案例式教學(xué)在結(jié)構(gòu)化學(xué)課程中的探索與應(yīng)用

胡晨光 蔡艷青 許瑩 陳興剛

摘? 要：針對在結(jié)構(gòu)化學(xué)課程學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不濃、積極性差，不能很好地理論聯(lián)系實(shí)際等問題，開展案例式教學(xué)有利于激發(fā)學(xué)生的興趣和求知欲，可將單一的知識結(jié)構(gòu)向多層次的知識網(wǎng)絡(luò)延伸，提高學(xué)生用理論解決實(shí)際問題的能力。在教學(xué)過程中，提出案例內(nèi)容和要求，根據(jù)課程內(nèi)容的重點(diǎn)難點(diǎn)，建立現(xiàn)代測試方法理論應(yīng)用的案例庫、材料性能與微觀結(jié)構(gòu)關(guān)系教學(xué)案例庫，通過將測試技術(shù)理論和前沿科研成果案例融入課程，利用學(xué)習(xí)通教學(xué)平臺對案例教學(xué)實(shí)施閉環(huán)管理，對學(xué)生進(jìn)行綜合評價(jià)，培養(yǎng)學(xué)生透過現(xiàn)象看本質(zhì)的科學(xué)素質(zhì)，提升學(xué)生應(yīng)用理論解釋實(shí)際現(xiàn)象的綜合素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：案例式教學(xué);結(jié)構(gòu)化學(xué);測試技術(shù);科研成果

中圖分類號：G642? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)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(jié)構(gòu)化學(xué)是從原子、分子的尺度研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)與物質(zhì)的物理、化學(xué)性質(zhì)之間關(guān)系的一門基礎(chǔ)學(xué)科。主要任務(wù)是使學(xué)生掌握微觀世界的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律，理解結(jié)構(gòu)與性能的相互關(guān)系，使學(xué)生能夠?qū)W會從微觀層次看問題，拓展思路，抓住問題的本質(zhì)，深刻理解“結(jié)構(gòu)決定物性”這一基本原理。然而，學(xué)生在結(jié)構(gòu)化學(xué)課程學(xué)習(xí)過程中，明顯存在學(xué)習(xí)興趣不濃、積極性差，不能很好地理論聯(lián)系實(shí)際等問題。在該課程中開展案例式教學(xué)，可將抽象的知識形象化，有利于激發(fā)學(xué)生的興趣和求知欲，擴(kuò)展學(xué)生的視野和知識面，把單一的知識結(jié)構(gòu)向多層次的知識網(wǎng)絡(luò)延伸，提高學(xué)生用理論解決實(shí)際問題的能力。結(jié)合我校材料專業(yè)本科教學(xué)的實(shí)際，建立現(xiàn)代測試方法理論應(yīng)用的案例庫、材料性能與微觀結(jié)構(gòu)關(guān)系教學(xué)案例庫，通過將測試技術(shù)理論和前沿科研成果案例融入課程，引導(dǎo)學(xué)生從例到理、以例證理，學(xué)會運(yùn)用掌握的規(guī)律和概念去解決實(shí)際問題，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新型人才的培育。

一、案例內(nèi)容組成與要求

案例教學(xué)法是由哈佛大學(xué)法學(xué)院郎代爾首創(chuàng)的[1]，是指把實(shí)際工作中出現(xiàn)的問題作為案例，交給學(xué)生進(jìn)行研究分析，從而培養(yǎng)學(xué)生的分析能力、判斷能力、解決問題能力及執(zhí)行能力的培訓(xùn)方法。針對結(jié)構(gòu)化學(xué)課程知識理論性強(qiáng)、難理解的特征，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中缺乏理論與實(shí)際聯(lián)系的特點(diǎn)，在結(jié)構(gòu)化學(xué)課程中開展案例式教學(xué)，是激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、加強(qiáng)學(xué)生對理論知識理解和掌握的有效方法。

結(jié)構(gòu)化學(xué)課程的案例與法學(xué)、管理學(xué)等教學(xué)案例不同，它主要是化學(xué)理論或原理在實(shí)際中應(yīng)用的案例，并且鑒于結(jié)構(gòu)化學(xué)內(nèi)容和學(xué)時(shí)的限制，在課堂中難以實(shí)現(xiàn)長學(xué)時(shí)的案例介紹和討論，從而對案例的內(nèi)容和實(shí)施時(shí)間提出了嚴(yán)格要求。因此要求每個(gè)案例的核心和要點(diǎn)與結(jié)構(gòu)化學(xué)內(nèi)容知識點(diǎn)緊密聯(lián)系和對接，并且要求案例短小精煉，案例介紹和討論時(shí)間不超過10 min。同時(shí)，對案例進(jìn)行規(guī)范系統(tǒng)化管理，其中案例主要包括三部分：案例內(nèi)容、案例使用說明書、案例PPT。案例內(nèi)容包括案例題目、引言、正文、結(jié)束語等;案例使用說明書包括課前準(zhǔn)備、適用對象、教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容及要點(diǎn)分析、教學(xué)安排、補(bǔ)充材料及其他;案例PPT主要根據(jù)案例主體制作成不大于5 min的PPT。

二、案例庫建立與設(shè)計(jì)

（一）圍繞重點(diǎn)難點(diǎn)，建立知識點(diǎn)框架

課程組首先提煉出“三理論、三結(jié)構(gòu)”課程的重點(diǎn)和難點(diǎn)，即掌握量子力學(xué)理論、化學(xué)鍵理論、點(diǎn)陣?yán)碚?學(xué)會用科學(xué)規(guī)范術(shù)語和物理量描述原子結(jié)構(gòu)、分子結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)構(gòu)[2]。然后，針對重點(diǎn)和難點(diǎn)內(nèi)容，建立知識點(diǎn)框架，主要分為七大知識模塊：量子力學(xué)基礎(chǔ)知識、原子的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)、共價(jià)鍵和雙原子分子的結(jié)構(gòu)化學(xué)、分子的對稱性、多原子分子的化學(xué)鍵、配位化合物的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)、晶體結(jié)構(gòu)和晶體的性質(zhì)[3]。針對知識點(diǎn)模塊提出學(xué)生相應(yīng)的能力培養(yǎng)目標(biāo)（見圖1），通過知識點(diǎn)模塊的學(xué)習(xí)，重點(diǎn)掌握微觀世界運(yùn)動(dòng)規(guī)律的量子力學(xué)主要基本假設(shè);學(xué)會用量子力學(xué)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(xué)鍵本質(zhì);初步了解分子對稱性及與物質(zhì)偶極矩、旋光性間的關(guān)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(zhì)的遞變規(guī)律和分子圖的應(yīng)用;初步理解用分子軌道理論解釋光譜化學(xué)序列及σ-π配合物的化學(xué)成鍵問題;掌握晶體結(jié)構(gòu)的點(diǎn)陣?yán)碚摵途w的宏觀對稱性，以及典型離子晶體結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)等知識，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生透過現(xiàn)象看本質(zhì)的科學(xué)素質(zhì)，建立微觀體系理論思維模式，提升學(xué)生應(yīng)用理論解釋實(shí)際現(xiàn)象的綜合科學(xué)素養(yǎng)。

（二）建立現(xiàn)代測試方法理論應(yīng)用的案例庫

結(jié)構(gòu)化學(xué)知識理論體系是先進(jìn)測試技術(shù)的基礎(chǔ)和依據(jù)，將先進(jìn)測試技術(shù)手段融入結(jié)構(gòu)化學(xué)的授課過程中，加強(qiáng)從應(yīng)用技術(shù)理論出發(fā)，培養(yǎng)學(xué)生理解和掌握微觀理論的能力。課程組結(jié)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(xué)內(nèi)容的實(shí)際，建立了現(xiàn)代測試方法理論應(yīng)用案例庫，其中包含10多個(gè)測試手段，并建立測試技術(shù)理論與結(jié)構(gòu)化學(xué)知識點(diǎn)的聯(lián)系。如隧道掃描顯微鏡與一維勢箱、隧道效應(yīng)建立的聯(lián)系，教學(xué)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(yīng)的概念，進(jìn)而講授一維、二維和三維勢箱的知識點(diǎn)，將理論放在實(shí)際應(yīng)用的層面講解，達(dá)到以例到理，經(jīng)過交叉思維的碰撞，找到知識規(guī)律，理解概念和物理意義。利用XRD案例，通過介紹特征X的產(chǎn)生、能級和子能級出現(xiàn)的原理，與結(jié)構(gòu)化學(xué)中能量量子化、能級簡并態(tài)、簡并度、量子數(shù)的概念和物理意義、中心勢場理論、自洽場理論等知識點(diǎn)建立聯(lián)系。同時(shí)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(shù)、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(nèi)容，介紹分子的振動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)能級。通過案例庫中知識點(diǎn)演繹，從單一的知識結(jié)構(gòu)走向多層次的知識網(wǎng)絡(luò)，受到舉一反三、觸類旁通的效果，進(jìn)而促進(jìn)學(xué)生理論與實(shí)際應(yīng)用關(guān)系的建立。

（三）建立材料性能與微觀結(jié)構(gòu)關(guān)系教學(xué)案例庫

結(jié)構(gòu)化學(xué)是研究原子在空間結(jié)合成分子或化學(xué)實(shí)體本質(zhì)問題的課程，是聯(lián)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(yùn)用科研反哺教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生從例到理，啟發(fā)學(xué)生以例證理，在提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的同時(shí)，讓學(xué)生認(rèn)識到學(xué)習(xí)理論知識的意義和目的。課程組教師結(jié)合自身和相關(guān)的科研成果，建立了無機(jī)非金屬材料、有機(jī)高分子材料、復(fù)合材料等方面的材料性能與微觀結(jié)構(gòu)關(guān)系的案例庫。針對結(jié)構(gòu)化學(xué)的不同內(nèi)容，開展相應(yīng)知識的案例式教學(xué)，例如：介紹“水化硅酸鈣（C-S-H）分子動(dòng)力學(xué)模擬研究案例”（見圖2），利用量子力學(xué)第一性原理，引出量子力學(xué)理論，使學(xué)生更好地理解相關(guān)概念和理論，如波函數(shù)、薛定諤方程、自洽場理論、密度泛函理論、徑向分布函數(shù)等知識點(diǎn)。講解“鹵代苯酚系列阻燃劑的量子化學(xué)研究教學(xué)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(jié)構(gòu)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(diǎn)對接，讓學(xué)生體會到微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性質(zhì)上的聯(lián)系，激發(fā)學(xué)生的求知欲，調(diào)動(dòng)學(xué)生開拓性和創(chuàng)新性的思維方式。

三、案例教學(xué)實(shí)踐與評價(jià)

根據(jù)結(jié)構(gòu)化學(xué)學(xué)時(shí)的要求，開展案例式教學(xué)應(yīng)嚴(yán)格控制課堂時(shí)間，每個(gè)案例在課上講授時(shí)間為5-10 min，絕大部分時(shí)間由學(xué)生在課下完成。整個(gè)案例教學(xué)過程分為：課前準(zhǔn)備、課前小組討論、課中PPT講解、課中學(xué)生解答、課下評價(jià)等部分。案例式教學(xué)主要利用超星學(xué)習(xí)通教學(xué)平臺，開展線上線下混合式教學(xué)，教師在上課前兩天將案例電子版上傳到學(xué)習(xí)通教學(xué)平臺，讓學(xué)生在課前完成案例的閱讀及相關(guān)理論、課外資料的查閱。同時(shí)，按已劃分的小組在教學(xué)平臺中進(jìn)行討論。課堂中由教師對案例進(jìn)行講解，并選擇學(xué)生代表回答問題。最后，教師在課下對線上討論及學(xué)生代表發(fā)言情況進(jìn)行評價(jià)和打分，該部分分?jǐn)?shù)納入平時(shí)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(xué)過程中，首先將該案例內(nèi)容和案例使用說明書放到平臺上，針對案例教學(xué)內(nèi)容及要點(diǎn)進(jìn)行分析，按照案例事件的演化邏輯圖（見圖3），要求學(xué)生在課下對原子熒光光譜類型、原子熒光光譜產(chǎn)生原理、熒光淬滅和熒光量子效率等方面進(jìn)行相關(guān)資料的查閱，然后，提出導(dǎo)入性問題，在教學(xué)平臺上進(jìn)行分組討論，每組學(xué)生最終應(yīng)給出相應(yīng)的答案。導(dǎo)入性問題是引導(dǎo)學(xué)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(chǎn)生作為基本邏輯，由淺入深，且一般是啟發(fā)性的發(fā)問，將學(xué)生帶入核心理論的觀察點(diǎn)。如：原子熒光光譜的產(chǎn)生？光譜的類型有哪些？核心是什么？通過本問題，希望學(xué)生學(xué)習(xí)原子熒光光譜的基本原理，了解原子熒光光譜的產(chǎn)生，原子熒光的類型有哪些，它們之間各有什么區(qū)別，分析熒光淬滅產(chǎn)生的機(jī)理，了解熒光量子效率公式的運(yùn)用。同時(shí)，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(xué)生對相關(guān)資料進(jìn)行查閱，這樣能調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性和主動(dòng)性，以上部分由學(xué)生在課下完成。由于該案例內(nèi)容與結(jié)構(gòu)化學(xué)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(diǎn)相關(guān)聯(lián)，因此教師在課堂PPT的講解中，要把案例的核心關(guān)鍵點(diǎn)與教學(xué)知識點(diǎn)的聯(lián)系講透，讓學(xué)生理解講解案例的實(shí)質(zhì)目的，使學(xué)生深刻認(rèn)識到理論知識在實(shí)際中的作用，該部分內(nèi)容的講授時(shí)間控制在5 min以內(nèi)。然后，選擇學(xué)生代表對課前小組討論所產(chǎn)生的觀點(diǎn)進(jìn)行發(fā)言，由其他組的學(xué)生進(jìn)行評價(jià)，教師做出總結(jié)，該部分時(shí)間控制在5 min以內(nèi)，保證案例講授時(shí)間控制在5～10 min。最后，教師根據(jù)線上學(xué)生討論的情況和課堂上學(xué)生代表發(fā)言的情況進(jìn)行評價(jià)打分，并將該部分分?jǐn)?shù)納入到平時(shí)成績中，以調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性和主動(dòng)性，提高學(xué)生的參與度，讓學(xué)生體會到用理論解決實(shí)際問題的樂趣。

例如，利用“拉曼光譜測試原理教學(xué)案例”的教學(xué)過程，建立分子振動(dòng)與拉曼光譜的關(guān)系規(guī)律圖（見圖4）。首先針對發(fā)現(xiàn)的問題：結(jié)構(gòu)化學(xué)理論性強(qiáng)，分子振動(dòng)理論難以理解，結(jié)合拉曼光譜雖廣泛應(yīng)用，但理論與實(shí)際結(jié)合不緊密，學(xué)生很難將相關(guān)知識聯(lián)系起來。同時(shí)了解分子振動(dòng)的應(yīng)用范圍，與分子振動(dòng)建立聯(lián)系。然后，讓學(xué)生探討分子對稱性振動(dòng)和非極性基團(tuán)振動(dòng)與分子極化率改變，及拉曼活性之間的變化規(guī)律和產(chǎn)生的影響因素，進(jìn)而引出次生問題：分子對稱性振動(dòng)后果？拉曼光譜的產(chǎn)生原理？通過問題追蹤，最終讓學(xué)生理解和掌握分子振動(dòng)知識點(diǎn)。與此同時(shí)，使學(xué)生對分子振動(dòng)應(yīng)用的邊情（紅外光譜）進(jìn)行了調(diào)研，以及吃透拉曼光譜產(chǎn)生原理的下情。經(jīng)過這一系列的學(xué)習(xí)過程，學(xué)生回答導(dǎo)入性問題，拉曼光譜產(chǎn)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(xué)解釋拉曼效應(yīng)？用量子力學(xué)解釋拉曼效應(yīng)的原理及圖示？而這些問題的解決要求學(xué)生在課下進(jìn)行。教師則重點(diǎn)介紹拉曼光譜產(chǎn)生原理與結(jié)構(gòu)化學(xué)中分子軌道理論的基本要點(diǎn)（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(guī)則;分子軌道理論處理雙原子分子結(jié)構(gòu)的一般過程和重要結(jié)論、分子振動(dòng)等知識點(diǎn)的關(guān)系，引導(dǎo)學(xué)生建立相應(yīng)知識網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而讓學(xué)生有的放矢，學(xué)以致用。

再如，結(jié)合科研實(shí)例，由于鋼渣的體積安定性差問題，造成其在建筑行業(yè)中的大規(guī)模應(yīng)用受到限制。通過將調(diào)質(zhì)組分加入到鋼渣中實(shí)施在線重構(gòu)，可顯著提高鋼渣的體積穩(wěn)定性，其中對于鋼渣在線重構(gòu)微觀結(jié)構(gòu)形成機(jī)理的研究尤為重要。因此利用分子動(dòng)力學(xué)模擬的方法研究鋼渣微觀結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律，將對其宏觀性能預(yù)測和機(jī)理分析具有指導(dǎo)作用。

分子動(dòng)力學(xué)模擬主要是依據(jù)統(tǒng)計(jì)力學(xué)的方法，借助計(jì)算機(jī)來研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的一種重要手段。主要過程：對于一個(gè)確定的粒子體系，在一定的初始條件下建立起每個(gè)粒子的牛頓運(yùn)動(dòng)方程并按照一定的時(shí)間步長求解，經(jīng)過若干次迭代之后，體系中的粒子趨于動(dòng)態(tài)穩(wěn)定，統(tǒng)計(jì)粒子的坐標(biāo)和運(yùn)動(dòng)軌跡，就可以得到體系的結(jié)構(gòu)信息以及熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)性質(zhì)。通過對分子動(dòng)力學(xué)基本原理進(jìn)行研究，引導(dǎo)學(xué)生深入了解掌握微觀世界的結(jié)構(gòu)和物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，理解結(jié)構(gòu)與性能的相互關(guān)系。從而，在講解“鋼渣重構(gòu)中的分子結(jié)構(gòu)變化研究教學(xué)案例”的過程中，讓學(xué)生在了解科研前沿的同時(shí)，有機(jī)地把量子力學(xué)理論、原子結(jié)構(gòu)、分子結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)構(gòu)等相關(guān)知識點(diǎn)聯(lián)系起來，加深了學(xué)生對理論的理解和對結(jié)構(gòu)化學(xué)整門課程的認(rèn)識，實(shí)現(xiàn)學(xué)生從宏觀世界進(jìn)入微觀世界的轉(zhuǎn)變，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的抽象思維和想象力，提高學(xué)生的創(chuàng)新意識和自我學(xué)習(xí)、自我思考問題的能力。

四、結(jié)束語

在結(jié)構(gòu)化學(xué)課程中開展案例式教學(xué)，要求每個(gè)案例的核心和要點(diǎn)與結(jié)構(gòu)化學(xué)內(nèi)容知識點(diǎn)緊密聯(lián)系和對接，并對案例內(nèi)容、案例使用說明書、案例PPT規(guī)范管理，在案例介紹和討論時(shí)間上不能超過10 min。根據(jù)結(jié)構(gòu)化學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，構(gòu)建了知識模塊和培養(yǎng)學(xué)生能力的目標(biāo)，建立了現(xiàn)代測試方法理論應(yīng)用的案例庫、材料性能與微觀結(jié)構(gòu)關(guān)系教學(xué)案例庫，通過案例庫中知識點(diǎn)演繹，把單一的知識結(jié)構(gòu)向多層次的知識網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)學(xué)生從宏觀世界進(jìn)入微觀世界的轉(zhuǎn)變，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的抽象思維和想象力，讓學(xué)生有的放矢。通過利用超星學(xué)習(xí)通教學(xué)平臺，將課前準(zhǔn)備、課前小組討論、課中PPT講解、課中學(xué)生解答、課下評價(jià)等部分有機(jī)聯(lián)系，實(shí)施線上線下閉環(huán)教學(xué)管理模式，實(shí)現(xiàn)對學(xué)生的綜合評價(jià)。

參考文獻(xiàn)：

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

[2]許瑩.材料專業(yè)研究生《結(jié)構(gòu)化學(xué)》課程的教學(xué)改革與實(shí)踐[J].河北理工大學(xué)學(xué)報(bào)（社會科學(xué)版），2011，11（3）：97-102.

[3]周公度，段連運(yùn).結(jié)構(gòu)化學(xué)基礎(chǔ)（第五版）[M].北京：北京大學(xué)出版社，2017.