OBE理念下“無機(jī)化學(xué)”電極電勢多維化課堂教學(xué)設(shè)計(jì)

摘要：為解決大學(xué)“無機(jī)化學(xué)”電極電勢這一重難點(diǎn)，基于OBE理念，根據(jù)學(xué)生特點(diǎn)，教師引導(dǎo)學(xué)生公式推導(dǎo)、總結(jié)歸納，幫助學(xué)生掌握Nernst方程的計(jì)算運(yùn)用。課堂教學(xué)中有機(jī)融合Nernst事跡等思政元素，開展了學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)探究、自我分析判斷化學(xué)方程式正誤等多維化教學(xué)方法，激發(fā)學(xué)生對學(xué)習(xí)的內(nèi)生動力，加強(qiáng)學(xué)生對電極電勢的深層次理解，培養(yǎng)學(xué)生的社會責(zé)任感和創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞：OBE理念；電極電勢；多維化；教學(xué)設(shè)計(jì)

赫爾巴特曾說，教學(xué)如果沒有進(jìn)行道德教育，只是一種沒有目的的手段。德育問題是不能同整個教育分離開來的，而是同其他教育問題必然地、廣泛深遠(yuǎn)地聯(lián)系在一起的。2016年12月，全國高校政治工作會議上也強(qiáng)調(diào)，高校立身之本在于立德樹人。這就表明，課程思政是要讓學(xué)校的所有課程與思想政治課程同向同行，共同擔(dān)當(dāng)育人之責(zé)［12］。教師在教學(xué)過程中除了傳授專業(yè)知識，融合思政元素也是至關(guān)重要的。

OBE（OutcomebasedEducation）在高校教育改革的新形勢下已成為當(dāng)前國內(nèi)外的主流教育理念。OBE即成果導(dǎo)向教育，是一種基于學(xué)習(xí)成果為導(dǎo)向的教育理念，教師通過有計(jì)劃地組織課程教學(xué)中的每一個環(huán)節(jié)，使學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中實(shí)現(xiàn)預(yù)期的結(jié)果，收獲學(xué)習(xí)成果［3］。OBE理念的核心是以培養(yǎng)學(xué)生的能力目標(biāo)為導(dǎo)向進(jìn)行各項(xiàng)教學(xué)活動［4］，突出“以學(xué)生為中心”。基于OBE理念的“無機(jī)化學(xué)”專業(yè)課程改革已逐步開展［48］，主要體現(xiàn)在OBE理念下整體課程如何籌劃設(shè)計(jì)組織，而如何在某一具體章節(jié)應(yīng)用并采用融合思政元素等多維化教學(xué)方法而進(jìn)行課程設(shè)計(jì)的研究卻寥寥無幾。

本文主要以電極電勢的計(jì)算及影響因素知識點(diǎn)為載體，探討了如何采用融合思政元素等多維化教學(xué)方法進(jìn)行OBE理念下的課堂教學(xué)設(shè)計(jì)。通過此案例，拋磚引玉，引導(dǎo)學(xué)生系統(tǒng)地把握知識內(nèi)涵，達(dá)到知其然更知其所以然的學(xué)習(xí)效果，從而培養(yǎng)學(xué)生自主深層次學(xué)習(xí)探究的能力。

1OBE理念下“無機(jī)化學(xué)”的教學(xué)特點(diǎn)

我校是在新工科背景下崛起的一所新型應(yīng)用型理工類本科院校，理工科專業(yè)比較薄弱，而“無機(jī)化學(xué)”課程是化學(xué)、能源化學(xué)、材料科學(xué)與工程等理工類專業(yè)的第一門基礎(chǔ)專業(yè)必修課?！盁o機(jī)化學(xué)”課程在內(nèi)容上與高中化學(xué)銜接緊密，與有機(jī)化學(xué)、物理化學(xué)等后續(xù)課程交叉融合、互相滲透。它的研究體系龐雜，涵蓋了“無機(jī)化學(xué)”基本反應(yīng)理論、物質(zhì)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)和元素化學(xué)等，知識點(diǎn)廣泛，抽象概念多，實(shí)驗(yàn)操作多，課時安排少。從高中化學(xué)到大學(xué)“無機(jī)化學(xué)”的過渡中，從教師知識灌輸?shù)綄W(xué)生自主學(xué)習(xí)的改變、教學(xué)模式的變化及課程內(nèi)容的斷點(diǎn)銜接導(dǎo)致大一新生感覺教師上課節(jié)奏快，學(xué)習(xí)難度大，導(dǎo)致學(xué)習(xí)的積極性降低。

“無機(jī)化學(xué)”是學(xué)科基礎(chǔ)課，筆者教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)學(xué)生對基礎(chǔ)知識點(diǎn)的掌握不扎實(shí)，利用基礎(chǔ)知識分析解釋、解決相關(guān)生產(chǎn)生活問題的能力欠缺。針對該教學(xué)痛點(diǎn)，結(jié)合OBE理念的“反向設(shè)計(jì)、正向?qū)嵤痹瓌t及材料科學(xué)與工程專業(yè)培養(yǎng)方案與教學(xué)大綱的需求，“無機(jī)化學(xué)”課程應(yīng)滿足“知識目標(biāo)”“能力目標(biāo)”及“素質(zhì)目標(biāo)”三個維度的要求。在課程授課中，教師重構(gòu)原有的知識體系，將知識點(diǎn)融入學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)探究、自主練習(xí)、案例分析等教學(xué)中，讓學(xué)生在實(shí)際場景中體驗(yàn)到運(yùn)用知識點(diǎn)的快樂，提高學(xué)生自我分析解決相關(guān)生產(chǎn)生活問題的能力，這也恰當(dāng)融入了思政元素。這樣，不僅可以提升學(xué)生的學(xué)習(xí)內(nèi)動力，為學(xué)生后續(xù)的科研學(xué)習(xí)奠基良好的理論基礎(chǔ)，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)創(chuàng)新思維和歷史責(zé)任感，還可以體現(xiàn)科學(xué)知識傳播的人文性，提升教師自身的教學(xué)素養(yǎng)，有利于建設(shè)一門有人文溫度的精品專業(yè)課程，培養(yǎng)具有更強(qiáng)實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力、國際競爭力的高素質(zhì)、復(fù)合型人才［910］。

2電極電勢教學(xué)的重要性分析

電極電勢是“無機(jī)化學(xué)”課程中氧化還原反應(yīng)的重要學(xué)習(xí)內(nèi)容，核心是理解掌握Nernst方程，重點(diǎn)是電極電勢的計(jì)算與廣泛應(yīng)用。在知識應(yīng)用方面，可利用電極電勢數(shù)值計(jì)算原電池的電動勢、化學(xué)平衡常數(shù)和相應(yīng)電池反應(yīng)的摩爾吉布斯自由能，判斷氧化劑、還原劑的相對強(qiáng)弱和某一氧化還原反應(yīng)進(jìn)行的方向和反應(yīng)進(jìn)行的程度等，也為后續(xù)物理化學(xué)中電化學(xué)知識的深層次學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。在學(xué)生發(fā)展層面，通過電極電勢的學(xué)習(xí)，引導(dǎo)學(xué)生公式推導(dǎo)，加深對Nernst方程表達(dá)式的理解；小組自主實(shí)驗(yàn)探究、討論總結(jié)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和實(shí)驗(yàn)操作技能，增強(qiáng)學(xué)生團(tuán)結(jié)合作的意識和分析、解決問題的能力；了解電極電勢的相關(guān)研究動態(tài)，激發(fā)學(xué)生的專業(yè)自豪感，培養(yǎng)學(xué)生對于科技發(fā)展和社會進(jìn)步的責(zé)任感和使命感。同時，將課程思政元素?zé)o縫銜接地融入電極電勢的教學(xué)中，更加有助于學(xué)生對知識的理解掌握，進(jìn)而應(yīng)用、解決實(shí)際問題。

3電極電勢多維化教學(xué)設(shè)計(jì)

3.1設(shè)計(jì)思路

電極電勢是“無機(jī)化學(xué)”?？嫉闹R點(diǎn)，該部分內(nèi)容邏輯性、抽象性強(qiáng)，而且是學(xué)生新接觸的內(nèi)容，學(xué)生理解能力參差不齊。在上課之前，學(xué)生提前進(jìn)行課本預(yù)習(xí)并在學(xué)習(xí)通上完成該章節(jié)的學(xué)習(xí)任務(wù)及自測環(huán)節(jié)，了解該章節(jié)的重難點(diǎn)，同時在自己疑惑的地方進(jìn)行標(biāo)注，便于課上針對性地聽講筆記。教師根據(jù)學(xué)生課前在學(xué)習(xí)通上的自測情況適當(dāng)調(diào)節(jié)教學(xué)策略，在教學(xué)安排上盡可能使內(nèi)容趣味化、具體化、生動化，讓學(xué)生喜聞樂見地接受并主動參與，將熱點(diǎn)話題“全球電動汽車的動力電池的研究”創(chuàng)設(shè)問題情境，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；通過引導(dǎo)學(xué)生推導(dǎo)Nernst方程的表達(dá)式和課堂練習(xí)鞏固，實(shí)現(xiàn)課堂上與學(xué)生的高度互動性；通過學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)探究、高中化學(xué)化學(xué)方程式正誤的自我分析判斷等教學(xué)活動，提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)動手能力和自我分析思考問題的能力。

電極電勢的計(jì)算及影響因素這部分內(nèi)容的課堂教學(xué)設(shè)計(jì)主要按照情景案例導(dǎo)入，拋出新學(xué)→Nernst方程公式推導(dǎo)→例題分析鞏固→學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)探究、舊知思考分析電極電勢的影響因素→課堂小結(jié)及拓展學(xué)習(xí)等來進(jìn)行，教學(xué)設(shè)計(jì)思路如圖1。

3.2具體課堂教學(xué)活動

3.2.1情景案例引入，拋出新學(xué)

在碳達(dá)峰、碳中和和能源戰(zhàn)略儲備雙重背景下，發(fā)展新能源電動汽車無疑將成為未來汽車發(fā)展新方向之一。而電動汽車的核心——動力電池是決定電動汽車性能的關(guān)鍵因素。2020年，全年電池裝車量累計(jì)137GWh，同比增長17%。其中，動力電池的主要生產(chǎn)廠商CN、HL、JS三家共占市場份額65%，國產(chǎn)品牌CN在動力電池方面已躋身世界前列［11］（見圖2），體現(xiàn)了汽車電動化浪潮下的民族之光。在觀看視頻中感受我國科技迅速發(fā)展的同時，培養(yǎng)學(xué)生的民族自豪感和改革創(chuàng)新的時代價(jià)值觀，同時拋出問題：電動汽車的動力電池如何設(shè)計(jì)呢？涉及的基礎(chǔ)知識——電極電勢如何計(jì)算呢？影響電極電勢的因素有哪些呢？

3.2.2知識點(diǎn)1：Nernst方程的內(nèi)涵學(xué)習(xí)

查詢標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的電極電勢φθox/red表可知，電池的標(biāo)準(zhǔn)電動勢Eθ池=φθ（+）-φθ（-）。設(shè)定問題：非標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下（C≠1mol·L-1，p≠100kPa）的電極電勢和電動勢怎樣求呢？學(xué)生思考片刻后，課堂上引入Nernst事跡，主要是Nernst在化學(xué)上的杰出成就，其中之一就是其在博士第二年就研究出電極電勢與濃度的關(guān)系（即Nernst方程），激勵學(xué)生熱愛自己所學(xué)專業(yè)，幫助學(xué)生樹立正確的人生觀和價(jià)值觀。

根據(jù)高中化學(xué)中所學(xué)，原電池可拆成對應(yīng)的氧化還原反應(yīng)。其中，電極反應(yīng)式就是對應(yīng)的氧化還原半反應(yīng)，對應(yīng)的Nernst方程中電極電勢與濃度的關(guān)系：

aOx+ne-→gRed，φoX/Red=φθoX/Red+RTnFln（COx）a（CRed）b（1）

電池反應(yīng)即為完整的氧化還原反應(yīng)，根據(jù)E池=φ（+）-φ（-），黑板板書輔助公式推導(dǎo)出原電池的Nernst方程：

aOx1+bRed2=gRed1+hOx2，E池=Eθ池+RTnFln（CRed2）b（COx1）a（COx2）h（CRed1）g（2）

這樣，加深學(xué)生對電極的Nernst方程的理解。其中T=298.15K時，n=電子轉(zhuǎn)移數(shù)，R=8.314J/（K·mol），F(xiàn)=96500kJ/（V·mol），電極和原電池的Nernst方程可分別簡化為：

φOx/Red=φθOx/Red+0.05916nlg（COx）a（CRed）b（3）

E池=Eθ池+0.05916nlg（CRed2）b（COx1）a（COx2）h（CRed1）g（4）

學(xué)生都喜歡記憶簡化后的公式，但也要切記電極和原電池的Nernst方程簡化公式是有條件的。同時，補(bǔ)充電池的電動勢還可以先運(yùn)用電極的Nernst方程計(jì)算正負(fù)極的電極電勢，再通過E池=φ（+）-φ（-）進(jìn)行計(jì)算。這樣可以幫助學(xué)生拓寬學(xué)習(xí)思路，而不只是一味地死記硬背公式。

此外，為了鞏固學(xué)生對Nernst方程的深層次理解，課堂上還通過具體示例引出Nernst方程計(jì)算時的注意事項(xiàng)（如下例所示）分析并讓學(xué)生課堂練習(xí)，個別學(xué)生講解例題進(jìn)行鞏固。此處蘊(yùn)含著一般性與特殊性的哲學(xué)道理。引導(dǎo)學(xué)生特殊情況特殊對待，在生活、學(xué)習(xí)中遇到困難時學(xué)會冷靜靈活地解決、換個角度思考問題。

例：有H+、OH-參加電極反應(yīng)時，則在Nernst方程中參與電動勢和電極電勢的計(jì)算，如：

MnO4+8H++5e-→Mn2++4H2O

φMnO-4/Mn2+=φθMnO-4/Mn2++0.059165lgCMnO-4·C8H+CMn2+（5）

3.2.3知識點(diǎn)2：電極電勢的影響因素的分析

在深層次理解了電極電勢的計(jì)算的基礎(chǔ)上，通過設(shè)問引導(dǎo)學(xué)生思考電極電勢的影響因素有哪些。課堂上主要采用了小組自主實(shí)驗(yàn)探究討論（見圖3）和高中化學(xué)方程式正誤的判斷分析的教學(xué)方式，激發(fā)學(xué)生對電極電勢的好奇心，同時培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)驗(yàn)證思維，引導(dǎo)學(xué)生獨(dú)立思考?xì)w納總結(jié)要點(diǎn)，加強(qiáng)學(xué)生對電極電勢影響因素的理解。

濃度、絡(luò)合劑或沉淀劑加入對電極電勢的影響主要通過小組自主實(shí)驗(yàn)探究對比分析數(shù)據(jù)，討論總結(jié)而得，小組1的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分別見表1、表2。教師引導(dǎo)學(xué)生把得出的結(jié)論結(jié)合電極電勢的Nernst方程（見公式3）計(jì)算分析，再次論證其正確性，更進(jìn)一步加深鞏固學(xué)生的理解，同時培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)結(jié)合作的意識；強(qiáng)調(diào)絡(luò)合劑或沉淀劑的加入從本質(zhì)上就是濃度對電極電勢的影響，順勢啟發(fā)學(xué)生學(xué)會透過現(xiàn)象看本質(zhì)，在分析問題時，要學(xué)會深層次地去思考，而不是只停留在表面。

酸度對電極電勢的影響主要通過高中化學(xué)案例——實(shí)驗(yàn)室制取氯氣的化學(xué)方程式引導(dǎo)學(xué)生分析思考。

MnO2+4HClΔMnCl2+Cl2↑+2H2O

讓學(xué)生觀察方程式的書寫是否正確，思考實(shí)驗(yàn)中用的是濃鹽酸還是稀鹽酸？假設(shè)實(shí)驗(yàn)是在C（MnCl2）=1mol·L-1，P（Cl2）=100kPa條件下進(jìn)行的，學(xué)生思考片刻后，引導(dǎo)學(xué)生利用電極電勢的Nernst方程分別計(jì)算鹽酸濃度分別為12mol·L-1（市售）、1mol·L-1時上述方程式對應(yīng)的電動勢。

將制取氯氣的反應(yīng)式拆成對應(yīng)的正負(fù)極電極反應(yīng)，進(jìn)行如下計(jì)算：

正極：MnO2+4H++2e-→Mn2++2H2O

φθ（MnO2/Mn2+）=1.2293V

φMnO2/Mn2+=φθMnO2/Mn2++0.059162lgC4H+CMn2+（6）

負(fù)極：2Cl--2e-→Cl2φθ（Cl2/Cl-）=1.360V

φ（Cl2/Cl-）=φθ（Cl2/Cl-）+0.059162lgP（Cl2）/PθC2Cl-（7）

結(jié)果顯示，當(dāng)C（HCl）=1mol·L-1時，E池＜0，反應(yīng)無法自發(fā)向右進(jìn)行；當(dāng)C（HCl）=12mol·L-1時，E池＞0，反應(yīng)可自發(fā)向右進(jìn)行，即實(shí)驗(yàn)中要用濃鹽酸才能制取氯氣，其正確的方程式為：

MnO2+4HCl（濃）ΔMnCl2+Cl2↑+2H2O

此時，教導(dǎo)學(xué)生在學(xué)習(xí)、科研中一定要理論聯(lián)系實(shí)際，實(shí)事求是，不要隨意篡改數(shù)據(jù)與事實(shí)。

3.2.4課堂小結(jié)及拓展學(xué)習(xí)

對電極電勢影響因素進(jìn)行課堂小結(jié)時化用蘇軾的《題西林壁》“橫看成嶺側(cè)成峰，遠(yuǎn)近高低各不同。不識‘電極’真面目，只緣身在‘燒杯’中?！闭n后在學(xué)習(xí)通上安排電極電勢這一章節(jié)的作業(yè)任務(wù)，提供關(guān)于電極電勢的拓展學(xué)習(xí)資料，即“基于DIS實(shí)驗(yàn)進(jìn)行原電池電極電勢變化的實(shí)驗(yàn)探究及其拓展”［12］，這是從物理的學(xué)科思維對電極電勢的學(xué)習(xí)研究，目的在于引導(dǎo)學(xué)生在遇到問題時不要一味鉆牛角尖，嘗試換一種角度思考，可以多學(xué)科思維學(xué)習(xí)，達(dá)到知識互通、如鹽入水的育人效果。

3.3實(shí)踐成效及反思

針對OBE理念下電極電勢多維化的課堂教學(xué)設(shè)計(jì)，我們通過問卷調(diào)查（見圖4）收集了學(xué)生的評價(jià)，其中93%的學(xué)生認(rèn)可這種教學(xué)方式，認(rèn)為這種方式使學(xué)習(xí)內(nèi)容豐富化，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。課堂上學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)探究交流以及案例分析等多元化教學(xué)方式讓師生更好地互動，體現(xiàn)了“以學(xué)生為中心”的教學(xué)理念，同時幫助學(xué)生樹立正確的學(xué)習(xí)觀和價(jià)值觀，提高了實(shí)驗(yàn)操作能力以及獨(dú)立思考分析問題的能力。

專業(yè)課教師要結(jié)合學(xué)生的特點(diǎn)，改變傳統(tǒng)的教學(xué)方式，采用多維化教學(xué)方法，讓學(xué)生參與到課堂中，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主動參與性。同時，作為思政教育隊(duì)伍主體的一部分，在教學(xué)過程中要把思政元素與“無機(jī)化學(xué)”課程中章節(jié)知識有機(jī)、自然、貼切地融合在一起，而不是簡單的課程+思政教學(xué)。

結(jié)語

傳統(tǒng)的課堂教學(xué)以教師為中心，主要以“教師主動輸出，學(xué)生被動輸入”的方式進(jìn)行，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣不高，課堂氣氛壓抑，學(xué)習(xí)效果差。OBE理念下融合思政元素等多維化課堂教學(xué)設(shè)計(jì)，以學(xué)生為中心，讓無聊的課堂氣氛活躍化，學(xué)生主動學(xué)習(xí)與探究，通過小組交流討論和相互學(xué)習(xí)，充分利用課本、圖書館、學(xué)習(xí)通、互聯(lián)網(wǎng)等線上線下資源，提升課外學(xué)習(xí)和自主學(xué)習(xí)質(zhì)效，鼓勵學(xué)生敢于自己探索、思考和體驗(yàn)，促使學(xué)生認(rèn)知、能力、德育方面的協(xié)調(diào)發(fā)展。但由于學(xué)習(xí)課時的緊湊和教師平時對思政元素研究薄弱，導(dǎo)致出現(xiàn)思政元素在課堂中的展示存在形式化和學(xué)生參與度不高等問題。因此，教師要改變之前固有的教學(xué)理念，多挖掘貼切課程內(nèi)容的思政元素，在當(dāng)前的無機(jī)課程課堂教學(xué)設(shè)計(jì)和實(shí)施中注意多角度、多系統(tǒng)地激勵、開拓學(xué)生思維，實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)際相結(jié)合，著重培養(yǎng)學(xué)生分析、判斷、遷移的能力和創(chuàng)造性思維。

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基金項(xiàng)目：基于OBE理念的無機(jī)化學(xué)混合式教學(xué)模式的探索：山西省高等學(xué)校教學(xué)改革創(chuàng)新項(xiàng)目（J20231807）

*通訊作者：郝曉婷（1989—），女，漢族，山西平遙縣人，碩士研究生，講師，研究方向：無機(jī)化學(xué)。