和 玲賈欽相 段新華（西安交通大學(xué)理學(xué)院，西安710049）

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·教學(xué)研究與改革·

多方位教學(xué)方法探索與實踐
——西安交通大學(xué)少年大學(xué)生化學(xué)原理課程教學(xué)研究

和 玲*賈欽相 段新華
（西安交通大學(xué)理學(xué)院，西安710049）

摘要：針對少年班學(xué)生年齡及知識結(jié)構(gòu)特點，在化學(xué)原理課程的教學(xué)中，探討了啟發(fā)式教學(xué)、對比式教學(xué)、應(yīng)用實例式教學(xué)、討論式教學(xué)等多方位教學(xué)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(xué)生的學(xué)習(xí)方法、自學(xué)能力、運用知識的能力和科學(xué)思維與創(chuàng)新思維能力的教學(xué)方法。最后，介紹了實踐應(yīng)用效果。

關(guān)鍵詞：少年大學(xué)生；化學(xué)原理；多方位教學(xué)方法；教學(xué)實踐

西安交通大學(xué)是全國兩所招收少年大學(xué)生的學(xué)校之一。對于少年班化學(xué)教學(xué)，國內(nèi)外可借鑒的先例極少。因此，針對少年班學(xué)生在知識積累、年齡結(jié)構(gòu)、培養(yǎng)目標(biāo)等方面的特點，以及少年班學(xué)生實行“預(yù)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(xué)理論基礎(chǔ)課程。設(shè)計了集無機化學(xué)、分析化學(xué)、物理化學(xué)和有機化學(xué)于一體的三分冊綜合性化學(xué)課程，其中第一分冊為基礎(chǔ)化學(xué)（在3個不同的高中完成），第二分冊為化學(xué)原理（在大學(xué)部的兩個學(xué)期完成）［1］，第三分冊為有機化學(xué)（在大學(xué)部的第三學(xué)期完成）。

化學(xué)原理的理論教學(xué)共分為3篇，合計14章，概括了四大化學(xué)中的重要原理、基本知識、基本概念和基本理論。第一篇化學(xué)反應(yīng)原理，包括了熱力學(xué)基礎(chǔ)、化學(xué)平衡通論、水溶液中的平衡、化學(xué)動力學(xué)、電化學(xué)基礎(chǔ)；第二篇物質(zhì)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，包括了原子結(jié)構(gòu)、分子結(jié)構(gòu)、配合物結(jié)構(gòu)。第三篇分析化學(xué)基礎(chǔ)，包括了定量分析基礎(chǔ)、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(xué)內(nèi)容合理組合方面，達(dá)到有效地與高中化學(xué)銜接，做到了化學(xué)基礎(chǔ)知識與少年班能力培養(yǎng)要求的對應(yīng)，也將無機化學(xué)、分析化學(xué)、有機化學(xué)、物理化學(xué)內(nèi)容進行了合理有效的組合。

通過多年的教學(xué)實踐，為了使少年班學(xué)生在學(xué)習(xí)中充分體會到化學(xué)學(xué)習(xí)的樂趣，并激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，拓寬知識面，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力、創(chuàng)新思維能力、科學(xué)學(xué)習(xí)方法和良好的科學(xué)品德等，針對少年班這一階段的化學(xué)知識結(jié)構(gòu)層次，在化學(xué)原理課程教學(xué)中，嘗試應(yīng)用啟發(fā)式教學(xué)、對比式教學(xué)、應(yīng)用實例式教學(xué)、討論式教學(xué)等結(jié)合的多方位教學(xué)方法。

1 探索適合于少年班培養(yǎng)的多方位互動教學(xué)方法

1.1 啟發(fā)式教學(xué)方法

在化學(xué)原理課程中，利用啟發(fā)式教學(xué)引導(dǎo)學(xué)生盡快適應(yīng)大學(xué)學(xué)習(xí)環(huán)境，為后續(xù)專業(yè)學(xué)習(xí)打好基礎(chǔ)。對于一些新概念、新公式等有難度的環(huán)節(jié)，為了適應(yīng)年紀(jì)較小的少年班學(xué)生學(xué)習(xí)，防止學(xué)生失去學(xué)習(xí)興趣，教師在此處設(shè)置了重重懸念，啟發(fā)學(xué)生的思維，使得化學(xué)知識版塊變得脈絡(luò)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(yīng)，使得學(xué)生易于理解和掌握。與常規(guī)大學(xué)生教學(xué)中的啟發(fā)式教學(xué)方法相比［2，3］，更注重啟發(fā)與引導(dǎo)，發(fā)揮少年學(xué)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(xué)用于化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)與化學(xué)反應(yīng)的方向

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

首先，闡述化學(xué)熱力學(xué)是利用熱力學(xué)的方法和基本原理研究化學(xué)現(xiàn)象（化學(xué)反應(yīng)）的學(xué)科。然后提出，研究化學(xué)熱力學(xué)以及與之相關(guān)的內(nèi)容時，5個最重要的問題有待思考：

1）在一定的條件下，化學(xué)反應(yīng)是否能夠發(fā)生？

2）如果反應(yīng)能夠發(fā)生，能量變化如何（吸熱、放熱）？

3）如果反應(yīng)能夠進行，反應(yīng)的程度如何？

4）如果反應(yīng)能夠進行，反應(yīng)的速率如何？

5）化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)是什么（物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和性能的關(guān)系）？

并逐一通過啟發(fā)式講述和推導(dǎo)，闡述上述幾個問題。具體方法如下：

在介紹了熱力學(xué)第一定律之后，以“化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)如何？”把學(xué)生的思維轉(zhuǎn)移到反應(yīng)熱概念上來，引入化學(xué)反應(yīng)熱效應(yīng)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(xué)表達(dá)式：H=U+pV。

有了數(shù)學(xué)表達(dá)式，但焓用表達(dá)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(xué)反應(yīng)來講，始態(tài)為反應(yīng)物，終態(tài)為生成物，ΔH即為生成物和反應(yīng)物的焓差。這時拋出問題給學(xué)生，啟發(fā)和引導(dǎo)學(xué)生思考：1）在絕對焓值無法求得的情況下，如何計算化學(xué)反應(yīng)的焓變？2）如何比較不同化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)？首先討論問題2），以通俗比喻“比較高矮要站在同一個標(biāo)準(zhǔn)”引出標(biāo)準(zhǔn)摩爾焓變的概念，在此介紹熱力學(xué)標(biāo)準(zhǔn)態(tài)及熱化學(xué)方程式的書寫。在標(biāo)準(zhǔn)摩爾焓變的基礎(chǔ)上，討論“如何計算化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)”的問題，引出標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓的概念。然后可以介紹除了用標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓計算化學(xué)反應(yīng)熱效應(yīng)之外的其他幾種計算方法（蓋斯定律、標(biāo)準(zhǔn)摩爾燃燒焓等）。

化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)（焓）的計算環(huán)節(jié)結(jié)束后，回到本章開始提出的問題，反應(yīng)熱效應(yīng)的計算現(xiàn)在解決了，那么反應(yīng)的自發(fā)進行方向這一問題怎么解決？是決定于反應(yīng)熱嗎？舉出實驗事實，有些吸熱反應(yīng)也能自發(fā)進行，說明焓變是影響化學(xué)反應(yīng)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(xué)反應(yīng)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(xué)反應(yīng)的實例，指出“一個反應(yīng)的自發(fā)性與焓變、熵變、溫度三者都有關(guān)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(xué)反應(yīng)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(xué)生的思維，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

1.1.2 啟發(fā)式教學(xué)用于緩沖溶液

在酸堿平衡教學(xué)的環(huán)節(jié)中，緩沖溶液組成、計算和配制是重要內(nèi)容。在教學(xué)過程中，設(shè)置了對比式啟發(fā)的方法，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)。

首先闡述“一元弱酸弱堿的解離平衡與計算”，學(xué)生們?nèi)菀渍莆者@個環(huán)節(jié)。然后通過5個教學(xué)環(huán)節(jié)啟發(fā)學(xué)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(yīng)）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(yīng)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(dǎo)學(xué)生自己分析緩沖溶液的組成（給出實例）與酸度應(yīng)如何計算？5）如何配制緩沖溶液？

1.2 對比式教學(xué)方法

受新罕布什爾大學(xué)Chan和Bauer［6］基于學(xué)生成就感、學(xué)習(xí)態(tài)度、自我概念等的教學(xué)及考核研究結(jié)果的影響，為了使少年班學(xué)生不畏懼大學(xué)的學(xué)習(xí)且在學(xué)習(xí)中獲得成就感，在化學(xué)原理課程中，引導(dǎo)學(xué)生對一些章節(jié)的學(xué)習(xí)內(nèi)容進行對比，并找出共性。教師做了一些基礎(chǔ)教學(xué)內(nèi)容之外的PPT課件，引導(dǎo)學(xué)生對不同章節(jié)進行對比和歸納，達(dá)到有效記憶和規(guī)律性學(xué)習(xí)的目的。也讓學(xué)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(xué)生的學(xué)習(xí)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(zhì)子轉(zhuǎn)移，氧化還原平衡是電子轉(zhuǎn)移。分別從定義、半反應(yīng)、全反應(yīng)等方面進行對比總結(jié)，見表1。

1.3 應(yīng)用實例式教學(xué)方法

實例式教學(xué)是幫助學(xué)生提高化學(xué)學(xué)習(xí)興趣的有效手段，能幫助學(xué)生有效地將所學(xué)知識轉(zhuǎn)變?yōu)樽约旱哪芰退刭|(zhì)［7－9］。昆士蘭科技大學(xué)、莫道克大學(xué)、紐約市立大學(xué)幾位教師的近期研究顯示，學(xué)習(xí)的動力與高質(zhì)量的學(xué)習(xí)體驗是密切相關(guān)的［10］。由于少年班學(xué)生年齡偏小，為了激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動力，針對少年班學(xué)生的年齡特點，在教學(xué)中應(yīng)努力展示看似枯燥的化學(xué)原理與生活、社會的緊密聯(lián)系。對于普通的大學(xué)新生，理解力和化學(xué)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(xué)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(xué)生了解化學(xué)的魅力。因此，我們在教學(xué)中，利用有限的時間盡量提供一些案例，幫助學(xué)生加深對章節(jié)內(nèi)容的印象，并增強所學(xué)內(nèi)容與生活或科研的密切關(guān)系。利用實例教學(xué)方法提高學(xué)生的化學(xué)學(xué)習(xí)興趣，在每章結(jié)束后引入化學(xué)原理與趣味知識相結(jié)合的實例教學(xué)方式。每章講授結(jié)束之后，會有相關(guān)內(nèi)容對應(yīng)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(xué)、環(huán)境、材料、醫(yī)藥、生命等學(xué)科的學(xué)生起到積極的引導(dǎo)和啟發(fā)作用，例如化學(xué)熱力學(xué)基礎(chǔ)章節(jié)的實例見表2。

又如學(xué)完電化學(xué)基礎(chǔ)這一章內(nèi)容后，將學(xué)生們攜帶的電子產(chǎn)品中可能涉及到的電池（如蘋果手機電池）、學(xué)生們周邊隨處可以看到的與電化學(xué)有關(guān)的現(xiàn)象等進行總結(jié)歸納，并用課堂學(xué)到的內(nèi)容分析其中的電化學(xué)原理，如圖1所示。

表1 酸堿平衡與氧化還原平衡對比學(xué)習(xí)法實例

表2 化學(xué)熱力學(xué)基礎(chǔ)章節(jié)實例

1.4 討論式教學(xué)方法

少年班化學(xué)原理課程學(xué)時較少，如何引導(dǎo)學(xué)生有效地學(xué)習(xí)、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(xué)生的想象力，是我們在教學(xué)過程中探索的一個問題。實踐證明，簡短式的課堂討論教學(xué)是發(fā)揮學(xué)生想象力的一個很有效的教學(xué)方式。已有實踐證明，研究性的討論式教學(xué)有助于學(xué)生能力的發(fā)揮［11］。斯坦福大學(xué)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(xué)教育不僅強調(diào)科學(xué)是知識（science-as-knowledge），而且要遠(yuǎn)觀科學(xué)是實踐（science-aspractice），課堂討論應(yīng)給學(xué)生提供參與的機會，達(dá)到對話構(gòu)建知識的過程（dialogic knowledge-buildingprocesses）的目的。這里，給學(xué)生提供想象的空間是構(gòu)建知識的重要環(huán)節(jié)。因此，我們在學(xué)生具備了化學(xué)基礎(chǔ)知識的基礎(chǔ)上，引入討論式教學(xué)方式，強化少年班學(xué)生發(fā)散思維能力的拓展培養(yǎng)，建立化學(xué)教學(xué)中教與學(xué)互動促進的方式。為了拓展少年班學(xué)生的思維方式、進行探究式學(xué)習(xí)，在授課中結(jié)合基礎(chǔ)理論知識，教師提出與課程下一個環(huán)節(jié)有關(guān)的問題，學(xué)生踴躍回答給出可能的多種解決方法，教師進行總結(jié)，以提高學(xué)生科學(xué)思維與創(chuàng)新思維能力。

圖1 電化學(xué)基礎(chǔ)章節(jié)涉及到的實例

1.4.1 討論式教學(xué)方法用于原電池教學(xué)

在電化學(xué)基礎(chǔ)教學(xué)環(huán)節(jié)中，原電池的構(gòu)成、電極的種類以及電極電勢的產(chǎn)生和應(yīng)用是本章難點，也是重點內(nèi)容。為了提高教學(xué)效果，使學(xué)生充分體會所學(xué)內(nèi)容與生活或科研相關(guān)，在教學(xué)過程中設(shè)置了多處討論。學(xué)生回答各種可能的答案，然后教師總結(jié)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(nèi)。既有利于發(fā)揮學(xué)生的想象力，也有利于提高學(xué)生的積極性。

1）通過學(xué)生們熟知的銅鋅原電池的結(jié)構(gòu)和原理，引入化學(xué)原電池。提出討論問題：

①原電池的構(gòu)造是什么？

②如何構(gòu)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(xué)表述方法）？

④原電池可產(chǎn)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(chǎn)生的？

⑤為什么不同的電極具有不同的電勢？

2）在學(xué)生理解電極電勢產(chǎn)生原理的基礎(chǔ)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(yīng)進行的終點具有什么特征？

④電極電勢的大小與化學(xué)反應(yīng)程度是否有關(guān)？

1.4.2 QQ等通訊途徑討論式學(xué)習(xí)

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

例如：“老師好，我是少年班XXX同學(xué)，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(guān)。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(yīng)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(yīng)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(yuǎn)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(xué)生之間可以互相討論這些問題。

2 教學(xué)實踐應(yīng)用情況

2014年12月底，對少年班127名學(xué)生以及正常大學(xué)一年級70名學(xué)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?jǐn)?shù)統(tǒng)計分析顯示（表3），采用建立的多方位教學(xué)模式進行教學(xué)，少年班學(xué)生的成績優(yōu)于常規(guī)大學(xué)生成績。

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

參考文獻(xiàn)

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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(xué)少年班課程教學(xué)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