案例研究作为讨论教学法的基础在化学入门课程中的应用

译者 李南萍

（译自：Paulr. Challen，Lindac. Brazdil. Case Studies as a Basis for Discussion Method Teaching in Introductory Chemistry Courses. The Chemical Educator, 1999, 4(4):s1430-4171 (99) 04314-8）

――在课堂上，当学生们主动参与学习时，其积极性被调动起来，知识的内化就更有效。

本文提供的三个案例，曾用作化学入门课程中讨论课的模式。作为传统讲授课的补充，这些案例用来加深学生对大量传统课程涉及知识的理解，包括实验式、分子式、路易斯结构式、分子构型、反应热、气体定律、溶解性和粒子性等。案例研究也有助于学生对上述主题相互关系的正确评价，并让学生把学到的知识应用于现实。本文也介绍了案例组合应用于课堂教学，以及学生对这种教学方式的一些反应。
简 介
案例研究/讨论教学法已经应用了许多年，并在人文学科、商业、教育、法律和医学领域获得了相当大的成功。学者指出，大量研究显示，在课堂上，当学生们主动参与学习时，其积极性被调动得越高，知识的内化也更有效。虽然讲授式教学方式在传授大量信息或者在详细阐述复杂的和详细的论点方面被认为非常有效，但是这种以教师为中心的教学方式，学生常常处于消积状态。学习时越是被动，学生消耗的精力越大，也越不能说服他们自己，对教师讲过的知识仍然模糊不清。教师常常只能通过家庭作业或考试才能发现，原来只有他们自己知道课堂上讲了什么，学生什么也没学到。
尽管完全以讲授为基础的课堂教学方式具有很多缺点，但是他们仍然是目前世界各大学非实验性科学课程的唯一教学方法。然而以学生为中心、积极学习者的教学方法在科学课堂中的应用日益增多。但是案例研究法有时应用于化学课程教学中只是调查与社会、环境以及民族有关的问题，把案例教学法应用于化学入门（或者更高水平的课程）中专业课程的教学是非常少见的。虽然在一些会议上有人提出了类似想法并且很可能将被应用于书籍中，但是据我们所知，还没有公开发表的类似先例。同时，在这里我们提供三个我们设计并证明有价值的化学入门课程的案例。除了这些案例设计外，介绍了一些我们已经证明在课堂讨论中把案例作为讨论提纲时非常有效的技术，同时我们还叙述了一些课堂教学经验和学生对这种教学方式的反馈。
案例研究
案例一：气体
花几分钟阅读下面的案例，你可以参考你的课本并做任何你认为重要的计算。
一个空间广告代理商计划把一个气球送上20000米的高空，那里的气压为76mm Hg柱高，温度为－50℃，他们设计了五种方案：
1、 25℃、1atm下，充有12LCO2的气球。
2、 25℃、1atm下，充有12LHe的气球。
3、 25℃、1atm下，充有6LN2和6LHe的气球。
4、 25℃、1atm下，充有20LHe的气球。
5、 1atm下，充有12L加热到50℃空气的气球。
气球是由非常有弹性的材料制成的，可以膨胀到150L而不爆炸。这家代理商找到你--本地气体性质专家--进行咨询。考虑上述五种情况的优缺点，你将给他们什么建议？

案例二：尼古丁（烟碱）
今天这堂课我们将分成若干组，每组6个同学，检验一种重要分子的性质--尼古丁。
正如大家所知道的，尼古丁存在于雪茄和其它烟草制品中。关于尼古丁的上瘾性以及尼古丁在吸烟者（和其他暴露于雪茄烟或烟草制品中的人）的大脑中如何起作用，目前有许多争论。请看最近的化学药品和工程新闻。
尼古丁的分子式为：C10H14N2。
每个小组可以向辅导教师询问更多信息来帮助解决所分配的任务，但是不要向其他组打听消息，除非在下列任务说明中有特殊规定。
最后每一个小组将选一个同学向全班报告本组所发现的情况。
在开始本小组任务之前通读所有小组的任务。
下列是各小组的任务：
第一组：已知尼古丁分子的结构式，请你画出分子构型（即每一个原子的几何构型和键角）
第二组：已知尼古丁分子的分子模型，请你画出整个分子的路易斯电子式。
第三组：分析从烟草制品中提取的某物质，发现含C 74.1％，含H 8.6％，含N17.3％。这种物质是尼古丁吗？把你的结果报告给第四组。
如果你还有时间剩余，帮助第四组完成任务。
第四组：第三组研究的物质经质谱仪分析，发现其相对分子质量为81.1。这种物质是尼古丁吗？如果是，把你们的研究结果告诉第三组。如果不是，在两个组所获得的信息资料的基础上，你能为第三组的物质提供一个可能的结构吗？
第五组：尼古丁的标准生成焓为＋248.7 KJ/mol。写出表示尼古丁生成焓的化学方程式。在这个方程式中尼古丁的形成过程是放热还是吸热？
尼古丁在1atm的纯氧中按下列方程式燃烧：
C10H14N2(g) + O2 → CO2(g) + N2(g) + H2O(g)
配平上述方程式，把你们的结果告诉第六组。
第六组：如果尼古丁在1atm的纯氧中燃烧，你认为生成的化学产物是什么？于第五组一起检查你的结果。
如果尼古丁在有限的氧气中燃烧（如吸烟时），将生成什么产物？
利用尼古丁的结构式以键能为基础，估计其在纯氧中燃烧的焓变。
为什么估计值和计算值不完全相同？
案例3：铅污染
我们班受全体居民的委托来解决本市水质危机问题。要求我们确定污染物并制定消除污染的方法。时间紧迫，因此我们将分组行动，每一组负责问题的一个方面。
你们的组号就是写在这张纸上的数字。各小组将安排在教室的不同地方集中。下面发放这个问题的背景材料。但是各组根据具体情况可向指导教师询问更多的相关材料。
每个小组将选一位同学向全班报告本组研究结果。这些结果将组织起来向市政府报告。
在开始你们小组的工作前，先全部阅读各组的工作任务。
背景材料：流入城市污水处理厂的水非常混浊，而且铅含量较高。根据本市地方标准要求水中铅浓度必需小于5ppb。铅污染物的可能来源有多个。其中最有可能的三个来源是：城市附近的化工厂、印刷厂以及在最近的一次洪水中从被污染的土壤中虑过的含铅水。（城市）输水管道中含有铅，如果水的酸性太强，可以从管道中溶解出高浓度的铅。有一家化工厂可能向城市附近的湖泊中排放了硫酸。在城市附近有一家印刷厂，许多年来都用相同的反应容器混合颜料。虽然他们的颜料中不再含有铅，但是这些容器仍然可能被铅污染了。用磷酸钠冲洗这些容器，冲洗液如果处理不当，将导致水中铅浓度曾高。同时，高速公路沿线的河流最近被洪水冲洗了几次。当汽油中含有四乙基铅时流域内的土壤被铅污染了。以前曾分析过这些含铅土壤，发现主要为氢氧化铅。
本市的化学家们曾做过一些水的测试，如果需要可从教师处获得这些测试的具体情况。市政当局曾限制这些信息的传播，因此只有那些真正需要的人才能接触到。曾做过下列测试：渗透压实验、水中沉淀物含铅和氧的重量百分数测量、向过滤后的水中加入硫化钠测量所得沉淀的重量。表1中列出一些含铅盐类的Ksp数据。
表1. 铅盐的Ksp数据
盐 Ksp 盐 Ksp
Pb3(AsO4)2 4.1×10-36 Pb(OH)2 2.8×10-16
PbBr2 6.3×10-6 PbI2 8.7×10-9
PbCO3 1.5×10-13 Pb3(PO4)2 3.0×10-44
PbCl2 1.7×10-5 PbSeO4 1.5×10-7
PbCrO4 1.8×10-14 PbSO4 1.8×10-8
PbF2 3.7×10-8 PbS 8.4×10-28
第一组：你们的任务是确定那些由于溶解度极小而不会导致水中含铅量超过允许值的含铅化合物。根据背景材料确定这些化合物。把你们的结果告诉第2、3小组，如果有时间，帮助第四组进行计算。
第二组：你们的任务是利用渗透压数据确定与铅结合的阴离子以及该化合物的化学式。一旦阴离子确定下来，通过仔细阅读背景材料你们就可以确定铅污染源。与第3、4组一起检验你们的结论
第三组：你们的任务是确定与铅结合的阴离子以及该含铅化合物的化学式（可利用上述背景材料和重量百分比数据）。一旦该阴离子确定下来，通过仔细阅读背景材料你们就可以确定铅污染源。于第2、4组对照检验你们的结论。如果有时间帮助这些组进行计算。
第四组：你们的任务是确定含铅化合物的Ksp，假设水中的含铅化合物已经达到饱和。利用向过滤后的水中加入硫化钠测量所得沉淀重量的数据。从Ksp数据表（表1）中，确定哪种含铅化合物是污染物。一旦你们确定了这种物质，通过仔细阅读背景材料你们就可以确定铅污染源。与第2、3组对照检验你们的结论。
第五组：有人提出向水中通入泡沫状的二氧化碳将降低铅含量。根据亨利定律和含铅碳酸盐的Ksp数据，确定这种方法是否可行。如果可行，找出产生足够的碳酸盐来降低水中铅含量到允许值时二氧化碳的平衡分压，25℃时二氧化碳的亨利常数为4.45×10－5M/mmHg。
第六组：根据Ksp数据表（表1）判断降低水中铅离子的最好的阴离子。在确定用哪种阴离子时还有什么其他的因素要考虑吗？确定你们将加入哪种物质到水中降低铅离子含量。计算为了降低水中铅离子浓度到允许值，所加入物质的浓度。
第七组：你们的任务是设计一个实验，市政当局利用它能够确定什么时候水中铅含量低于允许值。市政当局要求该实验快速、便宜。他们更希望该实验的操作不需仪器，即使没有化学知识背景的人也可以操作。你会发现表1中Ksp数据对这项工作很有帮助。
渗透压实验报告:
25℃时，某饱和铅污染物溶液的渗透压为0.380mmHg。
气体常数为0.08206L atm K-1 mol-1
污染物重量质量分数分析
样品中含铅量为：85.09％。
至少还有一种其它元素存在，其它元素就无法测定出来了。
加入硫化钠后所得沉淀重量分析
向10.0L污水样品中加入硫化钠至其浓度为0.01mol/L 。形成了0.010g黑色沉淀。
案例讨论
科学课程中案例研究/讨论教学法概要。
我们把案例研究教学法引入化学入门课程的教学中，目的是想提供一种教学模式，让学生能够应用新学到的知识以巩固和加深对新知识的理解。同时，在此过程中发展他们融合知识的技能，训练和加强他们解决问题的能力。学会发现表面孤立的材料之间相互的联系，了解他们所学知识在实际中的用途。讨论过程中师生间、生生间的对话给教师提供了学生对所学知识的理解情况的反馈，特别有助于暴露学生对知识理解上的误区，否则这些误区只有在以后的学习中才能显示出来。而有关讨论技巧的详细说明不在本文叙述范围中（参考书目中包括了有关哲学、方法论和案例研究/讨论教学法适用范围的精彩叙述）。本文包括在科学课程教学中适合于促进讨论的一般方法的观察资料，以及这三个详细的案例。
任何一堂讨论课成功的关键是教师的教学方法由讲解（讲授）向设问、沟通转化，推动学生讨论。真正的讨论法不等同于对话法，对话法是教师引导学生沿着单一的推理途径来预测结论，而真正的讨论法是无法预测结论的，教师必需作好准备放弃一些控制。学生提出的问题应该尽可能与其它同学不同。然而在科技课程中常常有对或错的答案,学生的思维模式在某种程度上还是要通过教师来转达。如果到讨论该结束的时候，重点仍然没有解决，意见分歧的学生还没有被对方说服，相关的信息还没有从不相关的材料中辨别出来，教师可能有必要在结束语中简明扼要地阐明和解决这些问题。教师们将发现相对于非科技课程而言，涉及科学技术材料的讨论必须更集中、更结构化。他们将发现详细明确的问题比那些宽泛的、开放性的问题更易使讨论进行得深入、全面。慎用开放性问题，除非它们被设计成为鼓励学生描述推理过程，易于引出浅显结论的形式。例如，在案例1中，如果第一个问题这样问"五个气球中哪个最好？"回答将是毫无意义的（即使是正确的）因为学生并没有被激发起来去思考这个问题中的一些细节问题。可能这样问更好"随着高度的增加空气的压强会发生什么变化？"或者"为什么二氧化碳气球不能浮起来？"类似的问题将使学生的注意力集中在科学材料的核心。或者可以要求学生回答他们怎样确定哪只气球最好。这样就可以引导学生在案例分析的过程中考虑要涉及哪些计算、哪些化学定律。
在指导和总结一堂专业讨论课时，黑板是非常有用的东西。讨论进行到尾声时，随着主要观点的形成，，学生标注在黑板上的充满智慧的设计就是一篇书面的、逻辑推理清晰的案例分析，这使学生对自己所获得的成绩有一种惊奇和骄傲的感觉。学生有些观点虽然正确但是偏离了所讨论的问题，那就把它写在旁边的黑板上让大家了解一下。有些讨论教学法的实践者提倡在课前准备好一块黑板提纲。这对于那些需要进行大量计算的课例尤其重要。
案例研究1：
这是一个易使人误认为简单的案例。根据时间允许情况和学生准备的程度，可以在不同层次水平上展开讨论。这个案例我们既用过小组讨论的形式，也用过全班讨论的形式。无论两种方法中的哪一种，对于教师来说都重要的是要有一套经过全盘考虑的问题组，引导学生进入预期范围。否则他们很快就会得出一个错误结论，而错过许多科学内容。
作为不同水平层次都可探究的一个例子是关于哪一个气球将离开地面的问题，回答有的方法有（1）只是利用学生已有的哪些气体的密度比空气大或比空气小的知识，（2）根据质量公式和理想气体状态方程来计算（某些气球中的混合气体就要复杂些），（3）通过一个对阿基米德定律更详细的检查来回答。我们发现这个水平上的学生为了回答一个简单问题是或否时，几乎没有意识到计算精确度的问题，也就是说他们还没有发展评估的能力、或者说在科学的上下文中所要求的对评估理解力。对于那些习惯于解决常规问题练习的学生这个案例是比较特别的。
接下来的问题是，当升高到低气压区时气球将发生什么变化。毫无疑问全体学生都知道大气压减小将导致气球膨胀（在这一点的理解上，做一个气球在一个真空干燥器中随着空气被抽出而膨胀的实验是很有用的），对这个问题的讨论可引导学生考虑到压力均等和波义耳定律。随后考虑减小压力对每个气球的影响，不同压强与温度时相关变化大小的讨论将指出某些计算的需要。
是否有气球会发生爆炸的问题可引导学生利用理想气体状态方程来估计当升高到要求高度时气球的大小。可得出气球（ⅳ）的体积将变为149.7L，处于爆炸点上。再次受以前大量常规计算的影响，基于一种理想的最优化思想，我们发现许多学生认为这是最好的选择。这时就可把不确定性的观念引入讨论中，用于描述现实情景中数字化数据与不确定性相关的计算的重要特征，以及非理想状态气体行为。从讨论中得出在大量不确定性存在的真实生活中适当的误差范围存在的必要性。
我们发现有些学生提出气体的化学反应的问题，把氦气的不活泼性作为相关考虑。任何化学反应的可能性都可以讨论，在这种情况下气体的物理与化学性质的相关性将呈现出来。
案例研究2：
该研究中"案例"是一个分子。选择尼古丁是因为当前对烟草工业的关注与争论。其它有趣的分子（如阿斯匹林、AZT等）也可以。集中于某一分子及其物理化学性质直接通过许多普通化学课本的传统章节，使学生在运用过程中整合化学式、分子结构和构型、热化学等知识。以小组讨论的形式组织课堂，各组4～6个同学集中探讨尼古丁分子化学性质的某一方面，同时在向全班报告最终结果前可与其它小组分享信息。从本质上来说，这种模式就是科学家从不同的角度分组研究某一问题，然后不同的小组之间交换研究信息，再向更广泛的科学团体公布研究结果。我们发现这个案例有利于为了评定学生在第二个学期对第一个学期所学知识的保持力而进行的考试或测试之前的复习。
案例研究3：
铅污染的案例同样是使学生整合从化学入门课程的各章节所获得的知识，同时课堂管理中学生分为若干小组，各必须与其它小组分享信息才能使问题更简单。有的小组致力于确定污染源，有的小组要降低水中铅含量，还有的小组必须设计一个质量控制实验以确定什么时候水中铅含量降低到允许值。简单地说，这种劳动分工模式类似于科学实验室中的分工。我们的观察发现应用溶解常数、以沉淀作用为基础负责设计质量控制实验的学生完成任务有困难。该案例的这一部分要求学生把几个不同的概念和计算综合起来。一种更开放的形式也许有利于学生应用所学知识解决这类问题。例如，学生可以从课室以外的其它设备获得信息，或者从相关实验室经历中获得信息。在化学入门课程中更多案例研究/讨论经验的利用将构建学生解决类似问题的能力。

结 论
我们所描写的这几个案例可根据教师和学生的需要和兴趣进行改编、修正和修饰。我们提供这几个案例不仅因为它们可直接应用于课堂教学，而且作为不同类型案例的例子，我们希望以此激励和帮助教师们设计他们自己的案例。
学生对每个案例学习的反应通过调查问卷来了解，在问卷中学生被问到：（1）讨论是否有助于你们对材料的理解，（2）讨论作为一种课堂活动是否有价值，（3）讨论是否有利于帮助他们了解所学知识怎样应用于实践。对于所有的三个问题学生的回答都是积极的，几乎所有的学生都反应活动有助于他们的理解。我们还发现一种趋势，讨论活动所分配的时间越多的那些部分，反应就越好。建议案例1和案例2用50分钟的课时，案例3要更多的时间（75－100分钟）。如果讨论过早结束，学生会感到困惑和失落。教师2－5分钟的小结有助于将注意力集中于所学知识并且有结束的感觉。无论如何，以不可避免的假的开始，死气沉沉的结束，前后来回地讲的讨论课时间的利用率比讲授法还低。成功的讨论课花时间去探究主题"范围"内的隐蔽处和易忽略的角落，而不是囫囵吞枣。讨论教学法中的对话更注重知识形成的过程而不是仅仅限于教学内容。这也能了解学生真实想法――这在讲授教学中是无法实现的。

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