案例式教學在結構化學課程中的探索與應用

胡晨光 蔡艷青 許瑩 陳興剛

摘? 要：針對在結構化學課程學習過程中，學生學習興趣不濃、積極性差，不能很好地理論聯系實際等問題，開展案例式教學有利于激發學生的興趣和求知欲，可將單一的知識結構向多層次的知識網絡延伸，提高學生用理論解決實際問題的能力。在教學過程中，提出案例內容和要求，根據課程內容的重點難點，建立現代測試方法理論應用的案例庫、材料性能與微觀結構關系教學案例庫，通過將測試技術理論和前沿科研成果案例融入課程，利用學習通教學平臺對案例教學實施閉環管理，對學生進行綜合評價，培養學生透過現象看本質的科學素質，提升學生應用理論解釋實際現象的綜合素養。

關鍵詞：案例式教學;結構化學;測試技術;科研成果

中圖分類號：G642? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2022）03-0090-05

Abstract： Some problems exist in the learning process of Structural Chemistry： The learning interest of students is lack. The enthusiasm is poor and the theory can't connect with practice very well. The case teaching method is applied in teaching process， which will be beneficial to excite the interest and thirst for knowledge of students， and promote the extension of single the knowledge structure to the multilevel knowledge network， improving the ability of solving practical problems with theory. In the teaching process， the contents and requirements of case were put forward， and then on the basis of the emphasis and difficulty， the case bases of application of modern test method theory and the relationship between material properties and microstructure were established. By integrating the test technology theory and cutting-edge scientific research achievements into the curriculum， and using the learning platform to implement closed-loop management of case teaching， we conduct comprehensive evaluation on students， cultivate students' scientific quality of seeing the essence through phenomena， and improve students' comprehensive quality of explaining practical phenomena with theories.

Keywords： case teaching method; Structural Chemistry; testing technology; scientific research achievements

結構化學是從原子、分子的尺度研究物質結構及結構與物質的物理、化學性質之間關系的一門基礎學科。主要任務是使學生掌握微觀世界的結構和運動規律，理解結構與性能的相互關系，使學生能夠學會從微觀層次看問題，拓展思路，抓住問題的本質，深刻理解“結構決定物性”這一基本原理。然而，學生在結構化學課程學習過程中，明顯存在學習興趣不濃、積極性差，不能很好地理論聯系實際等問題。在該課程中開展案例式教學，可將抽象的知識形象化，有利于激發學生的興趣和求知欲，擴展學生的視野和知識面，把單一的知識結構向多層次的知識網絡延伸，提高學生用理論解決實際問題的能力。結合我校材料專業本科教學的實際，建立現代測試方法理論應用的案例庫、材料性能與微觀結構關系教學案例庫，通過將測試技術理論和前沿科研成果案例融入課程，引導學生從例到理、以例證理，學會運用掌握的規律和概念去解決實際問題，進而實現創新型人才的培育。

一、案例內容組成與要求

案例教學法是由哈佛大學法學院郎代爾首創的[1]，是指把實際工作中出現的問題作為案例，交給學生進行研究分析，從而培養學生的分析能力、判斷能力、解決問題能力及執行能力的培訓方法。針對結構化學課程知識理論性強、難理解的特征，學生在學習過程中缺乏理論與實際聯系的特點，在結構化學課程中開展案例式教學，是激發學生學習興趣、加強學生對理論知識理解和掌握的有效方法。

結構化學課程的案例與法學、管理學等教學案例不同，它主要是化學理論或原理在實際中應用的案例，并且鑒于結構化學內容和學時的限制，在課堂中難以實現長學時的案例介紹和討論，從而對案例的內容和實施時間提出了嚴格要求。因此要求每個案例的核心和要點與結構化學內容知識點緊密聯系和對接，并且要求案例短小精煉，案例介紹和討論時間不超過10 min。同時，對案例進行規范系統化管理，其中案例主要包括三部分：案例內容、案例使用說明書、案例PPT。案例內容包括案例題目、引言、正文、結束語等;案例使用說明書包括課前準備、適用對象、教學目標、教學內容及要點分析、教學安排、補充材料及其他;案例PPT主要根據案例主體制作成不大于5 min的PPT。

二、案例庫建立與設計

（一）圍繞重點難點，建立知識點框架

課程組首先提煉出“三理論、三結構”課程的重點和難點，即掌握量子力學理論、化學鍵理論、點陣理論;學會用科學規范術語和物理量描述原子結構、分子結構和晶體結構[2]。然后，針對重點和難點內容，建立知識點框架，主要分為七大知識模塊：量子力學基礎知識、原子的結構和性質、共價鍵和雙原子分子的結構化學、分子的對稱性、多原子分子的化學鍵、配位化合物的結構和性質、晶體結構和晶體的性質[3]。針對知識點模塊提出學生相應的能力培養目標（見圖1），通過知識點模塊的學習，重點掌握微觀世界運動規律的量子力學主要基本假設;學會用量子力學討論微觀體系的方法和步驟;掌握分子軌道理論的基本原理，深入理解化學鍵本質;初步了解分子對稱性及與物質偶極矩、旋光性間的關系;通過共軛分子的HMO法處理初步理解共軛分子同系物性質的遞變規律和分子圖的應用;初步理解用分子軌道理論解釋光譜化學序列及σ-π配合物的化學成鍵問題;掌握晶體結構的點陣理論和晶體的宏觀對稱性，以及典型離子晶體結構的特點等知識，進而培養學生透過現象看本質的科學素質，建立微觀體系理論思維模式，提升學生應用理論解釋實際現象的綜合科學素養。

（二）建立現代測試方法理論應用的案例庫

結構化學知識理論體系是先進測試技術的基礎和依據，將先進測試技術手段融入結構化學的授課過程中，加強從應用技術理論出發，培養學生理解和掌握微觀理論的能力。課程組結合隧道掃描鏡分析、X射線衍射分析（XRD）、紅外光譜分析、核磁共振分析、原子力顯微鏡分析等教學內容的實際，建立了現代測試方法理論應用案例庫，其中包含10多個測試手段，并建立測試技術理論與結構化學知識點的聯系。如隧道掃描顯微鏡與一維勢箱、隧道效應建立的聯系，教學過程中通過介紹隧道掃描顯微鏡的工作原理和用途，引出隧道效應的概念，進而講授一維、二維和三維勢箱的知識點，將理論放在實際應用的層面講解，達到以例到理，經過交叉思維的碰撞，找到知識規律，理解概念和物理意義。利用XRD案例，通過介紹特征X的產生、能級和子能級出現的原理，與結構化學中能量量子化、能級簡并態、簡并度、量子數的概念和物理意義、中心勢場理論、自洽場理論等知識點建立聯系。同時利用原子熒光光譜法（AFS）案例庫也可輔助XRD案例講解量子數、原子軌道等概念。通過講解紅外光譜、紫外可見光光度法等分析測試原理，引入分子光譜的內容，介紹分子的振動與轉動能級。通過案例庫中知識點演繹，從單一的知識結構走向多層次的知識網絡，受到舉一反三、觸類旁通的效果，進而促進學生理論與實際應用關系的建立。

（三）建立材料性能與微觀結構關系教學案例庫

結構化學是研究原子在空間結合成分子或化學實體本質問題的課程，是聯系材料微觀與宏觀的橋梁。利用科研前沿成果建立案例庫，運用科研反哺教學，引導學生從例到理，啟發學生以例證理，在提高學生學習興趣的同時，讓學生認識到學習理論知識的意義和目的。課程組教師結合自身和相關的科研成果，建立了無機非金屬材料、有機高分子材料、復合材料等方面的材料性能與微觀結構關系的案例庫。針對結構化學的不同內容，開展相應知識的案例式教學，例如：介紹“水化硅酸鈣（C-S-H）分子動力學模擬研究案例”（見圖2），利用量子力學第一性原理，引出量子力學理論，使學生更好地理解相關概念和理論，如波函數、薛定諤方程、自洽場理論、密度泛函理論、徑向分布函數等知識點。講解“鹵代苯酚系列阻燃劑的量子化學研究教學案例”，利用EHMO法（Extend Huekel Molecular -arorbit）分析和討論鹵代苯酚、鹵代間甲苯酚以及其聚合物的分子結構對阻燃效果的影響等方面，與分子軌道、成鍵和反鍵軌道、鍵級、休克爾分子軌道、前線軌道理論等知識點對接，讓學生體會到微觀結構與宏觀性質上的聯系，激發學生的求知欲，調動學生開拓性和創新性的思維方式。

三、案例教學實踐與評價

根據結構化學學時的要求，開展案例式教學應嚴格控制課堂時間，每個案例在課上講授時間為5-10 min，絕大部分時間由學生在課下完成。整個案例教學過程分為：課前準備、課前小組討論、課中PPT講解、課中學生解答、課下評價等部分。案例式教學主要利用超星學習通教學平臺，開展線上線下混合式教學，教師在上課前兩天將案例電子版上傳到學習通教學平臺，讓學生在課前完成案例的閱讀及相關理論、課外資料的查閱。同時，按已劃分的小組在教學平臺中進行討論。課堂中由教師對案例進行講解，并選擇學生代表回答問題。最后，教師在課下對線上討論及學生代表發言情況進行評價和打分，該部分分數納入平時成績的30%。

例如，在開展“原子熒光光譜法測試原理案例”的教學過程中，首先將該案例內容和案例使用說明書放到平臺上，針對案例教學內容及要點進行分析，按照案例事件的演化邏輯圖（見圖3），要求學生在課下對原子熒光光譜類型、原子熒光光譜產生原理、熒光淬滅和熒光量子效率等方面進行相關資料的查閱，然后，提出導入性問題，在教學平臺上進行分組討論，每組學生最終應給出相應的答案。導入性問題是引導學生深入思考分析全過程的工具，要遵循將原子熒光光譜的產生作為基本邏輯，由淺入深，且一般是啟發性的發問，將學生帶入核心理論的觀察點。如：原子熒光光譜的產生？光譜的類型有哪些？核心是什么？通過本問題，希望學生學習原子熒光光譜的基本原理，了解原子熒光光譜的產生，原子熒光的類型有哪些，它們之間各有什么區別，分析熒光淬滅產生的機理，了解熒光量子效率公式的運用。同時，提出探討性問題，敏化熒光、熒光猝滅、量子效率、電子躍遷的概念是什么？這些問題都需要學生對相關資料進行查閱，這樣能調動學生的積極性和主動性，以上部分由學生在課下完成。由于該案例內容與結構化學中量子化、能級、原子軌道、分子軌道、成鍵軌道、反鍵軌道、非鍵軌道等知識點相關聯，因此教師在課堂PPT的講解中，要把案例的核心關鍵點與教學知識點的聯系講透，讓學生理解講解案例的實質目的，使學生深刻認識到理論知識在實際中的作用，該部分內容的講授時間控制在5 min以內。然后，選擇學生代表對課前小組討論所產生的觀點進行發言，由其他組的學生進行評價，教師做出總結，該部分時間控制在5 min以內，保證案例講授時間控制在5～10 min。最后，教師根據線上學生討論的情況和課堂上學生代表發言的情況進行評價打分，并將該部分分數納入到平時成績中，以調動學生的積極性和主動性，提高學生的參與度，讓學生體會到用理論解決實際問題的樂趣。

例如，利用“拉曼光譜測試原理教學案例”的教學過程，建立分子振動與拉曼光譜的關系規律圖（見圖4）。首先針對發現的問題：結構化學理論性強，分子振動理論難以理解，結合拉曼光譜雖廣泛應用，但理論與實際結合不緊密，學生很難將相關知識聯系起來。同時了解分子振動的應用范圍，與分子振動建立聯系。然后，讓學生探討分子對稱性振動和非極性基團振動與分子極化率改變，及拉曼活性之間的變化規律和產生的影響因素，進而引出次生問題：分子對稱性振動后果？拉曼光譜的產生原理？通過問題追蹤，最終讓學生理解和掌握分子振動知識點。與此同時，使學生對分子振動應用的邊情（紅外光譜）進行了調研，以及吃透拉曼光譜產生原理的下情。經過這一系列的學習過程，學生回答導入性問題，拉曼光譜產生的原理是什么？核心問題是什么？探討性問題：如何用量子力學解釋拉曼效應？用量子力學解釋拉曼效應的原理及圖示？而這些問題的解決要求學生在課下進行。教師則重點介紹拉曼光譜產生原理與結構化學中分子軌道理論的基本要點（單電子近似，LCAO-MO方法，成鍵三原則）;分子軌道的類型，符號能級次序及電子的排布規則;分子軌道理論處理雙原子分子結構的一般過程和重要結論、分子振動等知識點的關系，引導學生建立相應知識網絡，進而讓學生有的放矢，學以致用。

再如，結合科研實例，由于鋼渣的體積安定性差問題，造成其在建筑行業中的大規模應用受到限制。通過將調質組分加入到鋼渣中實施在線重構，可顯著提高鋼渣的體積穩定性，其中對于鋼渣在線重構微觀結構形成機理的研究尤為重要。因此利用分子動力學模擬的方法研究鋼渣微觀結構的變化規律，將對其宏觀性能預測和機理分析具有指導作用。

分子動力學模擬主要是依據統計力學的方法，借助計算機來研究物質結構和性質的一種重要手段。主要過程：對于一個確定的粒子體系，在一定的初始條件下建立起每個粒子的牛頓運動方程并按照一定的時間步長求解，經過若干次迭代之后，體系中的粒子趨于動態穩定，統計粒子的坐標和運動軌跡，就可以得到體系的結構信息以及熱力學和動力學性質。通過對分子動力學基本原理進行研究，引導學生深入了解掌握微觀世界的結構和物質的運動規律，理解結構與性能的相互關系。從而，在講解“鋼渣重構中的分子結構變化研究教學案例”的過程中，讓學生在了解科研前沿的同時，有機地把量子力學理論、原子結構、分子結構和晶體結構等相關知識點聯系起來，加深了學生對理論的理解和對結構化學整門課程的認識，實現學生從宏觀世界進入微觀世界的轉變，充分調動學生的抽象思維和想象力，提高學生的創新意識和自我學習、自我思考問題的能力。

四、結束語

在結構化學課程中開展案例式教學，要求每個案例的核心和要點與結構化學內容知識點緊密聯系和對接，并對案例內容、案例使用說明書、案例PPT規范管理，在案例介紹和討論時間上不能超過10 min。根據結構化學的重點和難點，構建了知識模塊和培養學生能力的目標，建立了現代測試方法理論應用的案例庫、材料性能與微觀結構關系教學案例庫，通過案例庫中知識點演繹，把單一的知識結構向多層次的知識網絡轉化，實現學生從宏觀世界進入微觀世界的轉變，充分調動學生的抽象思維和想象力，讓學生有的放矢。通過利用超星學習通教學平臺，將課前準備、課前小組討論、課中PPT講解、課中學生解答、課下評價等部分有機聯系，實施線上線下閉環教學管理模式，實現對學生的綜合評價。

參考文獻：

[1]楊明慧.“大地構造學”案例教學的探索與實踐[J].科技文匯，2019（459）：89-90.

[2]許瑩.材料專業研究生《結構化學》課程的教學改革與實踐[J].河北理工大學學報（社會科學版），2011，11（3）：97-102.

[3]周公度，段連運.結構化學基礎（第五版）[M].北京：北京大學出版社，2017.