研究性教學(xué)理念在基礎(chǔ)理論課程教學(xué)中的應(yīng)用

馬成有 趙新運(yùn) 時(shí)艷香

摘? ? 要：研究性教學(xué)主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是對(duì)教學(xué)內(nèi)容的研究;二是對(duì)教學(xué)方法、教學(xué)模式的研究，核心內(nèi)容是對(duì)教學(xué)內(nèi)容的研究。文章將研究性教學(xué)理念貫徹于教學(xué)過程中，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)具體教學(xué)內(nèi)容深入研究，以期提高學(xué)生對(duì)知識(shí)掌握的深度與廣度，達(dá)成或超越學(xué)習(xí)目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：研究性教學(xué)理念;教學(xué)方法;教學(xué)模式

中圖分類號(hào)：G642.0? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1002-4107（2021）10-0031-03

一、前言

對(duì)于理工類的大學(xué)生來說，數(shù)學(xué)、物理和化學(xué)等基礎(chǔ)理論課程是必修的，其重要性不言而喻。那么如何才能學(xué)好這些基礎(chǔ)理論課程呢？

2005年1月7日，教育部印發(fā)《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)高等學(xué)校本科教學(xué)工作的若干意見》，其中提出積極推動(dòng)研究性教學(xué)，提高大學(xué)生的創(chuàng)新能力，為我國高校課堂教學(xué)改革提供了思路并指明了方向。教師以培養(yǎng)學(xué)生的研究意識(shí)、研究能力和創(chuàng)新能力為目標(biāo)，通過對(duì)具體知識(shí)內(nèi)容及教學(xué)過程的研究，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)知識(shí)深入理解，從而讓學(xué)生掌握知識(shí)，培養(yǎng)他們的研究和創(chuàng)新能力[1]。

研究性教學(xué)在全國高等教育界十分流行，那么什么是研究性教學(xué)呢？有人說研究性教學(xué)就是加重教學(xué)研究的份量;有人說研究性教學(xué)就是教會(huì)學(xué)生45分鐘之外的自主探索式學(xué)習(xí);也有人說研究性教學(xué)就是培養(yǎng)具有創(chuàng)新思維的學(xué)生;還有人說研究性教學(xué)就是科研與教學(xué)有機(jī)結(jié)合，將最前沿的科研動(dòng)態(tài)引入教學(xué)內(nèi)容。

其實(shí)無論是什么樣的教學(xué)都只有一種：教與學(xué)。研究性教學(xué)應(yīng)該包括對(duì)具體教學(xué)內(nèi)容的研究以及對(duì)教學(xué)模式、教學(xué)方法的研究，核心內(nèi)容是對(duì)具體教學(xué)內(nèi)容的研究。研究是手段、策略，是對(duì)知識(shí)內(nèi)容的深刻領(lǐng)悟及其拓展應(yīng)用。研究性教學(xué)的目標(biāo)，首要的就是教會(huì)學(xué)生理解掌握所學(xué)知識(shí)內(nèi)容，并能靈活運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解釋、提出、分析、解決實(shí)際問題，以及在所學(xué)知識(shí)內(nèi)容基礎(chǔ)之上有所拓展、延伸、舉一反三。教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)模式、方法渾然天成、水乳交融，才能實(shí)現(xiàn)最理想的教學(xué)效果[2-4]。

以“無機(jī)化學(xué)”為例，探討研究性教學(xué)理念在課程教學(xué)過程中的應(yīng)用，將研究性教學(xué)理念貫穿其中，提高對(duì)知識(shí)掌握的深度與廣度，開拓視野，開闊思維，對(duì)達(dá)成或超越學(xué)習(xí)目標(biāo)很有意義。

二、研究性教學(xué)的內(nèi)涵

（一）提綱挈領(lǐng)——把握課程整體脈絡(luò)

“無機(jī)化學(xué)”課程主要由化學(xué)熱力學(xué)、化學(xué)動(dòng)力學(xué)、化學(xué)平衡、原子結(jié)構(gòu)、化學(xué)鍵與分子結(jié)構(gòu)、分散系氣體和溶液等基礎(chǔ)理論部分和酸堿反應(yīng)、沉淀反應(yīng)、氧化還原反應(yīng)、配位反應(yīng)四大類型的化學(xué)反應(yīng)等應(yīng)用部分組成。

原子結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵與分子結(jié)構(gòu)屬于相對(duì)獨(dú)立的知識(shí)體系，與其他方面的知識(shí)體系并無直接關(guān)系。原子結(jié)構(gòu)這一部分主要從原子的構(gòu)成、原子的核外電子排布以及原子半徑、電離能、電子親合能、電負(fù)性、氧化數(shù)等指標(biāo)體系了解原子?；瘜W(xué)鍵與分子結(jié)構(gòu)這一部分以原子結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，講述原子如何構(gòu)成分子，以及分子的構(gòu)型如何，也涉及到離子鍵的形成和離子晶體的構(gòu)型、共價(jià)健的形成和特點(diǎn)，其中雜化軌道理論和分子軌道理論是主要研究內(nèi)容。

四大類型的化學(xué)反應(yīng)與化學(xué)熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、化學(xué)平衡等相關(guān)知識(shí)密切相關(guān)。根據(jù)熱力學(xué)知識(shí)可以判斷化學(xué)反應(yīng)能否發(fā)生，根據(jù)動(dòng)力學(xué)知識(shí)可以求解化學(xué)反應(yīng)速率及相關(guān)常數(shù)，如反應(yīng)級(jí)數(shù)、速率常數(shù)和活化能等。根據(jù)平衡常數(shù)可以判斷化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的程度。

任何一門課程內(nèi)容的構(gòu)成，在編者動(dòng)筆之前，心里就應(yīng)該有了大致的結(jié)構(gòu)體系。從使用者角度，學(xué)習(xí)本門課程之前，一定是先了解課程的整體脈絡(luò)體系、知識(shí)結(jié)構(gòu)，做到心中有數(shù)、步步為營。

對(duì)課程整體知識(shí)脈絡(luò)的把握，要求教師不只是對(duì)具體知識(shí)點(diǎn)理解、掌握，更是要從全局上對(duì)知識(shí)的理解與掌控，做足知識(shí)儲(chǔ)備，只有這樣才可以實(shí)現(xiàn)研究性教學(xué)理念的實(shí)踐與推廣，實(shí)現(xiàn)對(duì)具體知識(shí)內(nèi)容的研究，對(duì)相關(guān)知識(shí)內(nèi)容在深度與廣度上進(jìn)行拓展。

（二）掌握核心，抓住主線——對(duì)課程核心內(nèi)容的理解

縱覽課程的總體脈絡(luò)結(jié)構(gòu)，一定要找出課程的核心內(nèi)容。當(dāng)然，這需要對(duì)課程整體知識(shí)有一定基礎(chǔ)了解之后才可以做到。

以“無機(jī)化學(xué)”為例，不論四大類型化學(xué)反應(yīng)中的何種類型，都有其對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)平衡常數(shù)，酸堿反應(yīng)的平衡常數(shù)為KaΘ或KbΘ;沉淀反應(yīng)的平衡常數(shù)為KspΘ;配位反應(yīng)的平衡常數(shù)有標(biāo)準(zhǔn)平衡常數(shù)KfΘ和條件平衡常數(shù)Kf';氧化還原反應(yīng)平衡常數(shù)KΘ與電極電勢(shì)φ密切相關(guān)，而電動(dòng)勢(shì)有條件電極電勢(shì)φΘ'和標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì)φΘ ，那么平衡常數(shù)的本質(zhì)是什么呢？

在化學(xué)反應(yīng)平衡一章內(nèi)容當(dāng)中有化學(xué)反應(yīng)等溫式：

所以說化學(xué)反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)平衡常數(shù)是定義的，但是定義后的標(biāo)準(zhǔn)平衡常數(shù)表示的是一個(gè)確定的化學(xué)反應(yīng)在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，一定溫度條件下所能達(dá)到的平衡狀態(tài)，是一個(gè)確定的化學(xué)反應(yīng)本身該有的一個(gè)物理指標(biāo)[5]。

化學(xué)反應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)平衡常數(shù)在有關(guān)化學(xué)反應(yīng)進(jìn)度、物質(zhì)量的計(jì)算過程中起著重要的作用，是各類化學(xué)反應(yīng)的一條主線。在化學(xué)分析當(dāng)中，不論是酸堿滴定、沉淀滴定及配位滴定，還是氧化還原滴定、化學(xué)計(jì)量點(diǎn)以及計(jì)量點(diǎn)前后±0.1%誤差時(shí)，理論計(jì)算的基礎(chǔ)都是基于化學(xué)反應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)平衡常數(shù)和條件平衡常數(shù)。所以深刻理解并掌握章節(jié)的核心內(nèi)容，抓住主線，對(duì)于相關(guān)內(nèi)容的學(xué)習(xí)會(huì)起到事半功倍的效果。

（三）夯實(shí)基礎(chǔ)，揭示本質(zhì)——對(duì)課程關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)的探討與挖掘

在化學(xué)熱力學(xué)內(nèi)容當(dāng)中，Hess（蓋斯）定律是最基礎(chǔ)的定律，它是熱力學(xué)第一定律的特殊形式，是熱力學(xué)第一定律在化學(xué)反應(yīng)當(dāng)中的應(yīng)用。Hess（蓋斯）定律將狀態(tài)函數(shù)內(nèi)能的變化量與功和熱這兩個(gè)非狀態(tài)函數(shù)聯(lián)系在一起，實(shí)現(xiàn)完美對(duì)接，能計(jì)算、分析化學(xué)反應(yīng)過程中體系與環(huán)境因功和熱交換而引起研究對(duì)象體系內(nèi)能的變化量等問題。Hess（蓋斯）定律最實(shí)際的應(yīng)用就是通過化學(xué)反應(yīng)的偶聯(lián)可以改變化學(xué)反應(yīng)的方向，使不可能正向發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)正向發(fā)生或是阻止某些化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生，利用偶聯(lián)反應(yīng)，可以有效控制化學(xué)反應(yīng)的方向。說得更直接一些就是化學(xué)反應(yīng)相加減，得出新的化學(xué)反應(yīng)，那么對(duì)應(yīng)的狀態(tài)函數(shù)相加減就得出新狀態(tài)函數(shù)的值，根據(jù)新值的大小確定化學(xué)熱量的吸收或放出多少，確定化學(xué)反應(yīng)的方向和化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行到什么程度。

Hess（蓋斯）定律其實(shí)就是熱力學(xué)第一定律在特定條件下的化學(xué)反應(yīng)所遵循的規(guī)律。特定條件主要有兩個(gè)方面：一就是定容;二就是定壓。定容條件下，體系從環(huán)境吸收熱量或向環(huán)境放出熱量稱為定容熱，即Q，因?yàn)榇朔N條件下Qv=△U化學(xué)反應(yīng)體系體積沒有變化，△V=0，所以體系對(duì)環(huán)境做功或環(huán)境對(duì)體系做功都為零，根據(jù)熱力學(xué)第一定律此種條件下，即體系內(nèi)能的變化在數(shù)值上等于定容熱。定壓條件下，體系從環(huán)境吸收熱量或向環(huán)境放出熱量稱為定壓熱，即QP，此種條件下化學(xué)反應(yīng)體系體積可能有所變化，即△V≠0，所以體系對(duì)環(huán)境做功或環(huán)境對(duì)體系做功不為零，根據(jù)熱力學(xué)第一定律及焓的定義得：Qp=△H。

定壓熱在數(shù)值上等于體系內(nèi)能的變化Qp=△H，定容熱在數(shù)值上等于體系的焓變Qv=△U。不論是Qv還是Qp都是非狀態(tài)函數(shù)，而△U、△H為狀態(tài)函數(shù)，狀態(tài)函數(shù)是描述體系熱力學(xué)狀態(tài)的物理量，其特征就是體系狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，狀態(tài)函數(shù)的變化只取決于體系的起始狀態(tài)和最終狀態(tài)，而與變化途徑無關(guān)。所以就可以有這樣的結(jié)論：在化學(xué)反應(yīng)體系當(dāng)中，定容條件下的熱效應(yīng)和定壓條件下的熱效應(yīng)只決定于始態(tài)和終態(tài)，而與途徑無關(guān)。這個(gè)結(jié)論和Hess（蓋斯）定律所表達(dá)的意思是一致的。

如果學(xué)生和教師在狀態(tài)函數(shù)（p 、V、n、T、△U、△H、△S、△G）和非狀態(tài)函數(shù)（W、Q）的教與學(xué)的過程中深刻理解△U、△H的意義，真正掌握狀態(tài)函數(shù)的特征，自己總結(jié)分析就可以得出和Hess（蓋斯）定律一樣的規(guī)律結(jié)論。所以深刻理解掌握基本概念、基礎(chǔ)理論很重要，再高深的理論也離不開最本質(zhì)、最基礎(chǔ)的東西。

（四）前后聯(lián)系，有機(jī)結(jié)合——善于發(fā)現(xiàn)內(nèi)在關(guān)聯(lián)

再次提到化學(xué)反應(yīng)平衡常數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)平衡常數(shù)和條件平衡常數(shù)是貫穿于無機(jī)化學(xué)和分析化學(xué)當(dāng)中的一個(gè)主線，也是核心內(nèi)容。那么化學(xué)反應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)平衡常數(shù)KΘ（T）與Hess（蓋斯）定律有什么關(guān)系嗎？

Hess（蓋斯）定律解決了化學(xué)反應(yīng)體系熱效應(yīng)的計(jì)算問題，將非狀態(tài)函數(shù)的問題轉(zhuǎn)化為狀態(tài)函數(shù)。

化學(xué)反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)平衡常數(shù)KΘ（T）與其對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)摩爾吉布斯自由能變△rGmΘ（T）有著直接的關(guān)系，即：

化學(xué)反應(yīng)的吉布斯自由能變△G與焓變△H一樣，同樣是通過定義而來，并且是確定的狀態(tài)函數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下化學(xué)反應(yīng)的摩爾吉布斯自由能變：

既然化學(xué)反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)摩爾吉布斯自由能變△rGmΘ（T）是狀態(tài)函數(shù)，所以△rGmΘ（T）也只決定于化學(xué)反應(yīng)體系的始態(tài)和終態(tài)，而與途徑無關(guān)。擴(kuò)展了Hess（蓋斯）定律的研究范圍，Hess（蓋斯）定律對(duì)此也是適用的?？梢赃@樣說，如果沒有Hess（蓋斯）定律，那么標(biāo)準(zhǔn)平衡常數(shù)就無從談起。

要善于發(fā)現(xiàn)前后內(nèi)容之間的關(guān)聯(lián)，善于發(fā)現(xiàn)在于勤于思考。所以教師不能僅是按部就班地教學(xué)，而是要對(duì)相關(guān)知識(shí)內(nèi)容進(jìn)行關(guān)聯(lián)、融合，引導(dǎo)學(xué)生拓寬思路，融會(huì)貫通;不能只局限于部分知識(shí)內(nèi)容的掌握，而是要注意多個(gè)知識(shí)點(diǎn)之間的聯(lián)系;要?dú)w納總結(jié)教學(xué)和實(shí)驗(yàn)過程中的經(jīng)驗(yàn)、心得，對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行整合，對(duì)各個(gè)知識(shí)點(diǎn)之間的聯(lián)系進(jìn)行總結(jié)研究，形成教學(xué)論文、教材、教案等形式，具體落實(shí)在課堂教學(xué)上，輔助并發(fā)展課堂教學(xué)。

（五）關(guān)注細(xì)節(jié)，深入思考——從不同角度看問題

從原子結(jié)構(gòu)到分子結(jié)構(gòu)這一部分內(nèi)容很抽象，理解空間構(gòu)型全憑想象。價(jià)鍵理論在解釋共價(jià)鍵的形成和分子空間構(gòu)型上并不是很圓滿，而雜化軌道理論對(duì)價(jià)鍵理論不能圓滿解釋的分子構(gòu)型進(jìn)行了合理的解釋。

二氧化碳分子的空間結(jié)構(gòu)是直線型，采用傳統(tǒng)的價(jià)鍵理論解釋不了二氧化碳為什么是直線型分子，雜化軌道理論先將中心碳原子最外層的四個(gè)電子 2s2 2p2 采用sp雜化的方式，形成兩個(gè)sp 雜化軌和兩個(gè)沒有參與雜化的 2p軌道，每個(gè)軌道中有1個(gè)電子，兩個(gè)sp 雜化軌道是以碳原子核為中心呈直線關(guān)系，另兩個(gè)2p軌道分別垂直于sp雜化軌道，并且 2個(gè)p軌道也互相垂直。氧原子用2p軌道及其上面的單電子與碳原子的雜化軌道和未雜化的軌道分別形成σ鍵和π鍵，碳原子周圍就有四條鍵：兩個(gè)σ鍵和兩個(gè)π鍵。那么為什么中心原子碳原子只采用sp 雜化，而不采用 sp2 或 sp3 方式雜化呢？

有關(guān)分子結(jié)構(gòu)，并非要用雜化軌道理論來解釋，基于傳統(tǒng)的價(jià)鍵理論加上相關(guān)知識(shí)也可以對(duì)有些分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的解釋，如水分子、氨分子的空間構(gòu)型。

水分子結(jié)構(gòu)可以采取傳統(tǒng)的價(jià)鍵理論進(jìn)行合理的解釋。中心氧原子最外層電子結(jié)構(gòu)：2s22p4，氫原子電子層結(jié)構(gòu)：1s1，形成分子時(shí)可以這樣解釋：每個(gè)氫原子的含1個(gè)電子的 1s 軌道分別與氧原子的含 1個(gè)電子的2p 軌道重相交重疊，形成1s-2p 型σ鍵，每個(gè)氫原子周圍都有 2個(gè)電子達(dá)到穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，氧原子周圍有兩對(duì)孤對(duì)電子，再加上與氫原子的共用電子對(duì)達(dá)到了周圍有8個(gè)電子的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。如果沒有其他力的作用，兩個(gè)1s - 2p 型σ鍵夾角為90°，但是在構(gòu)成水分子過程中，兩個(gè)1s-2p型σ鍵上的兩對(duì)電子會(huì)與來自氧原子2s2和2p2上的兩對(duì)孤對(duì)電子發(fā)生相互力的作用，導(dǎo)致鍵的角度發(fā)生變化，不再是 90°。

當(dāng)然對(duì)水分子來說，如果采用中心氧原子以 sp3 雜化的方式來解釋水分子的空間結(jié)構(gòu)會(huì)很難講得清楚，可是氧原子為什么是sp3 雜化的形式，而不是sp雜化或是 sp2 雜化的形式呢？

如果中心原子氧原子以sp2方式雜化，中心原子氧原子最外層電子結(jié)構(gòu)：2s2 2p4，采取sp2雜化方式時(shí)，形成三個(gè)sp2雜化軌道，其中一個(gè)sp2雜化軌道上有一對(duì)電子，另外兩個(gè)sp2 雜化軌道上各有一個(gè)單子電子，三個(gè)sp2 雜化軌道之間的夾角為120 °。此外，還有一個(gè)沒有參與雜化的 p 軌道垂直于三個(gè)sp2雜化軌道所在的平面上，此p 軌道上了有一對(duì)電子。在水分子形成過程中，兩個(gè)氫原子的1s1電子分別與氧原子的兩個(gè)sp2雜化軌道上的單電子形成兩個(gè)1s-sp2σ鍵，如果沒有其他外力作用，σ鍵夾角為 120°，但受分子中氧原子沒有成鍵但參與雜化的 sp2 雜化軌道上的一對(duì)電子以及沒有參與雜化的的 2p 軌道上的一對(duì)電子的影響，兩個(gè)1s-sp2σ鍵夾角一定會(huì)發(fā)生變化，不會(huì)保持 120°。

關(guān)于分子構(gòu)型并非必須利用雜化軌道理論才能解釋，傳統(tǒng)價(jià)鍵理論結(jié)合其他相關(guān)專業(yè)知識(shí)同樣可以解釋清楚。價(jià)鍵理論與雜化軌道理論之間并無一條嚴(yán)格的界線。

三、實(shí)施措施

研究性教學(xué)理念的應(yīng)用關(guān)鍵在于如何實(shí)施，讓學(xué)生接受研究性教學(xué)理念并從中受益，提高對(duì)問題的理解能力、分析能力、研究能力，提升個(gè)人專業(yè)素質(zhì)。具體措施如下。

第一，以微課的形式體現(xiàn)，針對(duì)一個(gè)知識(shí)點(diǎn)，展開深入、拓展研究并制作相應(yīng)的微課，形式短小精悍，內(nèi)容豐富凝練，有利于學(xué)生理解。深度研究知識(shí)內(nèi)容，挖掘、拓展，尋找更多的知識(shí)亮點(diǎn)，以微課形式體現(xiàn)，方便傳授知識(shí)與學(xué)生。

第二，以短視頻的形式體現(xiàn)，在自媒體時(shí)代，豐富的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)給我們充分的展示空間，對(duì)具有一定研究意義和一定深度的內(nèi)容以教師講解、板書配合，適當(dāng)動(dòng)畫、圖片等或其他各種能解釋清楚知識(shí)的方法以短視頻的形式展現(xiàn)出來，方便學(xué)生觀看并理解。

第三，以專題報(bào)告的形式引領(lǐng)方向，研究性教學(xué)理念本身也是一項(xiàng)研究內(nèi)容，聘請(qǐng)富有教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的名師做有關(guān)教學(xué)研究的專題報(bào)告，當(dāng)然面向的對(duì)象主要是教師。不同的報(bào)告人、不同的報(bào)告內(nèi)容，教學(xué)思想、方法、模式風(fēng)格迥異，聽報(bào)告者即教師一定會(huì)有所收益，并將這種收益轉(zhuǎn)化為培養(yǎng)學(xué)生的能量。

當(dāng)然，研究性教學(xué)理念的貫徹與實(shí)施的方式、方法沒有固定模式，教師須潛心研究教學(xué)內(nèi)容，找到與之適應(yīng)的教學(xué)方法，并引導(dǎo)學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容進(jìn)行深入研究，使之知其然，更要知其所以然。

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