科研成果與教材知識(shí)緊密結(jié)合在電化學(xué)原理課中應(yīng)用的探討

董貝貝* 郭海威 程 菲 黃小園

（河北工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院 天津 300130）

為培養(yǎng)社會(huì)發(fā)展所需專業(yè)理論基礎(chǔ)扎實(shí)、實(shí)踐能力較強(qiáng)的復(fù)合型人才，我院開設(shè)了兼?zhèn)淅碚撆c應(yīng)用的課程──電化學(xué)原理，作為物理化學(xué)的重要分支，電化學(xué)是能源、材料等很多前沿研究領(lǐng)域的基礎(chǔ)[1]，因此，該課程理論知識(shí)學(xué)習(xí)十分重要[2]。學(xué)生只有對(duì)電化學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)準(zhǔn)確理解和掌握，才能將其用于解決科研和生產(chǎn)實(shí)踐遇到的電化學(xué)難題，而電催化研究所涉及科學(xué)問題的解決過程，又是將電化學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)合理運(yùn)用的過程，二者相輔相成。因此，教師在掌握電化學(xué)基礎(chǔ)理論的同時(shí)，還需熟悉電化學(xué)研究發(fā)展現(xiàn)狀、方向和最新研究成果，并將其與教學(xué)實(shí)踐結(jié)合，充分做好教學(xué)工作。這門課程授課對(duì)象是大三學(xué)生，正是培養(yǎng)科研興趣的最好時(shí)機(jī)，教師可分享相關(guān)科研經(jīng)驗(yàn)和科研成果，激發(fā)學(xué)生科研興趣。綜上，在課堂上講授電化學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)時(shí)，將電化學(xué)科研成果與教材基礎(chǔ)知識(shí)緊密結(jié)合的教學(xué)手段至關(guān)重要[3][4]。

1 教學(xué)現(xiàn)狀

電化學(xué)原理課程不僅可使學(xué)生掌握電化學(xué)理論知識(shí)，還可為后續(xù)應(yīng)用電化學(xué)、電化學(xué)測(cè)量技術(shù)、新型化學(xué)電源、電化學(xué)腐蝕與防護(hù)等各類專業(yè)課程打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。然而，該課程的很多原理性知識(shí)比較抽象，公式推導(dǎo)比較晦澀難懂[5][6]，學(xué)生很難掌握。因此，教師需在有限教學(xué)時(shí)間內(nèi)保證教學(xué)重點(diǎn)知識(shí)不變的情況下，讓學(xué)生深入理解電化學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)，同時(shí)提高學(xué)生將基礎(chǔ)知識(shí)應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)和科學(xué)研究的能力。因此，針對(duì)我院電化學(xué)原理課程的實(shí)際教學(xué)情況，本文進(jìn)行了科研成果與教材知識(shí)緊密結(jié)合在電化學(xué)原理課中應(yīng)用的探討[7][8]。

由于電化學(xué)已經(jīng)滲透到環(huán)境、能源等諸多領(lǐng)域，因此，各化工企業(yè)在秉承綠色可持續(xù)發(fā)展的理念下，加大對(duì)電化學(xué)處理技術(shù)的引入。比如，利用電滲析、電凝聚法和電化學(xué)氧化等電化學(xué)技術(shù)處理工業(yè)廢水，主要分為三種類型，另外，穩(wěn)態(tài)極化曲線、恒電位法、恒電流法、伏安法、電化學(xué)阻抗譜和開路電位法等電化學(xué)測(cè)量技術(shù)也是電化學(xué)原理技術(shù)應(yīng)用的重要部分，上述技術(shù)所涉及的知識(shí)是《電化學(xué)原理》課程的重要組成部分。僅依靠灌輸式教學(xué)，學(xué)生顯然很難充分掌握電化學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)[9]，難以將電化學(xué)知識(shí)實(shí)際應(yīng)用于生產(chǎn)和科學(xué)研究、解決實(shí)際問題。若在講授電化學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)的同時(shí)，適當(dāng)引入電化學(xué)應(yīng)用技術(shù)和相關(guān)的電化學(xué)科研成果，使抽象的基礎(chǔ)知識(shí)和科研成果有效關(guān)聯(lián)，合理安排兩者的課時(shí)比例，將顯著強(qiáng)化學(xué)生基礎(chǔ)知識(shí)、并有利于培養(yǎng)學(xué)生科研素養(yǎng)。

2 教學(xué)模式改革

為提高電化學(xué)原理課程的教學(xué)效果，在充分利用板書、多媒體、動(dòng)畫展示等教學(xué)手段之余，為全方位教給學(xué)生知識(shí)和培養(yǎng)學(xué)習(xí)能力，需改進(jìn)教學(xué)方法，對(duì)電化學(xué)原理課程進(jìn)行教學(xué)模式改革，將電化學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)和科研成果相結(jié)合[10-12]，采取教師展示、教師引導(dǎo)學(xué)生參與、學(xué)生自主完成等三個(gè)階段循序漸進(jìn)的手段進(jìn)行教學(xué)。敘述如下：第一，前期上課過程中，教師在講解基礎(chǔ)知識(shí)的同時(shí)，引用學(xué)術(shù)前沿科研成果深入解析，向?qū)W生展示所學(xué)基礎(chǔ)理論知識(shí)與實(shí)際科研過程如何有機(jī)結(jié)合。第二，課程進(jìn)行三分之一后，教師在講授基礎(chǔ)知識(shí)時(shí)，指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行課堂文獻(xiàn)調(diào)研的訓(xùn)練，教會(huì)學(xué)生提煉檢索關(guān)鍵詞，引導(dǎo)學(xué)生將相應(yīng)電化學(xué)科研成果與電化學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)進(jìn)行匹配。第三，課程進(jìn)行三分之二后，待學(xué)生學(xué)會(huì)檢索相關(guān)電化學(xué)科研成果并能與電化學(xué)理論知識(shí)進(jìn)行有效關(guān)聯(lián)后，令學(xué)生以5人一組的形式分組，課后針對(duì)某部分電化學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)進(jìn)行文獻(xiàn)調(diào)研，以書面形式匯報(bào)科研成果與電化學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)有機(jī)結(jié)合的例子，使學(xué)生成為課程的參與者，充分提高學(xué)生學(xué)習(xí)的能動(dòng)性。

基礎(chǔ)知識(shí)和科研成果相結(jié)合教學(xué)模式的核心在于將基礎(chǔ)知識(shí)和科研成果進(jìn)行有效匹配，在實(shí)際教學(xué)實(shí)踐中，需要精心設(shè)計(jì)二者之間的聯(lián)系。課程所涉及的科研成果應(yīng)難易適中，完全契合電化學(xué)教材大綱。以下舉幾個(gè)例子進(jìn)行說明：

（1）講述標(biāo)準(zhǔn)氫電極時(shí)，首先利用科學(xué)研究中以標(biāo)準(zhǔn)氫電極作為電位基準(zhǔn)展開講述，在電化學(xué)研究中，實(shí)驗(yàn)室通常用到標(biāo)準(zhǔn)氫電極，銀/氯化銀電極、甘汞電極等，三者之間如何換算？哪些與 pH值密切相關(guān)？教師給出兩篇電化學(xué)研究相關(guān)文獻(xiàn)，所用電極分別為甘汞電極和銀/氯化銀電極，令學(xué)生在課堂上將二者換算到相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)氫電極的電位。

（2）講述電化學(xué)課程的緒論時(shí)，引入氯堿工業(yè)、電解水等科研發(fā)展和工業(yè)應(yīng)用成果，提出如下問題：氯堿工業(yè)和電解水制氫領(lǐng)域用到的電解池包括哪些結(jié)構(gòu)？通常用到的電解液是什么？發(fā)生了哪些反應(yīng)？有哪些副反應(yīng)需要人為抑制？上述問題能激發(fā)學(xué)生探索電化學(xué)研究體系的興趣，為后續(xù)學(xué)生積極學(xué)習(xí)電化學(xué)原理知識(shí)打下基礎(chǔ)。

（3）講述雙電層結(jié)構(gòu)時(shí)，引入表面和界面的概念，將表面和界面結(jié)構(gòu)的相關(guān)知識(shí)進(jìn)行拓展，引發(fā)學(xué)生對(duì)雙電層的深刻理解，提出如下問題：雙電層結(jié)構(gòu)的重要性如何？表面和界面結(jié)構(gòu)的重要性如何？在調(diào)研電催化分解水的相關(guān)文獻(xiàn)時(shí)，哪些科研成果側(cè)重了表面和界面的研究？

（4）講述電極極化部分時(shí)，對(duì)濃差和電化學(xué)極化的概念進(jìn)行拓展，提出如下問題，在調(diào)研電催化分解水的相關(guān)文獻(xiàn)時(shí)，哪些科研成果對(duì)濃差極化進(jìn)行了深入研究？哪些科研成果深入探究了電化學(xué)極化的影響？哪些科研成果有效地利用了極化現(xiàn)象？

（5）講述金屬電沉積時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)電催化研究涉及的電沉積過程進(jìn)行綜述，提出如下問題：哪些電催化體系通常用到電沉積？哪些金屬適合做電沉積？對(duì)某個(gè)金屬進(jìn)行電沉積時(shí)，其具體電沉積方案通常包括哪些？電沉積法制備的金屬或金屬氧化物通常具備怎樣的形貌結(jié)構(gòu)？以不同形貌和晶面暴露的電沉積金屬層為側(cè)重點(diǎn)，令學(xué)生調(diào)研電沉積應(yīng)用相關(guān)研究。

（6）講述半導(dǎo)體電化學(xué)和光電化學(xué)知識(shí)時(shí)，對(duì)電催化、光催化、光電催化進(jìn)行系統(tǒng)講述，提出如下問題：電催化、光催化、光電催化體系之間有何聯(lián)系和區(qū)別？令學(xué)生調(diào)研TiO2用于電催化、光催化、光電催化分解水的相關(guān)文獻(xiàn)，并列舉三者之間有何原理性的區(qū)別？

3 課程評(píng)價(jià)的教學(xué)改革

傳統(tǒng)課程評(píng)價(jià)方式比較簡(jiǎn)單，通常平時(shí)成績(jī)占30%，卷面成績(jī)占70%。期末考試的重點(diǎn)內(nèi)容相對(duì)固定，容易把握。這種方式雖能檢測(cè)學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的把握程度，使學(xué)生記憶和復(fù)述基本原理，但不利于學(xué)生將電化學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)靈活運(yùn)用，難以為后續(xù)電化學(xué)相關(guān)課程打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。在新的教學(xué)模式下，我院將學(xué)生對(duì)電化學(xué)科研成果的調(diào)研情況納入考試成績(jī)，考核結(jié)構(gòu)更新為平時(shí)成績(jī)20%，卷面成績(jī)60%，科研成果調(diào)研成績(jī)20%。這種考核方式不局限于書本基礎(chǔ)知識(shí)，增加了對(duì)學(xué)生科研能力的考察，能有效發(fā)揮學(xué)生的主體地位，培養(yǎng)學(xué)生的科研興趣和能力，促進(jìn)學(xué)生對(duì)書本基礎(chǔ)知識(shí)的掌握。

4 教學(xué)效果對(duì)比

筆者采用科研成果與基礎(chǔ)知識(shí)相結(jié)合的教學(xué)模式，在2018級(jí)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)進(jìn)行了教學(xué)實(shí)踐，采用直方圖對(duì)2018與2017級(jí)的期末試卷成績(jī)進(jìn)行了分析。進(jìn)行教學(xué)實(shí)踐前，2017級(jí)的卷面成績(jī)分布如圖1所示，其中0～59分占6.67%，60～69分占25.00%，70～79分占31.67%，80～89分占25.00%，90～100分占11.67%。結(jié)果顯示，2017級(jí)學(xué)生的卷面成績(jī)分布基本符合正態(tài)分布規(guī)律，但是整體成績(jī)及格率為93.3%，有接近7%的學(xué)生卷面成績(jī)不及格。

圖1：2017級(jí)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)的卷面成績(jī)分布圖

2018級(jí)卷面成績(jī)分布如圖2所示，其中60～69分占26.67%，70～79分占31.67%，80～89分占30.00%，90～100分占11.67%。結(jié)果顯示，2018級(jí)學(xué)生的卷面成績(jī)分布也基本符合正態(tài)分布規(guī)律，由于科研成果與基礎(chǔ)知識(shí)相結(jié)合的教學(xué)模式有效激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、促進(jìn)了學(xué)生對(duì)電化學(xué)原理知識(shí)的理解和掌握，2018級(jí)學(xué)生的整體成績(jī)及格率增長(zhǎng)為100%，沒有出現(xiàn)學(xué)生卷面成績(jī)不及格的情況。

圖2：2018級(jí)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)的卷面成績(jī)分布圖

5 結(jié)語(yǔ)

我院把電化學(xué)科研成果充分引入了電化學(xué)原理課堂，該電化學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)和電化學(xué)科研成果有機(jī)結(jié)合的教學(xué)模式，培養(yǎng)了學(xué)生檢索文獻(xiàn)的能力，提高了學(xué)生的科研能力，激發(fā)了學(xué)生應(yīng)用電化學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)的思考，使學(xué)生更容易掌握電化學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)。與傳統(tǒng)的記憶復(fù)述基礎(chǔ)理論知識(shí)的教學(xué)模式相比，這種教學(xué)模式使學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性有了明顯提高，創(chuàng)新能力和科研能力也有一定程度的提升，期末考試卷面成績(jī)明顯上升，達(dá)到了較好的教學(xué)效果。最后，電化學(xué)課程教學(xué)模式的優(yōu)化是一個(gè)不斷進(jìn)步的過程，希望通過堅(jiān)持不懈的教學(xué)探索和改革實(shí)踐，除了教給學(xué)生基礎(chǔ)的傳統(tǒng)專業(yè)知識(shí)，還要把最新的前沿研究知識(shí)和科研技能教給學(xué)生，培養(yǎng)出優(yōu)秀的、符合社會(huì)發(fā)展需求的復(fù)合型人才。