié)啟發(fā)學生解決以下問題：

1）一元弱酸（或弱堿）與其共軛堿共存時，酸度會如何變化？

2）在體系中，“一元弱酸與其共軛堿共存時（相同離子效應）酸度的計算”與“一元弱酸弱堿的解離平衡與計算”的不同點在哪里？

3）同離子效應存在下，體系對外來強酸和強堿的抵抗能力如何？與單一的弱酸（或弱堿）體系有什么不同？與純水體系又有什么不同？

4）引出緩沖溶液后，引導學生自己分析緩沖溶液的組成（給出實例）與酸度應如何計算？5）如何配制緩沖溶液？

1.2 對比式教學方法

受新罕布什爾大學Chan和Bauer［6］基于學生成就感、學習態(tài)度、自我概念等的教學及考核研究結果的影響，為了使少年班學生不畏懼大學的學習且在學習中獲得成就感，在化學原理課程中，引導學生對一些章節(jié)的學習內容進行對比，并找出共性。教師做了一些基礎教學內容之外的PPT課件，引導學生對不同章節(jié)進行對比和歸納，達到有效記憶和規(guī)律性學習的目的。也讓學生自己找共性問題進行對比，彰顯他們“逞能”中散發(fā)出的智慧，有效地提高學生的學習興趣。如酸堿平衡與氧化還原平衡兩個章節(jié)，酸堿平衡是質子轉移，氧化還原平衡是電子轉移。分別從定義、半反應、全反應等方面進行對比總結，見表1。

1.3 應用實例式教學方法

實例式教學是幫助學生提高化學學習興趣的有效手段，能幫助學生有效地將所學知識轉變?yōu)樽约旱哪芰退刭|［7－9］。昆士蘭科技大學、莫道克大學、紐約市立大學幾位教師的近期研究顯示，學習的動力與高質量的學習體驗是密切相關的［10］。由于少年班學生年齡偏小，為了激發(fā)學生的學習動力，針對少年班學生的年齡特點，在教學中應努力展示看似枯燥的化學原理與生活、社會的緊密聯(lián)系。對于普通的大學新生，理解力和化學素材積累上相對有優(yōu)勢，某些概念和原理可以很輕松地帶過。但是對于少年班學生，這些知識對于他們來說相對艱深，需要更多鮮活的案例讓學生了解化學的魅力。因此，我們在教學中，利用有限的時間盡量提供一些案例，幫助學生加深對章節(jié)內容的印象，并增強所學內容與生活或科研的密切關系。利用實例教學方法提高學生的化學學習興趣，在每章結束后引入化學原理與趣味知識相結合的實例教學方式。每章講授結束之后，會有相關內容對應的實例分析，將新理論、新發(fā)現(xiàn)、新成果、新成就、發(fā)展現(xiàn)狀等進行案例分析，期望對將來選擇化學、環(huán)境、材料、醫(yī)藥、生命等學科的學生起到積極的引導和啟發(fā)作用，例如化學熱力學基礎章節(jié)的實例見表2。

又如學完電化學基礎這一章內容后，將學生們攜帶的電子產品中可能涉及到的電池（如蘋果手機電池）、學生們周邊隨處可以看到的與電化學有關的現(xiàn)象等進行總結歸納，并用課堂學到的內容分析其中的電化學原理，如圖1所示。

表1 酸堿平衡與氧化還原平衡對比學習法實例

表2 化學熱力學基礎章節(jié)實例

1.4 討論式教學方法

少年班化學原理課程學時較少，如何引導學生有效地學習、提高對知識點的進一步分析和歸納、提高課堂效果、發(fā)揮學生的想象力，是我們在教學過程中探索的一個問題。實踐證明，簡短式的課堂討論教學是發(fā)揮學生想象力的一個很有效的教學方式。已有實踐證明，研究性的討論式教學有助于學生能力的發(fā)揮［11］。斯坦福大學的Christodoulou和Osborne［12］在“The Science Classroom as a Site of Epistemic Talk:A Case Study of a Teacher′s Attempts to Teach Science Based on Argument”一文中指出，現(xiàn)代的科學教育不僅強調科學是知識（science-as-knowledge），而且要遠觀科學是實踐（science-aspractice），課堂討論應給學生提供參與的機會，達到對話構建知識的過程（dialogic knowledge-buildingprocesses）的目的。這里，給學生提供想象的空間是構建知識的重要環(huán)節(jié)。因此，我們在學生具備了化學基礎知識的基礎上，引入討論式教學方式，強化少年班學生發(fā)散思維能力的拓展培養(yǎng)，建立化學教學中教與學互動促進的方式。為了拓展少年班學生的思維方式、進行探究式學習，在授課中結合基礎理論知識，教師提出與課程下一個環(huán)節(jié)有關的問題，學生踴躍回答給出可能的多種解決方法，教師進行總結，以提高學生科學思維與創(chuàng)新思維能力。

圖1 電化學基礎章節(jié)涉及到的實例

1.4.1 討論式教學方法用于原電池教學

在電化學基礎教學環(huán)節(jié)中，原電池的構成、電極的種類以及電極電勢的產生和應用是本章難點，也是重點內容。為了提高教學效果，使學生充分體會所學內容與生活或科研相關，在教學過程中設置了多處討論。學生回答各種可能的答案，然后教師總結并歸納，提出注意事項。每個討論環(huán)節(jié)控制在2－5分鐘之內。既有利于發(fā)揮學生的想象力，也有利于提高學生的積極性。

1）通過學生們熟知的銅鋅原電池的結構和原理，引入化學原電池。提出討論問題：

①原電池的構造是什么？

②如何構成原電池（溶液、氣體是否可以）？

③原電池的表示方法是什么（化學表述方法）？

④原電池可產生電流，說明兩電極間形成了電勢差。單個電極的電勢是怎樣產生的？

⑤為什么不同的電極具有不同的電勢？

2）在學生理解電極電勢產生原理的基礎上，提出以下討論問題：

①電極具有電勢，如何測量（單個電極電勢不可測量）？

②電極電勢的大小反映了什么含義？

③原電池反應進行的終點具有什么特征？

④電極電勢的大小與化學反應程度是否有關？

1.4.2 QQ等通訊途徑討論式學習

教師與學生通過QQ等通信途徑討論復習過程中的具體問題。這樣，不但教師與學生之間可以討論，而且學生之間也會互相討論。

例如：“老師好，我是少年班XXX同學，有三個問題想問一下老師。

1）同一周期原子半徑隨序數(shù)在減小，可是金屬元素的半徑是金屬半徑，稀有氣體是范德華半徑，非金屬則是共價半徑，這三者能比較嗎？

2）書上寫的原子軌道能量與角量子數(shù)l也相關。l相同的能級，能量隨n增大而升高。Ens＜Enp＜End＜Enf，可是，按照Slater法則，s與p是一組，從而有效核電荷就應該相同。根據(jù)多電子的每個電子的能量公式，n相同有效核電荷相同，能量不應該一樣嗎？

3）有效核電荷數(shù)可以解釋同周期原子半徑逐漸減小，可好像與同族變化相矛盾。有效核電荷數(shù)能否解釋原子半徑變化規(guī)律。為什么Na比Ne新增的電子在離核更遠的3s軌道上，而不是更近，如何解釋。

謝謝老師啦！”

一方面教師回答這些問題，一方面學生之間可以互相討論這些問題。

2 教學實踐應用情況

2014年12月底，對少年班127名學生以及正常大學一年級70名學生的考試卷中，采用85%題目完全相同的形式進行期末考試，對相同題目進行分數(shù)統(tǒng)計分析顯示（表3），采用建立的多方位教學模式進行教學，少年班學生的成績優(yōu)于常規(guī)大學生成績。

表3 少年班11－14班學生期末考試成績與常規(guī)大一學生成績對比分析

參考文獻

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［12］Christodoulou，A.；Osborne，J.Journal of Research in Science Teaching 2014，51（10），1275.

中圖分類號：O6；G64

doi:10.3866/PKU.DXHX20160422www.dxhx.pku.edu.cn

*通訊作者，Email:heling@mail.xjtu.edu.cn

基金資助：西安交通大學少年班課程教學改革研究項目

Exploration and Practice of Multiple Teaching Methods:the Teaching Research of Chemical Principles for the Juvenile University Students in Xi′an Jiaotong University

HE Ling*JIAQin-Xiang DUAN Xin-Hua
（School of Science，Xi'an Jiaotong University，Xi'an 710049，P.R.China）

Abstract:Considering the age and knowledge structure of the juvenile university students，we explore and practice the multiple teaching methods in the chemical principles course，which is mainly focused on the heuristic teaching，comparative teaching，case teaching and discussion-based teaching.The purpose is to explore a suitable method for cultivating students′learning skills，self-study ability，knowledge application skills and to strengthen their scientific thinking and innovative thinking ability.Finally，this paper introduces the practical application results.

Key Words:Juvenile university students；Chemistry principle；Multiple teaching methods；Teaching practice