基于問題教學(xué)法在《電化學(xué)原理》課程教學(xué)的應(yīng)用實(shí)踐*

鄒忠利，王北平，薛 同

(北方民族大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，北方民族大學(xué)材料科學(xué)國家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，寧夏 銀川 750021)

電化學(xué)是物理化學(xué)的重要分支，在化學(xué)教育中占有重要的地位。新能源材料、納米技術(shù)、光電材料等許多前沿學(xué)科的基礎(chǔ)就是電化學(xué)，其主要內(nèi)容是解決科學(xué)研究和生產(chǎn)實(shí)際中涉及電化學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)有關(guān)金屬腐蝕、金屬電沉積及化學(xué)電源等方面的實(shí)際問題，涉及到化學(xué)、材料、能源、環(huán)境、生物等諸多學(xué)科領(lǐng)域，具有綜合性、交叉性和實(shí)用性的特點(diǎn)[1-2]。問題教學(xué)法最早起源于20世紀(jì)50年代的醫(yī)學(xué)教育中，目前已成為國際上較流行的一種教學(xué)方法[3-4]。問題教學(xué)法關(guān)鍵要素包括：作為導(dǎo)向的問題、團(tuán)隊(duì)合作與自主學(xué)習(xí)、教師指導(dǎo)、自我評(píng)價(jià)與小組評(píng)價(jià)。筆者從事電化學(xué)原理課程理論教學(xué)多年，將問題教學(xué)法具體應(yīng)用到了電化學(xué)理論課程的教學(xué)實(shí)踐，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段及評(píng)價(jià)體系三方面進(jìn)行了探索。

1 課程現(xiàn)狀

《電化學(xué)原理》課程是面向我校材料學(xué)院新能源材料與器件專業(yè)第3學(xué)期開設(shè)的一門專業(yè)核心課，本課程旨在培養(yǎng)學(xué)生掌握電化學(xué)原理與應(yīng)用相關(guān)理論，并為相關(guān)后續(xù)課程提供基礎(chǔ)。目前有許多高校開設(shè)了這門課，限于學(xué)科及學(xué)時(shí)限制等原因，電化學(xué)原理這一重要學(xué)科內(nèi)容的課程建設(shè)很薄弱，該課程以往的授課方式仍以傳統(tǒng)的灌輸式教學(xué)為主，學(xué)生對(duì)電化學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)缺乏深入地理解，對(duì)其廣泛的應(yīng)用也是知之甚少，再加上該課程的學(xué)習(xí)起點(diǎn)高，概念抽象難懂。如何在有限的課堂上激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使其能掌握電化學(xué)的理論和原理并能將之應(yīng)用于實(shí)踐，是一個(gè)有意義的研究課題[5-6]。

2 教學(xué)內(nèi)容體系改革

《電化學(xué)原理》課程的主要內(nèi)容包括電化學(xué)熱力學(xué)、電化學(xué)動(dòng)力學(xué)及應(yīng)用等幾部分組成。由于在前序課程《物理化學(xué)》中對(duì)電化學(xué)熱力學(xué)的內(nèi)容已經(jīng)涵蓋，所以本課程的教學(xué)重點(diǎn)放在電化學(xué)動(dòng)力學(xué)及應(yīng)用方面。電化學(xué)動(dòng)力學(xué)及應(yīng)用包括電極/溶液界面的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)、電極過程概論、液相傳質(zhì)步驟動(dòng)力學(xué)、電子轉(zhuǎn)移步驟動(dòng)力學(xué)、氣體電極及金屬陰陽過程等部分組成。課程教材通過綜合考慮選擇北京航天航空大學(xué)李荻的《電化學(xué)原理》，該教材屬于經(jīng)典教材，對(duì)水溶液電化學(xué)的基本原理論述成熟全面，非常適合本課程學(xué)習(xí)使用。

首先在教學(xué)實(shí)踐中筆者對(duì)原有教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了優(yōu)化，筆者確定重點(diǎn)講解電化學(xué)的基本原理，對(duì)實(shí)用部分有所舍棄，去除原有教學(xué)內(nèi)容中半導(dǎo)體電化學(xué)、光電化學(xué)和化學(xué)電源的內(nèi)容，緊緊圍繞電極過程的基本歷程展開，制定了課程的主線，電化學(xué)動(dòng)力學(xué)的各個(gè)部分都由這條主線串聯(lián)在一起，前后聯(lián)系，密不可分。限于課時(shí)有限的原因，參考其他院校的經(jīng)驗(yàn)[7-8]，避免推導(dǎo)復(fù)雜公式，著重講解公式中符號(hào)的意義和使用條件，降低學(xué)習(xí)課程的難度。另外根據(jù)課程要求起點(diǎn)高的特點(diǎn)，將課程涉及的高等數(shù)學(xué)和物理化學(xué)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行有針對(duì)性的講解，查漏補(bǔ)缺，解決部分學(xué)生先修課程基礎(chǔ)不足的問題。問題教學(xué)法的核心在于問題的提出，在實(shí)際的教學(xué)實(shí)踐中，通過精心設(shè)計(jì)的問題為引導(dǎo)，可以使學(xué)生按照教師預(yù)設(shè)的情景發(fā)展，由此可見，問題體系的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。提出的問題應(yīng)難易適中，不超綱，同時(shí)貼近實(shí)踐應(yīng)用。以下僅舉4個(gè)問題情境的例子。

(1)電化學(xué)的發(fā)展已有二百多年的歷史，作為一門交叉學(xué)科在眾多領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用，那么電化學(xué)反應(yīng)區(qū)別其他化學(xué)反應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)是什么？電解液性質(zhì)和電極材料及表面狀態(tài)能不能影響電極反應(yīng)速度？如果研究電極/溶液界面的結(jié)構(gòu)，可以采用哪些研究方法？

(2)從小型電子裝置所需的微電池到大的電動(dòng)車動(dòng)力源，能源存儲(chǔ)已經(jīng)成為了21世紀(jì)能源關(guān)鍵技術(shù)。那么在新型電池的研究過程中總是出現(xiàn)極化現(xiàn)象，什么是極化現(xiàn)象？極化程度的表示方法有哪些？極化的原因有哪些？如何克服極化現(xiàn)象？

(3)電化學(xué)在工業(yè)生產(chǎn)占有重要地位，如氯堿工業(yè)、電解制氫、電冶金等，電化學(xué)電沉積的特點(diǎn)？基本歷程？金屬沉積可能性的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)條件是什么？

(4)電化學(xué)中關(guān)于電位的概念有很多，如內(nèi)電位、外電位、相間電位、相對(duì)電位、絕對(duì)電位、標(biāo)準(zhǔn)電位、平衡電位、不平衡電位、穩(wěn)定電位等，它們的定義和相互關(guān)系是什么？

由這些情境問題做引導(dǎo)，學(xué)生可以進(jìn)行廣泛地查閱文獻(xiàn)資料，不僅僅局限于教材的內(nèi)容，分組討論，歸納總結(jié)，通過這個(gè)過程培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)主動(dòng)性。

3 教學(xué)手段多樣化

以往電化學(xué)原理課程采用傳統(tǒng)的大班授課方式，學(xué)生的學(xué)習(xí)效果有限，根據(jù)問題教學(xué)法的實(shí)施原則，采取“大班教學(xué)、小組合作”的教學(xué)模式[9-11]，將學(xué)生分為10～15人的學(xué)習(xí)小組，先由教師協(xié)助選舉產(chǎn)生一個(gè)組長，再由組長進(jìn)行具體學(xué)習(xí)任務(wù)的分配，如資料收集、整理、匯報(bào)等，每位學(xué)生都必須參與其中，不僅僅了解自己的任務(wù)，還應(yīng)熟悉其他環(huán)節(jié)，在這個(gè)過程中增加學(xué)生的組織協(xié)調(diào)能力、團(tuán)隊(duì)精神。充分發(fā)揮學(xué)生的主動(dòng)性和能動(dòng)性，以小組為單位進(jìn)行討論，選代表發(fā)言，講解理論知識(shí)、遇到的疑問、解決的途徑與方法以及自己的收獲。最后老師和學(xué)生進(jìn)行評(píng)定，評(píng)出一個(gè)表現(xiàn)最佳的小組，給該小組的每個(gè)成員加分，納入學(xué)習(xí)總成績。同時(shí)，教師積極地轉(zhuǎn)換自己的角色，從知識(shí)的教授者變成引導(dǎo)者。教學(xué)手段除了課堂的重點(diǎn)難點(diǎn)多媒體講解，還可以充分利用網(wǎng)絡(luò)媒體的優(yōu)勢(shì)，通過MOOC平臺(tái)將一些重點(diǎn)章節(jié)和視頻進(jìn)行上傳，方便學(xué)生查詢和自學(xué)，充分利用學(xué)校的智慧校園系統(tǒng)進(jìn)行學(xué)生的出勤，課堂小測(cè)驗(yàn)的考評(píng)，課堂問題的搶答和抽查等教學(xué)環(huán)節(jié)。

4 課程評(píng)價(jià)的教學(xué)改革

傳統(tǒng)的終結(jié)性評(píng)價(jià)只能在相對(duì)比較長的一個(gè)階段結(jié)束之后進(jìn)行，形成評(píng)價(jià)也是在一個(gè)學(xué)習(xí)階段結(jié)束后進(jìn)行，是一種事后評(píng)價(jià)。過程性評(píng)價(jià)卻是與教學(xué)同時(shí)進(jìn)行的共時(shí)性評(píng)價(jià)，提倡評(píng)價(jià)和教學(xué)相互交叉與融合，評(píng)價(jià)主體與客體間的互動(dòng)，能及時(shí)地反映學(xué)生學(xué)習(xí)中的情況，及時(shí)地肯定學(xué)生的成績，引導(dǎo)學(xué)生的學(xué)習(xí)和發(fā)展方向，及時(shí)地發(fā)現(xiàn)存在的問題與不足，改錯(cuò)糾偏。電化學(xué)原理課程積極開展以平時(shí)作業(yè)、綜合性大作業(yè)、階段性測(cè)驗(yàn)、課堂專題討論、教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)等形式為主的過程性考核。開展探究式、啟發(fā)式、互動(dòng)式、研討式教學(xué)方式改革，強(qiáng)化學(xué)生過程性學(xué)習(xí)方式變革，加強(qiáng)學(xué)生的思考力、判斷力、溝通力和思維方式的培養(yǎng)。

5 教學(xué)效果對(duì)比

筆者采用問題教學(xué)法在2017級(jí)新能源材料與器件專業(yè)進(jìn)行了具體的教學(xué)實(shí)踐，對(duì)比沒有實(shí)施問題教學(xué)法的2016級(jí)新能源材料與器件專業(yè)，對(duì)兩個(gè)年級(jí)期末考試的試卷進(jìn)行具體分析，采用直方圖和正態(tài)曲線對(duì)2016級(jí)新能源專業(yè)的卷面試卷進(jìn)行分析，如圖1所示。

圖1 2016級(jí)新能源專業(yè)試卷總分分布直方圖及正態(tài)曲線分布圖

2016級(jí)新能源專業(yè)的卷面及格率為40%，其中90～100分占6.67%，70～79分占13.33%，60～69分占20.00%。大多數(shù)學(xué)生的分?jǐn)?shù)集中在60分以下，由圖1可知，2016級(jí)學(xué)生的卷面成績分布基本符合正態(tài)分布規(guī)律，最高分90分，最低分13分，平均分49.27，標(biāo)準(zhǔn)差21.84。

2017級(jí)新能源專業(yè)試卷總分分布直方圖及正態(tài)曲線分布圖如圖2所示。

由圖2可知，采用了問題教學(xué)法培養(yǎng)的2017級(jí)學(xué)生卷面成績整體有明顯提高。2017級(jí)新能源專業(yè)的卷面及格率為74.19%，其中90～100分占3.23%，80～89分占16.13%，70～79分占19.35%，60～69分占35.48%。絕大多數(shù)同學(xué)的分?jǐn)?shù)集中在60分以上，班級(jí)的平均成績?yōu)?5.11分。學(xué)生的卷面成績分布基本符合正態(tài)分布規(guī)律，最高分92分，最低分21分，平均分65.11，標(biāo)準(zhǔn)差16.67?？梢钥闯?017級(jí)學(xué)生卷面成績的離散度相對(duì)2016級(jí)學(xué)生的更小，更集中。

圖2 2017級(jí)新能源專業(yè)試卷總分分布直方圖及正態(tài)曲線分布圖

6 結(jié) 語

問題教學(xué)法是一種系統(tǒng)的、具有創(chuàng)新力的現(xiàn)代教學(xué)方法，通過問題教學(xué)法在《電化學(xué)原理》課程的具體實(shí)踐，學(xué)生的學(xué)習(xí)主觀能動(dòng)性得到了明顯加強(qiáng)，激發(fā)了學(xué)習(xí)興趣，學(xué)生的學(xué)習(xí)途徑增多了，課程的考核更加公正客觀，課程的滿意度得到了學(xué)生和同行的高度肯定。從實(shí)施問題教學(xué)法前后學(xué)生的期末卷面成績可以明顯看出教學(xué)改革的效果，在試卷難度相當(dāng)?shù)那闆r下，2017級(jí)新能源專業(yè)學(xué)生的卷面成績相對(duì)于2016級(jí)新能源專業(yè)學(xué)生普遍較高，學(xué)生的卷面及格率有明顯提升，卷面平均成績有顯著提高，教學(xué)效果良好。