應用電化學實驗課程多元化教學模式改革探索?

任 旺, 張 英, 黃生田, 司玉軍, 劉曉強, 王 濤

(四川輕化工大學化學與環境工程學院, 四川 自貢 643000)

實驗教學是知識與能力、 理論與實踐相結合的教學活動,也是學生全面掌握理論知識和實驗技能、 鍛煉科學思維、 培養應用能力和孕育創新意識的重要環節。 應用電化學是一門學科交叉性和實踐性極強的學科, 在科學研究和實際生產(比如電鍍、 電解、 金屬腐蝕與防護、 電化學能源開發、 無機物/有機物電解合成、 電催化、 電化學傳感和環境處理等)中得到廣泛應用。 學習應用電化學實驗課程是大學生走上相關工作崗位或開展科學研究前, 掌握電化學基礎知識和基本技能的一個重要途徑。 應用電化學實驗課程的教學質量直接關系到化學、 應用化學和材料化學等相關專業學生對于基礎知識技能的掌握以及解決實際問題和創新等綜合能力的培養。 如何提高教學質量,使學生能夠更高效地掌握重點知識并培養其綜合能力, 專業課教師應當積極思考并實踐。 本文結合我校實際情況, 分析了應用電化學實驗教學的現狀, 根據教學大綱和人才培養目標的要求, 對應用電化學實驗教學內容和教學模式的改革提出了一些探討和思考, 期望同行批評指正。

1 應用電化學實驗教學內容的更新與多元化設計

基于我校 “培養德智體美勞全面發展、 社會適應性強、 基礎扎實、 具有創新精神和實踐能力的高素質應用型人才” 的教學理念, 為適應社會和企業所需, 我校化學、 材料、 化工等相關專業都開設了應用電化學課程, 目的是培養出可以直接服務于電化學相關行業的本科畢業生和研究生, 達到學有所用、 學以致用的教學效果。 近年來, 應用電化學領域發展迅速, 知識更新速度加快, 教學內容必須與時俱進, 才能跟上時代的步伐。 應用電化學實驗課程教學內容既要注重電化學知識在生產生活中的實際應用, 也要及時融入前沿科研成果、 新技術和新方法等到教學案例中。 根據國家提倡的環境保護、 潔凈生產、節能減排, 我們刪除了一些陳舊的實驗內容, 選取 “濕法冶金與無氰電鍍”、 “有機電化學綠色合成”、 “固態鋰離子電池的制備及電化學性能測試”、 “不銹鋼電化學腐蝕行為研究及綠色緩釋劑的電化學防護”、 “微納米材料的電化學合成”、 “非貴金屬氧還原催化劑的制備及性能測試”、 “微納米材料電合成與電催化”、 “雜原子摻雜碳材料的制備及電催化析氫性能測試”、 “電致變色及光電功能器件”、 “生物燃料電池與生物酶分子傳感器”、 “電分析與電化學傳感器”、 “廢水中重金屬離子的電化學處理”、 “電解海水與海水淡化技術”、 “高級電化學氧化技術與環境治理”、 “氯堿工程” 等內容[1]。 我們將實驗課程內容分為基礎實驗、 綜合實驗和設計創新實驗三個層次; 每一層次實驗內容均包含必修與選修內容; 對實驗項目進行分層次開放, 建立一個層次分明、 循序漸進的實驗課程教學體系。 對學生進行無差別、 有限制地開放實驗室, 為不同層次的學生提供寬松的學習環境和實驗空間, 充分鍛煉學生的實踐操作能力, 激發學生的積極性和學習潛能, 展現創造力, 積累創新意識, 突出個性發展, 真正做到優生優培。

2 多元化教學模式的探索與設計

鑒于授課時數和實驗教學資源的限制, 我們采用 “線上大班/小班+線下小組” 的混合式教學模式, 這種方式避免教師分小組重復講解, 即可節約大量時間, 同時提高學生的學習時間和實驗參與程度, 以實現在有限的時間和空間里應用電化學實驗課程的高效教學[2-6]。

對于必修內容, 我們采用線上大班教學, 以 “直播+案例+操作視頻+虛擬仿真實驗” 的方式進行。 首先, 由教師借助第三方直播軟件(如騰訊課堂、 釘釘等)在線課堂以PPT 直播課的形式為學生講解實驗原理, 依托線上慕課資源和相關實驗操作視頻, 分析實驗中可能出現的問題和注意事項, 接著學生完成虛擬仿真實驗, 并下載虛擬實驗數據, 完成實驗報告1。 根據教師的要求, 還會補充一些實驗小測或者文獻調研等任務,以加深學生對實驗的理解。 然后學生分小組到真實實驗室, 進入線下教學, 教師巡回合理指導學生完成實驗操作, 并完成實驗報告2。 這種方式讓學生能在預習階段直觀地感受實驗全過程和操作注意事項, 在線下實驗階段更有目的性和針對性地進行實驗操作和自主實驗。

對于選修內容, 我們采用 “線上小班+線下小組” 的教學模式, 線上小班教學以 “翻轉課堂+Seminer” 的方式進行, 每次線上小班課程包含5 個小組。 課前, 學生根據選修內容分成小組, 每個小組4 名同學, 每位小組成員就相關專題自行查找文獻資料、 參考書和相關案例, 課前自制幻燈片, 為線上課堂的匯報和討論做好準備。 規定每個小組線上課堂的時間為10 分鐘左右, 線上課堂, 學生簡要回顧選修內容相關的理論知識, 并介紹該內容的前沿信息以及在相關科研和實際生產中的應用, 并提出自己的看法和選修內容詳細實驗計劃, 在報告最后附上主要的參考文獻。 學生匯報結束后, 教師進行提問、 引導和建議。 其余同學可以圍繞教學內容自由發表對相關知識的理解并進行疑問問、 批評、 建議等。 這一階段, 每個小組推薦1 人作為主要報告人, 同組人員進行補充性發言。 最后, 教師對 “翻轉課堂+Seminer” 的線上課堂內容進行評價與總結, 向學生提出開展線下小組實驗的相關要求和注意事項。然后, 每組學生歸納整理并上交線下選修實驗內容的詳細計劃和方案。 教師根據學生提交的實驗方案準備相關器材和場地,巡回合理指導學生完成線下小組選修實驗內容, 學生完成實驗報告。

為實現從校內實驗到工廠實際生產的銜接, 鑒于電化學生產工藝課程實訓條件(實訓場地、 實訓設備和實訓安全)不足的現狀, 對于電鍍、 電池和氯堿生產工藝流程實訓內容, 我們采用線上大班教學模式, 以 “直播+視頻資料+虛擬實訓平臺” 的方式進行, 讓學生直觀地了解實際電化學生產車間和生產工藝流程, 進而鞏固專業知識和實驗技能, 提升大型實驗規劃和工程設計能力。 通過 “虛擬實訓平臺” 開展工程實訓教學, 可以讓學生通過體驗虛擬實訓場景、 操作實訓設備, 完成實訓任務, 更好地體驗電化學生產工藝, 為以后在生產相關領域工作奠定良好的理論和實踐基礎。

3 結 語

這種 “線上+線下” 的多元化實驗教學模式充分利用互聯網優質共享資源, 豐富了教學內容與形式, 開闊了學生視野,使實驗課更生動、 更有趣、 更豐富, 學習效果顯著提升。 多元化教學模式節省了線下小組實驗的教學時間和教學資源, 降低了實驗教學成本, 使實踐操作環節更準確, 避免了實際操作的危險, 同時彌補了實際教學中難開展的實驗項目教學短板。 另外, 線上教學無時間和空間的限制, 對于請假的學生或者沒有聽懂的知識點, 可以通過視頻回放可靈活地查遺補缺, 又能強化知識內容, 滿足學生的個性化學習需求。 實驗與實踐教學環節是工程教育中非常關鍵的內容。 新工科和新時代背景下應用電化學實驗課程通過多元化實驗/實踐教學模式, 激發了學生對于實驗課程的學習興趣和熱情, 提高電化學領域應用技術型人才和創新型人才培養質量, 達到了更好的實驗/實踐效果,提升了教學質量。