研究性教学理念在基础理论课程教学中的应用

马成有 赵新运 时艳香

摘    要：研究性教学主要体现在两个方面：一是对教学内容的研究;二是对教学方法、教学模式的研究，核心内容是对教学内容的研究。文章将研究性教学理念贯彻于教学过程中，引导学生对具体教学内容深入研究，以期提高学生对知识掌握的深度与广度，达成或超越学习目标。

关键词：研究性教学理念;教学方法;教学模式

中图分类号：G642.0          文献标识码：A          文章编号：1002-4107（2021）10-0031-03

一、前言

对于理工类的大学生来说，数学、物理和化学等基础理论课程是必修的，其重要性不言而喻。那么如何才能学好这些基础理论课程呢？

2005年1月7日，教育部印发《关于进一步加强高等学校本科教学工作的若干意见》，其中提出积极推动研究性教学，提高大学生的创新能力，为我国高校课堂教学改革提供了思路并指明了方向。教师以培养学生的研究意识、研究能力和创新能力为目标，通过对具体知识内容及教学过程的研究，引导学生对知识深入理解，从而让学生掌握知识，培养他们的研究和创新能力[1]。

研究性教学在全国高等教育界十分流行，那么什么是研究性教学呢？有人说研究性教学就是加重教学研究的份量;有人说研究性教学就是教会学生45分钟之外的自主探索式学习;也有人说研究性教学就是培养具有创新思维的学生;还有人说研究性教学就是科研与教学有机结合，将最前沿的科研动态引入教学内容。

其实无论是什么样的教学都只有一种：教与学。研究性教学应该包括对具体教学内容的研究以及对教学模式、教学方法的研究，核心内容是对具体教学内容的研究。研究是手段、策略，是对知识内容的深刻领悟及其拓展应用。研究性教学的目标，首要的就是教会学生理解掌握所学知识内容，并能灵活运用所学知识解释、提出、分析、解决实际问题，以及在所学知识内容基础之上有所拓展、延伸、举一反三。教学内容与教学模式、方法浑然天成、水乳交融，才能实现最理想的教学效果[2-4]。

以“无机化学”为例，探讨研究性教学理念在课程教学过程中的应用，将研究性教学理念贯穿其中，提高对知识掌握的深度与广度，开拓视野，开阔思维，对达成或超越学习目标很有意义。

二、研究性教学的内涵

（一）提纲挈领——把握课程整体脉络

“无机化学”课程主要由化学热力学、化学动力学、化学平衡、原子结构、化学键与分子结构、分散系气体和溶液等基础理论部分和酸碱反应、沉淀反应、氧化还原反应、配位反应四大类型的化学反应等应用部分组成。

原子结构和化学键与分子结构属于相对独立的知识体系，与其他方面的知识体系并无直接关系。原子结构这一部分主要从原子的构成、原子的核外电子排布以及原子半径、电离能、电子亲合能、电负性、氧化数等指标体系了解原子。化学键与分子结构这一部分以原子结构为基础，讲述原子如何构成分子，以及分子的构型如何，也涉及到离子键的形成和離子晶体的构型、共价健的形成和特点，其中杂化轨道理论和分子轨道理论是主要研究内容。

四大类型的化学反应与化学热力学、动力学、化学平衡等相关知识密切相关。根据热力学知识可以判断化学反应能否发生，根据动力学知识可以求解化学反应速率及相关常数，如反应级数、速率常数和活化能等。根据平衡常数可以判断化学反应进行的程度。

任何一门课程内容的构成，在编者动笔之前，心里就应该有了大致的结构体系。从使用者角度，学习本门课程之前，一定是先了解课程的整体脉络体系、知识结构，做到心中有数、步步为营。

对课程整体知识脉络的把握，要求教师不只是对具体知识点理解、掌握，更是要从全局上对知识的理解与掌控，做足知识储备，只有这样才可以实现研究性教学理念的实践与推广，实现对具体知识内容的研究，对相关知识内容在深度与广度上进行拓展。

（二）掌握核心，抓住主线——对课程核心内容的理解

纵览课程的总体脉络结构，一定要找出课程的核心内容。当然，这需要对课程整体知识有一定基础了解之后才可以做到。

以“无机化学”为例，不论四大类型化学反应中的何种类型，都有其对应的标准平衡常数，酸碱反应的平衡常数为KaΘ或KbΘ;沉淀反应的平衡常数为KspΘ;配位反应的平衡常数有标准平衡常数KfΘ和条件平衡常数Kf';氧化还原反应平衡常数KΘ与电极电势φ密切相关，而电动势有条件电极电势φΘ'和标准电极电势φΘ ，那么平衡常数的本质是什么呢？

在化学反应平衡一章内容当中有化学反应等温式：

所以说化学反应的标准平衡常数是定义的，但是定义后的标准平衡常数表示的是一个确定的化学反应在标准状态下，一定温度条件下所能达到的平衡状态，是一个确定的化学反应本身该有的一个物理指标[5]。

化学反应标准平衡常数在有关化学反应进度、物质量的计算过程中起着重要的作用，是各类化学反应的一条主线。在化学分析当中，不论是酸碱滴定、沉淀滴定及配位滴定，还是氧化还原滴定、化学计量点以及计量点前后±0.1%误差时，理论计算的基础都是基于化学反应标准平衡常数和条件平衡常数。所以深刻理解并掌握章节的核心内容，抓住主线，对于相关内容的学习会起到事半功倍的效果。

（三）夯实基础，揭示本质——对课程关键知识点的探讨与挖掘

在化学热力学内容当中，Hess（盖斯）定律是最基础的定律，它是热力学第一定律的特殊形式，是热力学第一定律在化学反应当中的应用。Hess（盖斯）定律将状态函数内能的变化量与功和热这两个非状态函数联系在一起，实现完美对接，能计算、分析化学反应过程中体系与环境因功和热交换而引起研究对象体系内能的变化量等问题。Hess（盖斯）定律最实际的应用就是通过化学反应的偶联可以改变化学反应的方向，使不可能正向发生的化学反应正向发生或是阻止某些化学反应的发生，利用偶联反应，可以有效控制化学反应的方向。说得更直接一些就是化学反应相加减，得出新的化学反应，那么对应的状态函数相加减就得出新状态函数的值，根据新值的大小确定化学热量的吸收或放出多少，确定化学反应的方向和化学反应进行到什么程度。

Hess（盖斯）定律其实就是热力学第一定律在特定条件下的化学反应所遵循的规律。特定条件主要有两个方面：一就是定容;二就是定压。定容条件下，体系从环境吸收热量或向环境放出热量称为定容热，即Q，因为此种条件下Qv=△U化学反应体系体积没有变化，△V=0，所以体系对环境做功或环境对体系做功都为零，根据热力学第一定律此种条件下，即体系内能的变化在数值上等于定容热。定压条件下，体系从环境吸收热量或向环境放出热量称为定压热，即QP，此种条件下化学反应体系体积可能有所变化，即△V≠0，所以体系对环境做功或环境对体系做功不为零，根据热力学第一定律及焓的定义得：Qp=△H。

定压热在数值上等于体系内能的变化Qp=△H，定容热在数值上等于体系的焓变Qv=△U。不论是Qv还是Qp都是非状态函数，而△U、△H为状态函数，状态函数是描述体系热力学状态的物理量，其特征就是体系状态发生变化时，状态函数的变化只取决于体系的起始状态和最终状态，而与变化途径无关。所以就可以有这样的结论：在化学反应体系当中，定容条件下的热效应和定压条件下的热效应只决定于始态和终态，而与途径无关。这個结论和Hess（盖斯）定律所表达的意思是一致的。

如果学生和教师在状态函数（p 、V、n、T、△U、△H、△S、△G）和非状态函数（W、Q）的教与学的过程中深刻理解△U、△H的意义，真正掌握状态函数的特征，自己总结分析就可以得出和Hess（盖斯）定律一样的规律结论。所以深刻理解掌握基本概念、基础理论很重要，再高深的理论也离不开最本质、最基础的东西。

（四）前后联系，有机结合——善于发现内在关联

再次提到化学反应平衡常数，标准平衡常数和条件平衡常数是贯穿于无机化学和分析化学当中的一个主线，也是核心内容。那么化学反应标准平衡常数KΘ（T）与Hess（盖斯）定律有什么关系吗？

Hess（盖斯）定律解决了化学反应体系热效应的计算问题，将非状态函数的问题转化为状态函数。

化学反应的标准平衡常数KΘ（T）与其对应的标准摩尔吉布斯自由能变△rGmΘ（T）有着直接的关系，即：

化学反应的吉布斯自由能变△G与焓变△H一样，同样是通过定义而来，并且是确定的状态函数。标准状态下化学反应的摩尔吉布斯自由能变：

既然化学反应的标准摩尔吉布斯自由能变△rGmΘ（T）是状态函数，所以△rGmΘ（T）也只决定于化学反应体系的始态和终态，而与途径无关。扩展了Hess（盖斯）定律的研究范围，Hess（盖斯）定律对此也是适用的。可以这样说，如果没有Hess（盖斯）定律，那么标准平衡常数就无从谈起。

要善于发现前后内容之间的关联，善于发现在于勤于思考。所以教师不能仅是按部就班地教学，而是要对相关知识内容进行关联、融合，引导学生拓宽思路，融会贯通;不能只局限于部分知识内容的掌握，而是要注意多个知识点之间的联系;要归纳总结教学和实验过程中的经验、心得，对教学内容进行整合，对各个知识点之间的联系进行总结研究，形成教学论文、教材、教案等形式，具体落实在课堂教学上，辅助并发展课堂教学。

（五）关注细节，深入思考——从不同角度看问题

从原子结构到分子结构这一部分内容很抽象，理解空间构型全凭想象。价键理论在解释共价键的形成和分子空间构型上并不是很圆满，而杂化轨道理论对价键理论不能圆满解释的分子构型进行了合理的解释。

二氧化碳分子的空间结构是直线型，采用传统的价键理论解释不了二氧化碳为什么是直线型分子，杂化轨道理论先将中心碳原子最外层的四个电子 2s2 2p2 采用sp杂化的方式，形成两个sp 杂化轨和两个没有参与杂化的 2p轨道，每个轨道中有1个电子，两个sp 杂化轨道是以碳原子核为中心呈直线关系，另两个2p轨道分别垂直于sp杂化轨道，并且 2个p轨道也互相垂直。氧原子用2p轨道及其上面的单电子与碳原子的杂化轨道和未杂化的轨道分别形成σ键和π键，碳原子周围就有四条键：两个σ键和两个π键。那么为什么中心原子碳原子只采用sp 杂化，而不采用 sp2 或 sp3 方式杂化呢？

有关分子结构，并非要用杂化轨道理论来解释，基于传统的价键理论加上相关知识也可以对有些分子结构进行合理的解释，如水分子、氨分子的空间构型。

水分子结构可以采取传统的价键理论进行合理的解释。中心氧原子最外层电子结构：2s22p4，氢原子电子层结构：1s1，形成分子时可以这样解释：每个氢原子的含1个电子的 1s 轨道分别与氧原子的含 1个电子的2p 轨道重相交重叠，形成1s-2p 型σ键，每个氢原子周围都有 2个电子达到稳定结构，氧原子周围有两对孤对电子，再加上与氢原子的共用电子对达到了周围有8个电子的稳定结构。如果没有其他力的作用，两个1s - 2p 型σ键夹角为90°，但是在构成水分子过程中，两个1s-2p型σ键上的两对电子会与来自氧原子2s2和2p2上的两对孤对电子发生相互力的作用，导致键的角度发生变化，不再是 90°。

当然对水分子来说，如果采用中心氧原子以 sp3 杂化的方式来解释水分子的空间结构会很难讲得清楚，可是氧原子为什么是sp3 杂化的形式，而不是sp杂化或是 sp2 杂化的形式呢？

如果中心原子氧原子以sp2方式杂化，中心原子氧原子最外层电子结构：2s2 2p4，采取sp2杂化方式时，形成三个sp2杂化轨道，其中一个sp2杂化轨道上有一对电子，另外两个sp2 杂化轨道上各有一个单子电子，三个sp2 杂化轨道之间的夹角为120 °。此外，还有一个没有参与杂化的 p 轨道垂直于三个sp2杂化轨道所在的平面上，此p 轨道上了有一对电子。在水分子形成过程中，两个氢原子的1s1电子分别与氧原子的两个sp2杂化轨道上的单电子形成两个1s-sp2σ键，如果没有其他外力作用，σ键夹角为 120°，但受分子中氧原子没有成键但参与杂化的 sp2 杂化轨道上的一对电子以及没有参与杂化的的 2p 轨道上的一对电子的影响，两个1s-sp2σ键夹角一定会发生变化，不会保持 120°。

关于分子构型并非必须利用杂化轨道理论才能解释，传统价键理论结合其他相关专业知识同样可以解释清楚。价键理论与杂化轨道理论之间并无一条严格的界线。

三、实施措施

研究性教学理念的应用关键在于如何实施，让学生接受研究性教学理念并从中受益，提高对问题的理解能力、分析能力、研究能力，提升个人专业素质。具体措施如下。

第一，以微课的形式体现，针对一个知识点，展开深入、拓展研究并制作相应的微课，形式短小精悍，内容丰富凝练，有利于学生理解。深度研究知识内容，挖掘、拓展，寻找更多的知识亮点，以微课形式体现，方便传授知识与学生。

第二，以短视频的形式体现，在自媒体时代，丰富的网络平台给我们充分的展示空间，对具有一定研究意义和一定深度的内容以教师讲解、板书配合，适当动画、图片等或其他各种能解释清楚知识的方法以短视频的形式展现出来，方便学生观看并理解。

第三，以专题报告的形式引领方向，研究性教学理念本身也是一项研究内容，聘请富有教学经验的名师做有关教学研究的专题报告，当然面向的对象主要是教师。不同的报告人、不同的报告内容，教学思想、方法、模式风格迥异，听报告者即教师一定会有所收益，并将这种收益转化为培养学生的能量。

当然，研究性教学理念的贯彻与实施的方式、方法没有固定模式，教师须潜心研究教学内容，找到与之适应的教学方法，并引导学生对学习内容进行深入研究，使之知其然，更要知其所以然。

参考文献：

[1]中华人们共和国教育部.关于进一步加强高等学校本科教学工作的若干意见[Z].教高（2005）1号.

[2]张明星.论基于研究性学习理念的“研究性教学”[J].四川教育学院学报，2003（12）.

[3]刘智运.论高校研究性教学与研究性学习的关系[J].中国大学教学，2006（2）.

[4]王金发.探索研究性教学——用心授课[J].中国高等教育，2004（9）.

[5]赵士铎.普通化学（第2版）[M].北京：中国农业大学出版社，2003：35-73.

[责任编辑  宋    宇]