問題式教學和案例教學在普通化學教學中的綜合應用
——自發熱貼發熱原理中的基礎化學

胡　鍇　蔡　蘋　程功臻

（武漢大學化學與分子科學學院，武漢430072）

?

·教學研究與改革·

問題式教學和案例教學在普通化學教學中的綜合應用
——自發熱貼發熱原理中的基礎化學

胡鍇*蔡蘋程功臻

（武漢大學化學與分子科學學院，武漢430072）

通過“自發熱貼發熱原理”教學案例介紹問題式教學（PBL）和案例教學（CL）模式在普通化學教學實踐中的綜合應用。兩種教學模式有機結合、取長補短，在案例的基礎上利用提問式教學激發學生學習的積極性，在提問式教學的氛圍中結合學生實際情況充分發揮案例教學中教師的引導作用。兩種教學方法的綜合應用能培養學生主動學習的能力、分析和解決問題的能力以及知識綜合應用能力。

問題式教學；案例教學；普通化學；教學案例

1　前言

化學是一門綜合性學科，不同原理之間有其內在的關系和邏輯，同一現象可能需要利用不同的原理進行綜合分析。這就要求學生在學習過程中建立知識之間的聯系，靈活地應用各種知識去分析解決實際問題。在教學實踐過程中，我們發現學生所學的知識仍桎梏于課本和習題，知識不能與實際問題有效地鏈接，分析和解決問題能力不足，理論的綜合應用能力還有待提高。此外，自我學習的積極性也不高。針對上述問題，我們在日常教學過程中引入了問題式教學（problem-based learning，PBL）和案例教學（case learning，CL）方法，通過問題的引入和討論以及教師的適當參與和指導提高學生學習的主動性和知識理論的綜合應用能力。

PBL和CL是目前高等教育課程教學中廣泛接受和認可的主動式學習教學模式，在教學實踐中也取得了比較好的教學效果［1-5］。PBL是一套以問題為基礎，設計學習情境，讓學生通過自我探索解決問題的教學方法。該方法注重從具體問題細節著手，著眼于提高學生解決具體問題的能力，在提高學生學習主動性、解決具體問題的能力以及教學質量提高等方面都取得了一定的效果。但在具體實踐過程中我們發現，對于知識的初學者，當其知識架構尚未很好地建立時，復雜的問題會給他們帶來很沉重的負擔，加之教師在PBL中有限引導者的角色，使得這種教學方法的學習效果和效率差強人意。針對這些問題，我們在教學過程中同時引入案例教學方法。區別于PBL，CL中教師是指導者，在一定程度上統領著整個課程的進程。此外，CL除了關注具體問題的解決外，更注重提高學生運用所學理論綜合解決問題的能力，教師幫助學生在自主學習的基礎上進一步構建和完善知識體系。此時，教師教的不再是具體的知識理論，而是分析和解決問題的方法。因此，在日常教學實踐中，我們根據實際教學對象特點，將兩種方法有機結合、取長補短，以期達到更好的教學效果。

案例的選擇和問題的設置是達成良好教學效果的關鍵。下面以普通化學教學中的實際教學案例來簡要闡明我們在具體教學過程中如何綜合應用問題式教學和案例教學方法。希望在總結、分享教學心得的同時，能起到一定的參考借鑒作用。

2　教學案例分析

在完成了化學熱力學、動力學以及氧化還原反應基礎理論教學后，我們選擇了“自發熱貼發熱原理”為教學案例，進行了基于問題式教學和案例教學的教學專題活動。選題考慮了學生當前所學的知識背景以及知識的趣味性和拓展性。以問題式教學引入，問題貫穿整個教學討論過程；同時以案例教學方法為基本指導，在發揮學生學習主動性的同時也充分體現教師的指導總結作用，保證教學活動高效進行。

具體教學實踐中，首先以目前市面上比較流行的自發熱貼的自發熱原理為基本問題展開教學（圖1）；通過提問和分析不斷層層深入，引導學生思考和討論，最終對發熱貼原理形成一個比較全面的認識。教學過程中，在鞏固相關理論的基礎上進一步幫助學生完善知識的內在聯系，完成知識重構；此外，通過師生共同對具體問題的分析提高學生分析和解決問題的能力以及綜合應用知識的能力等。此教學案例實施2年以來，取得了較好的效果。不但激發了學生的學習興趣，還讓學生進一步了解到知識不是孤立的，而是存在其內在的相互聯系，更重要的是通過這一教學過程讓學生更清楚地理解化學及其相關的應用。

根據教學對象和教學目的，針對化學和化學相關專業學生，依次設計以下6個主要問題：

（1）從自發熱貼的化學組成入手，分析自發熱貼能自發熱的基本化學原理。

（2）為什么O2首先將Fe氧化為Fe2+，其后Fe2+進一步反應為Fe3+，而不是一步氧化為Fe3+？

大量傳統外貿公司紛紛轉行搞跨境電商，加上很多新近成立的跨境電商公司，跨境電商行業對人才需求量非常大。從企業反饋來看，單一素養的跨境電商人才難以滿足企業實際需求?？缇畴娚唐髽I迫切需要既會對外貿易技能，又有電子商務素養的綜合性人才。

（3）試通過相關計算說明自發熱貼的發熱效率。

（4）同為吸氧腐蝕，為什么自發熱貼中鐵的氧化速率要明顯地高于生活中鐵釘或者鋼板的氧化速率？

圖1　自發熱貼實物圖及構造解析圖

（5）評價自發熱貼產品優劣的指標有哪些？自發熱貼如何實現穩定持續的釋放熱量？通過以上分析總結，哪些是決定自發熱貼性能的主要因素？

（6）如何通過化學方法對自發熱貼進行組成分析和測定？

下面是對問題分析及相關教學的簡要說明。

2.1問題1

通過引導學生閱讀包裝袋上的成分說明和使用說明，學生可分析討論得出體系中發生的基本反應為鐵粉與空氣中氧氣的氧化還原反應：

隨后對發熱貼內容物反應前后的顏色進行對比分析：最初反應物為黑色，反應后黑色物質中混有棕紅色物質，學生可推定反應最終產物為Fe2O3，期間相應發生了氧化還原和分解反應：

2.2問題2

在解決了第一個問題的基礎上，針對反應產物提出了第二個問題。即為什么Fe被O2氧化的反應中，氧化還原反應的產物通常為Fe2+而不是Fe3+？這個問題涉及到在相同的條件下，下面兩個反應哪個更傾向于發生的問題：

在解決問題的過程中，學生學會了應用電極電勢、電動勢、元素的拉蒂邁爾圖、沉淀反應等相關知識，將電動勢這些抽象的概念與具體的反應熱力學及動力學性質相結合。此外，還可以進一步讓學生討論Fe2+和Fe3+結合OH-生成Fe（OH）2和Fe（OH）3這2個沉淀反應的傾向性問題以及這2個反應對于總反應的影響。

2.3問題3

通過化學熱力學的相關計算可以得到反應的吉布斯自由能變和焓變等，從理論上確認反應的自發性以及反應具體的熱效能等問題。對這部分問題的分析和討論可以進一步鞏固學生對能斯特方程、熱力學函數的相關計算及相關函數自洽性的理解。

在解決這個問題以后，學生就會對自發熱貼的基本原理有一定程度的了解。他們能總結出其發熱原理為：鐵的吸氧腐蝕反應過程中相應放出熱量。

2.4問題4

通過指出生活中其他吸氧腐蝕沒有明顯放熱，引入此自發熱貼中的化學反應動力學相關問題。首先從反應原理分析：請學生從腐蝕原理和存在介質兩個方面分析討論自發熱貼、鐵釘和鋼板吸氧腐蝕的差異。最后總結出自發熱貼的腐蝕為在電解質（NaCl）條件下的電化學腐蝕。其次，從影響化學反應速率的因素（如反應物的顆粒大小、體系溫度、活性炭的吸水作用等），組織學生分析討論。最后得出，因為高還原性鐵粉、活性炭的吸水作用以及溫度效益等動力學方面的影響使反應速率大大提高。體系中存在很多小的短路電池同時反應，將氧化還原反應的化學能轉化為熱能釋放出來。

2.5問題5

引導學生通過日常經驗總結出評價自發熱貼優劣的主要指標，即發熱溫度、溫度的穩定性以及持續發熱時間等。通過成分分析和查閱相關資料，學生能夠得到蛭石在其中起到了保溫作用，含有高密度小孔的無紡布包裝能夠控制單位時間內進入的空氣體積，從反應物濃度對反應速率的影響上對反應進行控制。通過討論和分析，最終可得出決定自發熱貼產品質量的主要因素是鐵粉和無紡布的質量。

2.6問題6

理論與實踐相結合，讓學生通過對組成物理化學性質的分析，設計出適當的方法對反應物進行分離和測定等操作。其中涉及到了化學實驗的相關知識，如物理分離和化學分離方法、組成鑒定等。

師生通過對以上6個主要問題的分析討論能夠對自發熱貼中所暗含的基本化學原理有一個基本認識，而對這個日常生活中實例的分析也提高了學生學習化學的興趣，培養其探索精神。教學過程中兩種方法的應用配合可根據授課對象以及課時等因素進行適當調整。如在學生學習主動性比較高、知識掌握程度較好以及課時充足的情況下，可更多地讓學生通過小組討論的方式分析解決相關問題，以問題式教學方式為主。但如果學時不足、學生背景知識有限時，則適當地加強教師的指導作用，通過有限的時間讓學生更好地了解如何利用所學知識綜合應用解決問題，其后輔以相應的練習來加強對問題的認識，此時更宜加強案例式教學方法的使用。其次，根據問題的難易程度也可交叉采用問題式教學和案例式教學方法，積極調整學生的實際參與度。作為知識的拓展，我們還向學生介紹了其他市面上可見的自發熱產品，如白金懷爐、自發熱米飯、自熱取暖片等。這樣不僅可以激發學生進一步探索的興趣，同時也給了學生一個應用知識的機會，加強了教學的實際效果。

以上我們以“自發熱貼發熱原理”的教學專題為例，介紹了在教學過程中我們如何綜合實施應用問題式教學和案例教學。而針對氧化還原反應以及化學基本原理這部分知識，我們還選擇了“燙發水化學解密”以及“合成氨反應中的化學”等相關教學研討專題，組織學生進行相應的問題討論和探究學習，同樣取得了比較好的效果。

3　總結與展望

問題式教學和案例教學是我們日常教學活動的有益補充，兩種教學方法各有利弊，在具體實踐過程中如果能根據教學對象特點和教學目的將兩者結合，就能在實際教學過程中取得很好的效果。當然這也要求教師在選題、問題設置、組織教學和方法轉化應用等方面做充分的準備工作。根據教學實踐，我們發現將這兩種教學方法有機結合應用于高校的化學基礎教學中，能夠較好地實現從以教為中心向以學為中心、從重媒體應用向重教學設計、從重知識傳授向重能力培養的3大教學模式轉變。而學生的3大主要能力，即自學能力、分析和解決問題能力以及知識的綜合應用能力，也得到了提高。

［1］蔣衛華，李忠玉.化學教育，2015，36（4），26.

［2］李珺，夏穎.化學教育，2014，35（10），44.

［3］陽明福，王云霞.大學化學，2003，18（2），25.

［4］吳晗清，鄭冬梅，李遠蓉.化學教育，2011，32（3），15.

［5］陸家政，陳菲，蔣京，曾憲棟，劉云軍，管小艷，姚秀瓊.大學化學，2011，26（6），16.

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

HU Kai*CAI PingCHENG Gong-Zhen
（College of Chemistry and Molecular Science，Wuhan University，Wuhan 430072，P.R.China）

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.

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

O6；G64

10.3866/PKU.DXHX201509013

，Email:kaihu@whu.edu.cn