《電化學基礎》課程的教學改革與優(yōu)化方案

馬小航，訾振發(fā)，魏義永

(合肥師范學院 電子信息工程學院，安徽 合肥 230601)

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《電化學基礎》課程的教學改革與優(yōu)化方案

馬小航，訾振發(fā)，魏義永

(合肥師范學院 電子信息工程學院，安徽 合肥 230601)

電化學基礎是新能源材料與器件專業(yè)的一門專業(yè)基礎課。針對教學過程中遇到的問題，從教學內(nèi)容、教學方法和教學考核三個環(huán)節(jié)探討了該課程的優(yōu)化及改革方案。通過這些方案的實施, 可以有效提高教學效果，激發(fā)學生的學習積極性，為培養(yǎng)高素質(zhì)的新能源材料與器件專業(yè)人才奠定基礎。

電化學基礎；教學內(nèi)容；教學方法；教學考核

隨著現(xiàn)代社會的快速發(fā)展，人們對能源的需求日益增長，石油、天然氣等不可再生的資源被大量消耗，隨之產(chǎn)生的環(huán)境污染也日益嚴重。能源短缺和環(huán)境污染已成為當今社會發(fā)展所面臨的兩大主要難題，而解決這些難題的關鍵在于探索和發(fā)展環(huán)境友好、經(jīng)濟適用和儲量豐富的新型能源，如風能、太陽能、地熱能、核能等。新能源的發(fā)展離不開相關材料與器件的研發(fā)，因此為促進新能源領域相關科學技術的發(fā)展，教育部于2010年首次批準在全國部分高校設置新能源材料與器件專業(yè)，以培養(yǎng)適合國家未來新能源發(fā)展的優(yōu)秀人才，適應新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展要求[1-4]。2014年，合肥師范學院成功獲批了新能源材料與器件專業(yè)，并于2015年開始招生。然而，作為一個新開設的專業(yè)，雖已經(jīng)過幾年的實踐，但學科建設仍處于起步階段，可借鑒的現(xiàn)成經(jīng)驗較少，尤其在專業(yè)課程的設置、課程教學方法的運用、課程考核模式等方面存在許多問題。

在我校2016版新能源材料與器件專業(yè)培養(yǎng)方案的指導下，我校開設了“電化學基礎”課程，作為該專業(yè)的一門專業(yè)基礎課。該課程主要介紹了電化學體系的組成、電化學熱力學基本原理、電極過程動力學基本原理和研究方法等，是后續(xù)學習電化學測量、現(xiàn)代電化學以及各種電化學工藝課程的基礎，在化學電源、電鍍、電解、腐蝕防護及電化學分析等領域有著廣泛的應用，并不斷的與其他學科如環(huán)境、能源、材料等形成交叉學科[5]。同時，課程內(nèi)容對構建新能源工程技術人員的專業(yè)知識體系，培養(yǎng)學生科學的思維方法和創(chuàng)新能力以及運用基礎理論解決實際問題的能力具有重要作用。但該課程中電化學理論比較深奧，理論推導比較復雜，涉及大量的新概念、新公式、新理論，要求學生具有較扎實的化學、物理化學及數(shù)學方面的基礎知識。而對于我校本科生而言，在學習該課程前，他們沒有系統(tǒng)學習過普通化學、物理化學及數(shù)學物理方法等相關知識，基礎理論知識和相關運算能力準備不足，因此在該課程的學習上存在一些問題：第一，該課程內(nèi)容主要以概念、定理為主，其中包括大量公式的數(shù)學推導過程，在教學中學生反映部分概念過于抽象，公式推導不理解，對部分知識的掌握上存在較大難度，這也造成了學生易產(chǎn)生厭倦和抵觸情緒，使得該課程的教學效果難以達到預期；第二，由于課程內(nèi)容理論性較強，目前采取的教學方法主要是板書與多媒體教學相結合的方式，但學生普遍反映課件中文字量太大，圖片及相關視頻等直觀性內(nèi)容較少，學習期間往往感到乏味，注意力不足；第三，在學習考核方面，目前多采取閉卷形式，考試也多以概念、定理識記的客觀題為主，而實際應用的主觀題較少，考核方式的單一性造成學生對知識學習停留在刻板背誦的水平上，難以提升學生對知識學以致用的能力，進而無法開展相應的實踐應用。基于以上教學實踐和課程內(nèi)容，我們逐漸認識到原有的教學方法和教學考核已不能完全適用于該課程的講授。因此，鑒于該課程在專業(yè)知識結構中的重要性以及學習的困難性，結合以往的教學實踐經(jīng)驗，本文將從電化學基礎課程教學內(nèi)容、教學方法和教學考核三個環(huán)節(jié)出發(fā)，初步探討對該課程的及改革措施和具體優(yōu)化方案，從而有效提高了該課程的教學質(zhì)量。

1 教學內(nèi)容

1.1 優(yōu)選課程教材，優(yōu)化教學內(nèi)容

目前全國開設新能源材料與器件專業(yè)的大多數(shù)高校中，電化學基礎課程理論部分學時至少在 64 學時以上，而我校作為應用型本科院校在2016版培養(yǎng)方案中嚴格規(guī)定了該課程總學時為 64 學時，其中理論部分學時為48學時，需在一個學期教授完全部課程，這造成了在選取教材方面存在較大困難。電化學基礎方面的教材有很多，內(nèi)容各自都具有一定的側重性，對學習者的知識層次和能力要求各有不同。如北京航空航天大學李狄[6]老師編寫的《電化學原理》，主要內(nèi)容側重于電化學基本理論問題，而不包括電化學測試技術和電化學在工程中的應用，教授對象也只是面向材料專業(yè)的本科生或研究生；天津大學郭鶴桐[7]教授編寫的《基礎電化學及測量》，雖在理論講解方面和理論聯(lián)系實際應用方面雙向并重，但對學生基礎知識具有一定要求，使用該教材前，學生需已學完物理化學、電工與電子學等相關課程。綜合考慮后我們選用了哈爾濱工業(yè)大學高鵬[8]老師編寫的《電化學基礎教程》作為本校新能源材料與器件專業(yè)本科學生教材，該書對傳統(tǒng)電化學的內(nèi)容去繁就簡，內(nèi)容也深入淺出，便于學生理解和掌握。而在此基礎上，我們并未照本宣科，過度依賴教材，而是結合自身專業(yè)的培養(yǎng)目標，對該教材原有內(nèi)容進行了修訂。如在相間電勢和可逆電池這一章節(jié)中，補充了原電池的基本原理和表示方法，以簡單的電源電動勢為例，逐步深入解釋內(nèi)、外電勢及表面電勢的概念；在擴散這一章節(jié)中，補充講解了穩(wěn)態(tài)擴散和非穩(wěn)態(tài)擴散的區(qū)別，以具體的示例對菲克第二定律進行了公式推導及應用；在實際電極過程一章中，補充電化學知識在鋰離子電池，燃料電池等中的實際運用，使其更具有直觀性和目的性。同時，由于該課程對數(shù)據(jù)處理和圖形表示有一定要求，因此特別補充了origin作圖軟件的用法，以幫助學生有效掌握數(shù)據(jù)分析手段。

1.2 梳理知識結構、補充基礎知識

電化學基礎概念較多，公式推導復雜，因此在教學過程中要求教師設計出合理的課程知識體系和授課思路，以便于學生的理解和掌握。如對于一個新概念，教師應在授課時明確說明，這一概念引入的背景、定義的表達、其物理意義、適用范圍等。知識體系的構建和分類，如教學中我們將電極過程動力學與電荷傳遞過程作為一個整體，將熱力學與雙電層模型作為一個整體進行分別講解，使學生對知識結構更加系統(tǒng)地理解，融會貫通。電化學中公式和結論推導過程都使用了大量基礎數(shù)學知識，教學過程中教師應有意識地在課堂上加以補充，如在推導“Fick 第一定律”過程中，需要使用一個冪級數(shù)多項式表示普遍化關系，這就需要教師在推導之前對高數(shù)中冪級數(shù)多項式進行介紹，利用高等數(shù)學知識促進學生理解定律的推導，使學生可以循序漸進的掌握難度較大的知識點。

1.3 教學內(nèi)容與實踐結合

電化學本質(zhì)是一門從電學現(xiàn)象與化學現(xiàn)象的聯(lián)系去尋找化學變化規(guī)律的學科，以電化學熱力學、界面雙電層和電極過程動力學作為三大理論支柱。在課程學習初期，學生往往感到電化學的理論太抽象，難以捉摸。因此在授課過程中，教師可以將理論知識與實際應用相結合、抽象概念與具體圖像相結合，以直觀性的實物或圖像引導學生對抽象性的理論進行掌握。如在講授可逆電池一節(jié)中，可引入手機中常用的鋰離子電池作為實例進行概念分析。在分析各種極化時，提示學生頭腦中要有反應物和產(chǎn)物粒子如何在電極表面液層中運動的清晰圖像。同時，為使學生更加全面的理解所學的電化學知識，我校在該課程上單獨設立了16學時的課內(nèi)實驗教學環(huán)節(jié)，理論聯(lián)系實際，針對實際問題進行思考，以所學知識加以分析。此外，本專業(yè)教師大多具有博士學歷，研究方向均為新能源材料，但各有側重方向，如太陽能電池、鋰離子電池、燃料電池等方向，實驗條件比較完善，因此我們鼓勵學生根據(jù)自己興趣，利用課外時間積極參與到教師的相關課題研究中，結合電化學知識針對性地對某一實際問題進行分析，以加深對知識的理解與運用。教學優(yōu)化的主要內(nèi)容如表1所示。

2 教學方法

2.1 傳統(tǒng)教學手段與現(xiàn)代教學手段相結合

由于電化學基礎是學生初次接觸到的課程，且前期相關的知識儲備比較薄弱，學習中經(jīng)常會遇到知識過于抽象而難以理解的問題。因此，教師在授課過程中需要改變教學方法，將傳統(tǒng)的板書教學手段與現(xiàn)代的多媒體和網(wǎng)絡技術教學手段結合在一起。對于較難的基本原理講解時，例如闡述電化學

表1 教學方面優(yōu)化的主要內(nèi)容

極化、電化學動力學原理等難點問題時，可使用板書教學手段逐個擊破，放緩信息量的輸出速度，使學生有足夠的時間對知識進行理解和自我消化。同時，要充分利用多媒體技術和網(wǎng)絡技術等現(xiàn)代教學手段，將課程中抽象難懂的概念、關系、結構以圖像、動畫、視頻的形式展現(xiàn)出來，加深學生對知識點的理解，提高課堂效率。如在講解物質(zhì)擴散的三種方式時，可以將物質(zhì)不同的擴散運動以動畫的形式表示出來，使學生更加直觀的掌握。還可以通過圖像和視頻向?qū)W生展示與本課程知識相關的重要科技前沿成果，激發(fā)學生的學習興趣，啟發(fā)學生的創(chuàng)新思維。此外，在采用多媒體和網(wǎng)絡技術教學的基礎上，課下可依托學校的網(wǎng)絡教學平臺建立該課程的學習平臺，如嘗試引入“翻轉課堂”、“微課”，將教學大綱，教案，網(wǎng)絡作業(yè)，微視頻，參考書目等相關內(nèi)容上傳，讓學生根據(jù)自己實際情況在課下自由選擇時間進行學習，解決自身存在的不同問題，強化對知識的理解和掌握，提高學生的自學能力，使課堂教學得以延續(xù)和補充[9]。

2.2 多種教學方式相結合

在課堂教學過程中教師需擺脫對學生填鴨式的教學方式，將多種教學方式有機的結合起來，如以問題為中心的啟發(fā)式教學、對比教學法、案例教學法等，設法調(diào)動學生學習的積極性，提高教學效果。在教學過程中將原理與例題講解相結合，理論與實際應用相結合，多啟發(fā)，多提示，充分調(diào)動學生的自我思考。講述深奧基礎理論時可選用學生熟悉的生活現(xiàn)象或已學過的概念來設置疑問或?qū)Ρ?，進而引出理論解釋，促進學生的理解和掌握。講解精選例題時多啟發(fā)學生，以傳授解題思路為主，講解具體例題為輔，引導學生培養(yǎng)正確的思維方式，充分調(diào)動學生的參與意識，促進教學質(zhì)量的提高。

3 教學考核

3.1 優(yōu)化成績評定制度

目前針對一門課程的成績評價制度較為單一，學生最終成績往往是由平時成績和期末成績兩部分構成，其分值分配比例相對固定，通常是平時成績占30%，期末成績占70%，其中平時成績又分為學習態(tài)度、課堂參與、平時作業(yè)三個小部分，各占平時成績的20%、20%和60%。由此可以看出最終成績主要是由期末考試的成績決定，而平時成績主要是由平時作業(yè)成績決定，這就帶來一些問題。針對于平時成績，教師在教學過程中無法對每個學生的學習態(tài)度和課堂參與度做出公正評價，僅僅是在平時作業(yè)的完成度和正確率上做出一些評判，并以此作為其他成績的評價標準，甚至隨意性給出其他成績，這樣做既缺乏公正性也是無奈之舉。同時學生在平時學習中也只是注重課堂作業(yè)，而課堂參與的積極性和學習態(tài)度一般，為獲得較高的平時成績，作業(yè)抄襲比較嚴重。期末考試階段，由于學生平時僅是完成作業(yè)，課后很少及時復習，因此才出現(xiàn)了“書到用時方恨少”和“只能臨時抱佛腳”的現(xiàn)象。鑒于以上因素，我們在電化學課程的教學中可以對這一成績評定制度進行優(yōu)化：首先，提高平時成績在總成績所占比例，如提至總成績的40%。其次，將學習態(tài)度和課堂參與成績合并為一項，占平時成績的50%，并規(guī)定學生只能通過參與課堂教學活動，如隨堂問題的回答，各類教學環(huán)節(jié)的參與，以參與次數(shù)作為評價標準。最后，設立期中考核，與期末成績各占總成績的20%，促使學生自發(fā)的進行階段性復習，循序漸進的掌握知識。

3.2 嘗試其他考核模式

改革以往單一的考核模式，如教師平常布置的作業(yè)往往就是課后題，學生經(jīng)常存在按題網(wǎng)上找參考答案，而老師也是根據(jù)參考答案批改作業(yè)，題目是固定的，參考答案是固定的，使學生對問題往往缺乏思考，在知識的運用上過于局限。課堂教學過程中，經(jīng)常是老師提出問題，學生被動式的回答問題或者接受分析。因此，可在教學中嘗試其他的考核模式，如鼓勵學生走上講臺，分配一定的章節(jié)或知識點，交給學生分組備課，然后上臺講解，促進學生自身思考。平時作業(yè)也可靈活變化，引入與本課程相關的課堂小論文或?qū)W科小報告，并計入最終成績，如對電化學在某一領域中的應用進展寫一篇小論文，以此不但可以激勵學生學習主動性和積極性，而且讓學生了解了最新國際前沿研究動態(tài)。

4 結語

電化學基礎是新能源材料與器件專業(yè)的一門專業(yè)基礎課，可為后續(xù)的其他專業(yè)課程的開展提供必要的基礎知識儲備。因此，希望結合新能源材料與器件的專業(yè)特點和電化學基礎課程的課程標準，通過合理優(yōu)化教學內(nèi)容，改善教學方法和教學考核模式，探索行之有效的教學思路，從而提高該課程的教學質(zhì)量和教學效果。以上幾點看法希望能起到拋磚引玉的作用，電化學基礎課程的教學改革任重而道遠，需要廣大高校教師不斷地探索和完善。

[1] Aydin S., Friedrichsen P.M., Y Boz, Hanuscin D.L. Examination of the topic-specific nature of pedagogical content knowledge in teaching electrochemical cells and nuclear reactions[J].Chemistry Education Research & Practice, 2014, 15(4):658-674.

[2] 安春愛，米曉云，柏朝暉. 淺談新能源材料與器件專業(yè)建設[J].長春教育學院學報, 2012,28(6):107-108.

[3] Fernando B. Mainier, Luciane P. C. Monteiro, Antonio Carlos M. Rocha, Renata J. Mainier. Industrial electrochemical: a new teaching approach[J]. American Journal of Engineering Research, 2013, 2(8): 58-63.

[4] Brouwer H. A novel approach to teaching electrochemical principles[J]. Journal of Chemical Education,1996,73(4):354-355

[5] Bard A.J. Electrochemical Methods Fundamentals and Applications [M]. U.S.: JOHN WILEY & SONS, 2005.

[6] 李荻.電化學應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008.

[7] 郭鶴桐.基礎電化學及測量[M].北京：化學工業(yè)出版社，2009.

[8] 高鵬.電化學基礎教程[M].北京：化學工業(yè)出版社，2013.

[9] 黃琰,蔣玲,黃磊.翻轉課堂在“現(xiàn)代教育技術”實驗教學中的應用研究[J].中國電化教育, 2014, 4(327):110-115.

Optimized Methods and Teaching Reform of "Electrochemical Basis"

MA Xiaohang， ZI Zhenfa， WEI Yiyong

(SchoolofElectronicsandInformationEngineering,HefeiNormalUniversity,Hefei230601,China)

Electrochemical Basis is a professional basic course in the major of new energy materials and devices. Aiming at the problems in the teaching process, the optimization and reform measures are discussed from the aspects of teaching contents, teaching methods and teaching assessment. Through these measures, the teaching effect is effectively improved, and students' enthusiasm for learning is stimulated. The foundation is laid for the new energy materials and devices of high-quality professional talent training.

Electrochemical Basis; teaching contents; teaching methods; teaching assessment

2016-12-20

馬小航(1988-)，男，漢族，河北衡水人，講師，中國科學技術大學博士，主要從事新能源材料與器件的教學與實驗研究。

G64

B

1674-2273(2017)03-0060-04