案例式教学在结构化学课程中的探索与应用

胡晨光 蔡艳青 许莹 陈兴刚

摘  要：针对在结构化学课程学习过程中，学生学习兴趣不浓、积极性差，不能很好地理论联系实际等问题，开展案例式教学有利于激发学生的兴趣和求知欲，可将单一的知识结构向多层次的知识网络延伸，提高学生用理论解决实际问题的能力。在教学过程中，提出案例内容和要求，根据课程内容的重点难点，建立现代测试方法理论应用的案例库、材料性能与微观结构关系教学案例库，通过将测试技术理论和前沿科研成果案例融入课程，利用学习通教学平台对案例教学实施闭环管理，对学生进行综合评价，培养学生透过现象看本质的科学素质，提升学生应用理论解释实际现象的综合素养。

关键词：案例式教学;结构化学;测试技术;科研成果

中图分类号：G642       文献标志码：A          文章编号：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

結构化学是从原子、分子的尺度研究物质结构及结构与物质的物理、化学性质之间关系的一门基础学科。主要任务是使学生掌握微观世界的结构和运动规律，理解结构与性能的相互关系，使学生能够学会从微观层次看问题，拓展思路，抓住问题的本质，深刻理解“结构决定物性”这一基本原理。然而，学生在结构化学课程学习过程中，明显存在学习兴趣不浓、积极性差，不能很好地理论联系实际等问题。在该课程中开展案例式教学，可将抽象的知识形象化，有利于激发学生的兴趣和求知欲，扩展学生的视野和知识面，把单一的知识结构向多层次的知识网络延伸，提高学生用理论解决实际问题的能力。结合我校材料专业本科教学的实际，建立现代测试方法理论应用的案例库、材料性能与微观结构关系教学案例库，通过将测试技术理论和前沿科研成果案例融入课程，引导学生从例到理、以例证理，学会运用掌握的规律和概念去解决实际问题，进而实现创新型人才的培育。

一、案例内容组成与要求

案例教学法是由哈佛大学法学院郎代尔首创的[1]，是指把实际工作中出现的问题作为案例，交给学生进行研究分析，从而培养学生的分析能力、判断能力、解决问题能力及执行能力的培训方法。针对结构化学课程知识理论性强、难理解的特征，学生在学习过程中缺乏理论与实际联系的特点，在结构化学课程中开展案例式教学，是激发学生学习兴趣、加强学生对理论知识理解和掌握的有效方法。

结构化学课程的案例与法学、管理学等教学案例不同，它主要是化学理论或原理在实际中应用的案例，并且鉴于结构化学内容和学时的限制，在课堂中难以实现长学时的案例介绍和讨论，从而对案例的内容和实施时间提出了严格要求。因此要求每个案例的核心和要点与结构化学内容知识点紧密联系和对接，并且要求案例短小精炼，案例介绍和讨论时间不超过10 min。同时，对案例进行规范系统化管理，其中案例主要包括三部分：案例内容、案例使用说明书、案例PPT。案例内容包括案例题目、引言、正文、结束语等;案例使用说明书包括课前准备、适用对象、教学目标、教学内容及要点分析、教学安排、补充材料及其他;案例PPT主要根据案例主体制作成不大于5 min的PPT。

二、案例库建立与设计

（一）围绕重点难点，建立知识点框架

课程组首先提炼出“三理论、三结构”课程的重点和难点，即掌握量子力学理论、化学键理论、点阵理论;学会用科学规范术语和物理量描述原子结构、分子结构和晶体结构[2]。然后，针对重点和难点内容，建立知识点框架，主要分为七大知识模块：量子力学基础知识、原子的结构和性质、共价键和双原子分子的结构化学、分子的对称性、多原子分子的化学键、配位化合物的结构和性质、晶体结构和晶体的性质[3]。针对知识点模块提出学生相应的能力培养目标（见图1），通过知识点模块的学习，重点掌握微观世界运动规律的量子力学主要基本假设;学会用量子力学讨论微观体系的方法和步骤;掌握分子轨道理论的基本原理，深入理解化学键本质;初步了解分子对称性及与物质偶极矩、旋光性间的关系;通过共轭分子的HMO法处理初步理解共轭分子同系物性质的递变规律和分子图的应用;初步理解用分子轨道理论解释光谱化学序列及σ-π配合物的化学成键问题;掌握晶体结构的点阵理论和晶体的宏观对称性，以及典型离子晶体结构的特点等知识，进而培养学生透过现象看本质的科学素质，建立微观体系理论思维模式，提升学生应用理论解释实际现象的综合科学素养。

（二）建立现代测试方法理论应用的案例库

结构化学知识理论体系是先进测试技术的基础和依据，将先进测试技术手段融入结构化学的授课过程中，加强从应用技术理论出发，培养学生理解和掌握微观理论的能力。课程组结合隧道扫描镜分析、X射线衍射分析（XRD）、红外光谱分析、核磁共振分析、原子力显微镜分析等教学内容的实际，建立了现代测试方法理论应用案例库，其中包含10多个测试手段，并建立测试技术理论与结构化学知识点的联系。如隧道扫描显微镜与一维势箱、隧道效应建立的联系，教学过程中通过介绍隧道扫描显微镜的工作原理和用途，引出隧道效应的概念，进而讲授一维、二维和三维势箱的知识点，将理论放在实际应用的层面讲解，达到以例到理，经过交叉思维的碰撞，找到知识规律，理解概念和物理意义。利用XRD案例，通过介绍特征X的产生、能级和子能级出现的原理，与结构化学中能量量子化、能级简并态、简并度、量子数的概念和物理意义、中心势场理论、自洽场理论等知识点建立联系。同时利用原子荧光光谱法（AFS）案例库也可辅助XRD案例讲解量子数、原子轨道等概念。通过讲解红外光谱、紫外可见光光度法等分析测试原理，引入分子光谱的内容，介绍分子的振动与转动能级。通过案例库中知识点演绎，从单一的知识结构走向多层次的知识网络，受到举一反三、触类旁通的效果，进而促进学生理论与实际应用关系的建立。

（三）建立材料性能与微观结构关系教学案例库

结构化学是研究原子在空间结合成分子或化学实体本质问题的课程，是联系材料微观与宏观的桥梁。利用科研前沿成果建立案例库，运用科研反哺教学，引导学生从例到理，启发学生以例证理，在提高学生学习兴趣的同时，让学生认识到学习理论知识的意义和目的。课程组教师结合自身和相关的科研成果，建立了无机非金属材料、有机高分子材料、复合材料等方面的材料性能与微观结构关系的案例库。针对结构化学的不同内容，开展相应知识的案例式教学，例如：介绍“水化硅酸钙（C-S-H）分子动力学模拟研究案例”（见图2），利用量子力学第一性原理，引出量子力学理论，使学生更好地理解相关概念和理论，如波函数、薛定谔方程、自洽场理论、密度泛函理论、径向分布函数等知识点。讲解“卤代苯酚系列阻燃剂的量子化学研究教学案例”，利用EHMO法（Extend Huekel Molecular -arorbit）分析和讨论卤代苯酚、卤代间甲苯酚以及其聚合物的分子结构对阻燃效果的影响等方面，与分子轨道、成键和反键轨道、键级、休克尔分子轨道、前线轨道理论等知识点对接，让学生体会到微观结构与宏觀性质上的联系，激发学生的求知欲，调动学生开拓性和创新性的思维方式。

三、案例教学实践与评价

根据结构化学学时的要求，开展案例式教学应严格控制课堂时间，每个案例在课上讲授时间为5-10 min，绝大部分时间由学生在课下完成。整个案例教学过程分为：课前准备、课前小组讨论、课中PPT讲解、课中学生解答、课下评价等部分。案例式教学主要利用超星学习通教学平台，开展线上线下混合式教学，教师在上课前两天将案例电子版上传到学习通教学平台，让学生在课前完成案例的阅读及相关理论、课外资料的查阅。同时，按已划分的小组在教学平台中进行讨论。课堂中由教师对案例进行讲解，并选择学生代表回答问题。最后，教师在课下对线上讨论及学生代表发言情况进行评价和打分，该部分分数纳入平时成绩的30%。

例如，在开展“原子荧光光谱法测试原理案例”的教学过程中，首先将该案例内容和案例使用说明书放到平台上，针对案例教学内容及要点进行分析，按照案例事件的演化逻辑图（见图3），要求学生在课下对原子荧光光谱类型、原子荧光光谱产生原理、荧光淬灭和荧光量子效率等方面进行相关资料的查阅，然后，提出导入性问题，在教学平台上进行分组讨论，每组学生最终应给出相应的答案。导入性问题是引导学生深入思考分析全过程的工具，要遵循将原子荧光光谱的产生作为基本逻辑，由浅入深，且一般是启发性的发问，将学生带入核心理论的观察点。如：原子荧光光谱的产生？光谱的类型有哪些？核心是什么？通过本问题，希望学生学习原子荧光光谱的基本原理，了解原子荧光光谱的产生，原子荧光的类型有哪些，它们之间各有什么区别，分析荧光淬灭产生的机理，了解荧光量子效率公式的运用。同时，提出探讨性问题，敏化荧光、荧光猝灭、量子效率、电子跃迁的概念是什么？这些问题都需要学生对相关资料进行查阅，这样能调动学生的积极性和主动性，以上部分由学生在课下完成。由于该案例内容与结构化学中量子化、能级、原子轨道、分子轨道、成键轨道、反键轨道、非键轨道等知识点相关联，因此教师在课堂PPT的讲解中，要把案例的核心关键点与教学知识点的联系讲透，让学生理解讲解案例的实质目的，使学生深刻认识到理论知识在实际中的作用，该部分内容的讲授时间控制在5 min以内。然后，选择学生代表对课前小组讨论所产生的观点进行发言，由其他组的学生进行评价，教师做出总结，该部分时间控制在5 min以内，保证案例讲授时间控制在5～10 min。最后，教师根据线上学生讨论的情况和课堂上学生代表发言的情况进行评价打分，并将该部分分数纳入到平时成绩中，以调动学生的积极性和主动性，提高学生的参与度，让学生体会到用理论解决实际问题的乐趣。

例如，利用“拉曼光谱测试原理教学案例”的教学过程，建立分子振动与拉曼光谱的关系规律图（见图4）。首先针对发现的问题：结构化学理论性强，分子振动理论难以理解，结合拉曼光谱虽广泛应用，但理论与实际结合不紧密，学生很难将相关知识联系起来。同时了解分子振动的应用范围，与分子振动建立联系。然后，让学生探讨分子对称性振动和非极性基团振动与分子极化率改变，及拉曼活性之间的变化规律和产生的影响因素，进而引出次生问题：分子对称性振动后果？拉曼光谱的产生原理？通过问题追踪，最终让学生理解和掌握分子振动知识点。与此同时，使学生对分子振动应用的边情（红外光谱）进行了调研，以及吃透拉曼光谱产生原理的下情。经过这一系列的学习过程，学生回答导入性问题，拉曼光谱产生的原理是什么？核心问题是什么？探讨性问题：如何用量子力学解释拉曼效应？用量子力学解释拉曼效应的原理及图示？而这些问题的解决要求学生在课下进行。教师则重点介绍拉曼光谱产生原理与结构化学中分子轨道理论的基本要点（单电子近似，LCAO-MO方法，成键三原则）;分子轨道的类型，符号能级次序及电子的排布规则;分子轨道理论处理双原子分子结构的一般过程和重要结论、分子振动等知识点的关系，引导学生建立相应知识网络，进而让学生有的放矢，学以致用。

再如，结合科研实例，由于钢渣的体积安定性差问题，造成其在建筑行业中的大规模应用受到限制。通过将调质组分加入到钢渣中实施在线重构，可显著提高钢渣的体积稳定性，其中对于钢渣在线重构微观结构形成机理的研究尤为重要。因此利用分子动力学模拟的方法研究钢渣微观结构的变化规律，将对其宏观性能预测和机理分析具有指导作用。

分子动力学模拟主要是依据统计力学的方法，借助计算机来研究物质结构和性质的一种重要手段。主要过程：对于一个确定的粒子体系，在一定的初始条件下建立起每个粒子的牛顿运动方程并按照一定的时间步长求解，经过若干次迭代之后，体系中的粒子趋于动态稳定，统计粒子的坐标和运动轨迹，就可以得到体系的结构信息以及热力学和动力学性质。通过对分子动力学基本原理进行研究，引导学生深入了解掌握微观世界的结构和物质的运动规律，理解结构与性能的相互关系。从而，在讲解“钢渣重构中的分子结构变化研究教学案例”的过程中，让学生在了解科研前沿的同时，有机地把量子力学理论、原子结构、分子结构和晶体结构等相关知识点联系起来，加深了学生对理论的理解和对结构化学整门课程的认识，实现学生从宏观世界进入微观世界的转变，充分调动学生的抽象思维和想象力，提高学生的创新意识和自我学习、自我思考问题的能力。

四、结束语

在结构化学课程中开展案例式教学，要求每个案例的核心和要点与结构化学内容知识点紧密联系和对接，并对案例内容、案例使用说明书、案例PPT规范管理，在案例介绍和讨论时间上不能超过10 min。根据结构化学的重点和难点，构建了知识模块和培养學生能力的目标，建立了现代测试方法理论应用的案例库、材料性能与微观结构关系教学案例库，通过案例库中知识点演绎，把单一的知识结构向多层次的知识网络转化，实现学生从宏观世界进入微观世界的转变，充分调动学生的抽象思维和想象力，让学生有的放矢。通过利用超星学习通教学平台，将课前准备、课前小组讨论、课中PPT讲解、课中学生解答、课下评价等部分有机联系，实施线上线下闭环教学管理模式，实现对学生的综合评价。

参考文献：

[1]杨明慧.“大地构造学”案例教学的探索与实践[J].科技文汇，2019（459）：89-90.

[2]许莹.材料专业研究生《结构化学》课程的教学改革与实践[J].河北理工大学学报（社会科学版），2011，11（3）：97-102.

[3]周公度，段连运.结构化学基础（第五版）[M].北京：北京大学出版社，2017.