電化學(xué)基礎(chǔ)課程教學(xué)改革探索

黃 燕 劉清江 慈立杰 武俊偉

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）材料科學(xué)與工程學(xué)院 廣東深圳 518055）

電化學(xué)基礎(chǔ)是探索電能和化學(xué)能互相轉(zhuǎn)化奧秘的科學(xué)，它滿足時(shí)代進(jìn)步的需求，影響著人們的生活，同時(shí)在科研領(lǐng)域，已貫穿能源、環(huán)境、材料等諸多學(xué)科，與人們的生活早已密不可分[1]。通過(guò)在高校研究生中開(kāi)設(shè)該課程，學(xué)生可以非常系統(tǒng)地了解不同類型的電化學(xué)反應(yīng)機(jī)理與過(guò)程，掌握各種測(cè)試方法的原理及相關(guān)材料科學(xué)理論；熟悉并學(xué)會(huì)操作各種測(cè)試設(shè)備，提高動(dòng)手能力；學(xué)會(huì)根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，掌握解決實(shí)際問(wèn)題的方法，提高綜合素質(zhì)。在此基礎(chǔ)上，學(xué)生還能夠獨(dú)立擬定電池與電催化測(cè)試方案，進(jìn)行電化學(xué)性能分析和研究工作，為畢業(yè)后從事電化學(xué)研發(fā)、生產(chǎn)、檢測(cè)等工作打下良好的基礎(chǔ)。但同時(shí)因?yàn)檫@門課程的基礎(chǔ)知識(shí)繁雜，偏于理論和計(jì)算，并且側(cè)重于邏輯分析，導(dǎo)致學(xué)生在知識(shí)的接收上出現(xiàn)了差異，在全方位且系統(tǒng)地理解電化學(xué)知識(shí)上遇到了困難，難以掌握課程理論與實(shí)際電化學(xué)實(shí)驗(yàn)上的內(nèi)在聯(lián)系，在學(xué)習(xí)成果上見(jiàn)效甚微。

通過(guò)結(jié)合電化學(xué)基礎(chǔ)課程的特色，以及近年來(lái)的最新科研成果，以下提出可被廣泛采用的教學(xué)方法，同時(shí)針對(duì)課程教學(xué)中存在的問(wèn)題，探索了一些有益的教學(xué)改革方案，以期對(duì)該課程的教學(xué)質(zhì)量提升與發(fā)展起到積極的推動(dòng)作用。

一、正確選擇教輔資料

作為基礎(chǔ)課程的參考書，其內(nèi)容一定要滿足以下條件：首先，它必須囊括課程所要求的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，且前后銜接要自然，相關(guān)公式的推導(dǎo)要合理，盡量做到理論化、專業(yè)化、簡(jiǎn)便化，這樣才不會(huì)給使用者在學(xué)習(xí)過(guò)程中徒增壓力。其次，這本書需要做到知識(shí)點(diǎn)與相關(guān)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，讓使用者在理解實(shí)驗(yàn)過(guò)程的基礎(chǔ)上，增加對(duì)知識(shí)點(diǎn)的吸收。最后，這本書不能只是一本類似于字典的知識(shí)點(diǎn)集合體，它需要緊跟時(shí)代發(fā)展，在書中介紹較多最新科研成果，讓使用者在學(xué)習(xí)過(guò)程中了解外界發(fā)生的點(diǎn)點(diǎn)滴滴，增加學(xué)習(xí)興趣，在閱讀世界先進(jìn)成果的過(guò)程中自主學(xué)習(xí)，避免出現(xiàn)煩躁情緒，影響學(xué)習(xí)積極性。

通過(guò)篩選，我們最終選擇使用《電化學(xué)方法：原理和應(yīng)用》第二版作為課程的輔助教材。第一，這本書主要分析和介紹了電化學(xué)熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)及各類測(cè)試方法，也包括了導(dǎo)體和電解液的相關(guān)知識(shí)，主體脈絡(luò)緊緊圍繞電化學(xué)的基本理論展開(kāi)，但將內(nèi)容較為艱深和枯燥的公式推導(dǎo)等純理論內(nèi)容的難度控制在學(xué)生可以接受的范圍內(nèi)。同時(shí)，針對(duì)理論的不同情況，引入大量實(shí)例，幫助學(xué)生學(xué)習(xí)和理解。第二，對(duì)涉及電化學(xué)的新能源技術(shù)領(lǐng)域的新進(jìn)展進(jìn)行介紹，特別是儲(chǔ)能電池、燃料電池等方面，以培養(yǎng)學(xué)生對(duì)該方向的興趣，并借此機(jī)會(huì)提出一些具體實(shí)例，供學(xué)生去開(kāi)拓眼界，了解當(dāng)代科研的目標(biāo)以及最先進(jìn)的技術(shù)。第三，充分發(fā)揮電化學(xué)基礎(chǔ)作為一門基礎(chǔ)學(xué)科在學(xué)生培養(yǎng)計(jì)劃中的作用，做到承上啟下，無(wú)論是對(duì)化學(xué)、物理、材料等基礎(chǔ)課程的專業(yè)性延伸，還是為學(xué)生打下金屬離子電池、燃料電池等電化學(xué)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，都有著重要作用。因此，在教學(xué)上，將電化學(xué)基礎(chǔ)課程中涉及物理、化學(xué)等課程的內(nèi)容進(jìn)行適度壓縮，不對(duì)相關(guān)知識(shí)進(jìn)行重復(fù)教學(xué)，而是著重于介紹這些知識(shí)在電化學(xué)學(xué)科中的應(yīng)用?；诖?，在教學(xué)改革后，電化學(xué)基礎(chǔ)課程內(nèi)容緊湊，既保證基礎(chǔ)理論學(xué)習(xí)的扎實(shí)，又保證理論學(xué)習(xí)不會(huì)脫離實(shí)際和閉門造車。

二、開(kāi)拓網(wǎng)課與現(xiàn)實(shí)課堂結(jié)合的雙重教學(xué)模式

學(xué)生平時(shí)接觸到的大多是傳統(tǒng)的以老師講授為主的課堂類型，主要表現(xiàn)形式是老師講、學(xué)生聽(tīng)。這類課堂最大的優(yōu)勢(shì)在于老師可以充分講解重點(diǎn)和難點(diǎn)知識(shí)。但是，在這種模式下，學(xué)生只是在被動(dòng)接受知識(shí)，很難真正參與到課堂學(xué)習(xí)之中。此次教學(xué)改革采用網(wǎng)課與現(xiàn)實(shí)課堂相結(jié)合的雙重教學(xué)模式，教師提前把錄制好的微視頻上傳到課程群中，既滿足了學(xué)生在課前的好奇心和求知欲，而且也讓學(xué)生盡早發(fā)現(xiàn)晦澀難懂的知識(shí)點(diǎn)以便在課堂上提出，然后由教師進(jìn)行逐項(xiàng)解答，加深學(xué)生對(duì)于所學(xué)內(nèi)容的理解。教師在講完一系列知識(shí)點(diǎn)后，讓學(xué)生進(jìn)行提問(wèn)，教師解答學(xué)生的疑惑，最終做到讓每一個(gè)學(xué)生都能對(duì)課堂上的內(nèi)容充分理解并消化。同時(shí)，該教學(xué)方案還可以活躍學(xué)習(xí)氛圍，讓學(xué)生都能積極地投入到學(xué)習(xí)中來(lái)，成為學(xué)習(xí)的主人。在每節(jié)課的最后，教師還要根據(jù)自己的教學(xué)經(jīng)歷和科研歷程進(jìn)行知識(shí)點(diǎn)的擴(kuò)展，擴(kuò)寬學(xué)生視野。鑒于學(xué)生在教室上課的時(shí)間十分寶貴，教師可以在課前或是課后讓學(xué)生觀看微視頻。這樣可以起到幫助學(xué)生有效預(yù)習(xí)、復(fù)習(xí)和查缺補(bǔ)漏的作用，既提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，又增加其學(xué)習(xí)熱情[2]。

在課程和微視頻的重點(diǎn)劃分上，除了教輔資料內(nèi)的知識(shí)點(diǎn)之外，還在科研方面進(jìn)行了引申，包括一些近年出現(xiàn)的科研熱點(diǎn)和新型知識(shí)，能夠使學(xué)生緊跟時(shí)代步伐，掌握科研方向，著重凸顯實(shí)踐的重要性，如圖1所示。比如，增加了書本中不具備的一些知識(shí)點(diǎn)，包括平衡電勢(shì)與溫度、壓力的關(guān)系，吉布斯吸附等溫式，和它們應(yīng)用于處理燃料電池實(shí)際工況問(wèn)題及催化劑吸附等的實(shí)例研究。課程內(nèi)容緊密聯(lián)系實(shí)際科研，立足于解決科研難題，讓學(xué)生對(duì)于知識(shí)點(diǎn)不再迷茫，破除學(xué)生心中科研很遙遠(yuǎn)的錯(cuò)覺(jué)，縮短他們與科研之間的距離，體驗(yàn)用理論解決實(shí)際問(wèn)題的樂(lè)趣，增強(qiáng)科研的信心。

圖1 新增平衡電勢(shì)與溫度關(guān)系知識(shí)點(diǎn)及其應(yīng)用于處理燃料電池實(shí)際工況問(wèn)題

在網(wǎng)課的制作上，教師充分考慮到每一個(gè)學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)與理解能力，將知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行重點(diǎn)教學(xué)，在視頻中完整展示知識(shí)點(diǎn)的演繹推導(dǎo)過(guò)程，讓學(xué)生在聽(tīng)講過(guò)程中，做到眼、耳、手、腦的多層次互動(dòng)，同時(shí)加入一些現(xiàn)代化的標(biāo)注元素，與現(xiàn)代思想潮流接軌，避免學(xué)生產(chǎn)生枯燥無(wú)味的感受，做到饒有興致、全神貫注地去接納知識(shí)。同時(shí)，在課程視頻的最后，把本節(jié)課的重點(diǎn)和難點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)和展示，如圖2所示，讓學(xué)生能夠?qū)γ抗?jié)課都有一個(gè)全局的把握，幫助他們溫故知新，對(duì)于自己在課堂中錯(cuò)過(guò)的知識(shí)點(diǎn)再次加深印象，同時(shí)為學(xué)生，而且能為一些電化學(xué)基礎(chǔ)不扎實(shí)、課堂上出現(xiàn)接收信息嚴(yán)重不對(duì)等的學(xué)生提供重學(xué)的機(jī)會(huì)，能夠讓其反復(fù)通過(guò)視頻不斷學(xué)習(xí)。

圖2 課堂知識(shí)點(diǎn)總結(jié)

三、增添實(shí)驗(yàn)室教學(xué)環(huán)節(jié)

作為基礎(chǔ)教程，電化學(xué)基礎(chǔ)對(duì)于學(xué)生最根本的要求在于應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)，應(yīng)用于科研，僅僅停留在課本階段，停留在背誦記憶階段，是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，需要把書上的理論與實(shí)驗(yàn)室的項(xiàng)目相互結(jié)合，做到動(dòng)手動(dòng)腦的有機(jī)結(jié)合。所以，作為教師，需要鼓勵(lì)學(xué)生去嘗試、去探索，用自己的智慧和雙手把一些化學(xué)試劑合成為電極材料、催化劑等。學(xué)生看著自己做出的各類材料和器件，看著自己測(cè)出來(lái)的電化學(xué)數(shù)據(jù)，這種收獲感是課本和課堂遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能給予的，遠(yuǎn)比讓學(xué)生看視頻，看別人操作更有效果，同時(shí)可以激發(fā)他們的科研興趣和學(xué)習(xí)熱情。而這才是電化學(xué)基礎(chǔ)這門研究生課程最應(yīng)該教會(huì)學(xué)生的。為了鼓勵(lì)學(xué)生盡早走進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，增添實(shí)驗(yàn)室教學(xué)環(huán)節(jié)，將實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放給他們使用，里面有各式各樣的電化學(xué)材料制備、測(cè)試及表征儀器，滿足學(xué)生對(duì)于電化學(xué)實(shí)驗(yàn)的各類需求，讓學(xué)生能夠完整地學(xué)習(xí)整套流程。同時(shí)，為了檢驗(yàn)科研成果，課程要求學(xué)生根據(jù)自己在實(shí)驗(yàn)室的所得，寫一份簡(jiǎn)短的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，提出困難和瓶頸，同時(shí)更關(guān)鍵的是需要寫出自己對(duì)于科研的初步理解和感悟，為他們?nèi)蘸筮M(jìn)入課題組真正做自己的科研打下基礎(chǔ)。

采用基礎(chǔ)理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)室實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)策略，能夠培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，激發(fā)科研積極性，對(duì)創(chuàng)新能力也有不同程度的提高，使學(xué)生迅速適應(yīng)實(shí)驗(yàn)室工作，為他們的科研之夢(mèng)搭建堅(jiān)固的階梯[3]。

四、結(jié)合文獻(xiàn)閱讀與課堂教學(xué)

閱讀一門學(xué)科在近期出版的文獻(xiàn)，是了解其最新動(dòng)態(tài)，掌握核心知識(shí)的最佳途徑，因?yàn)檫@代表了該學(xué)科最新的科研方向、最前沿的知識(shí)，以及最新的科研思維。因此，學(xué)生想要學(xué)好一門專業(yè)基礎(chǔ)理論課，就要求教師引導(dǎo)學(xué)生培養(yǎng)其閱讀相關(guān)高水平文獻(xiàn)的興趣與能力。教師通過(guò)讓學(xué)生了解近年來(lái)最先進(jìn)的電化學(xué)相關(guān)成果，然后進(jìn)行小組討論，在互相分享中不斷前行，促進(jìn)學(xué)生加深對(duì)課本理論的印象，并且培養(yǎng)他們自主閱讀高水平文獻(xiàn)的習(xí)慣和能力。這對(duì)于他們?cè)诳蒲械缆飞系那斑M(jìn)有著至關(guān)重要的作用，畢竟如果沒(méi)有閱讀文獻(xiàn)的習(xí)慣和能力，根本無(wú)法在科研道路上走得長(zhǎng)遠(yuǎn)。

電化學(xué)基礎(chǔ)的特點(diǎn)是基礎(chǔ)性強(qiáng)、概念多、公式冗雜，教師要想在有限的教學(xué)時(shí)長(zhǎng)內(nèi)講得面面俱到，且讓學(xué)生充分吸收，是極其不易的。因而，電化學(xué)的學(xué)習(xí)更多是依靠教師的合理有效引導(dǎo)，使學(xué)生主動(dòng)從優(yōu)秀文獻(xiàn)中了解最新的科研動(dòng)態(tài)，輔助自己對(duì)于課堂內(nèi)基礎(chǔ)知識(shí)的理解[4]。并且，一門基礎(chǔ)課程的教學(xué)目標(biāo)，不僅僅是讓學(xué)生收獲基礎(chǔ)理論，更多的是一種習(xí)慣、一種學(xué)習(xí)態(tài)度、一種愿意去探索、去求知的意識(shí)，因?yàn)榭蒲斜旧砭褪翘剿魑粗?，只有不斷積累新知識(shí)，才能在科研道路上站穩(wěn)腳跟，越走越遠(yuǎn)。

五、實(shí)踐翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式

我們通過(guò)在校園交流平臺(tái)上進(jìn)行相關(guān)的問(wèn)卷調(diào)查發(fā)現(xiàn)，對(duì)于集中注意力而言，在講臺(tái)下聽(tīng)教師講時(shí)的注意力遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如學(xué)生自己站在講臺(tái)上面對(duì)其他同學(xué)講出自己對(duì)于課程的理解，這個(gè)時(shí)候?qū)W生的注意力是最集中的。而且學(xué)生通過(guò)自己準(zhǔn)備PPT，不僅可以培養(yǎng)抓重點(diǎn)的能力，而且對(duì)于PPT制作技能的提高也具有一定的促進(jìn)作用。同時(shí)，學(xué)生聽(tīng)其他同學(xué)講，注意力也會(huì)高度集中，因?yàn)樽鳛橥g人，他們更熱衷于尋找自己與他人的差距，學(xué)習(xí)他人的長(zhǎng)處來(lái)促使自己進(jìn)步。不僅如此，站在講臺(tái)上的同學(xué)會(huì)更加認(rèn)真地準(zhǔn)備和練習(xí)，把語(yǔ)言組織得更加富有邏輯和流暢。

此外，這種教學(xué)方式可以使部分缺乏學(xué)習(xí)熱情、不愿意做課前預(yù)習(xí)的學(xué)生加入課堂上來(lái)，避免出現(xiàn)個(gè)別學(xué)生課上長(zhǎng)期劃水的現(xiàn)象；除此之外，也能夠加強(qiáng)學(xué)生的教課能力，因?yàn)樗麄儧](méi)有接受過(guò)專業(yè)的培訓(xùn)和指導(dǎo)，抓重點(diǎn)的能力、語(yǔ)言的藝術(shù)性和專業(yè)性，甚至包括音量大小和講話速度，都會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)遜色于教師。所以，在每次翻轉(zhuǎn)課堂結(jié)束后，教師應(yīng)進(jìn)行點(diǎn)評(píng)，對(duì)于學(xué)生之前講述不到位或者忽略掉的重點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)充，使學(xué)生能夠充分理解知識(shí)，同時(shí)快速提高其在眾人面前匯報(bào)的能力。

六、優(yōu)化課程考核標(biāo)準(zhǔn)及方式

電化學(xué)基礎(chǔ)是研究生學(xué)位課程，所以在考核方式上要體現(xiàn)專業(yè)性和學(xué)術(shù)性，不能如同選修課一般以了解為目的，故需要采用考試的方式。但由于學(xué)生處于研究生階段，學(xué)習(xí)重點(diǎn)已經(jīng)不局限于課堂內(nèi)的知識(shí)點(diǎn)，如果單純以試卷成績(jī)來(lái)衡量學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度和學(xué)習(xí)成果不夠嚴(yán)謹(jǐn)，因?yàn)槌煽?jī)只能反映學(xué)生的答題能力，并不能體現(xiàn)學(xué)生的科研動(dòng)手能力和獨(dú)立思考解決實(shí)際問(wèn)題的能力。所以，此次教學(xué)改革探索采用的是更加專業(yè)且人性化的課程考核方式，不僅減輕學(xué)生的復(fù)習(xí)壓力，也能夠使學(xué)生的知識(shí)體系更加完善。不同于一般課程，此次改革選擇將平時(shí)成績(jī)?cè)诳偝煽?jī)中的比重增加至60%，這部分主要由出勤、課堂上的活躍程度、課后作業(yè)完成的質(zhì)量、實(shí)驗(yàn)室教學(xué)的實(shí)際成果以及翻轉(zhuǎn)課堂的匯報(bào)效果組成。該考核方式最大的優(yōu)勢(shì)在于避免學(xué)生讀死書、死讀書，培養(yǎng)他們科研的激情、學(xué)習(xí)的興趣，為日后的科研道路掃除障礙、樹(shù)立信心。另外，要細(xì)化考核方式，分時(shí)段考核，讓學(xué)生無(wú)論是在聽(tīng)講過(guò)程中，還是在匯報(bào)時(shí)，都能處于興奮狀態(tài)，積極思考，努力奮進(jìn)，運(yùn)用所學(xué)解決實(shí)際困難，成為一名優(yōu)秀的科研人員。

結(jié)語(yǔ)

電化學(xué)基礎(chǔ)作為材料和化學(xué)研究領(lǐng)域的基礎(chǔ)課程之一，對(duì)學(xué)科進(jìn)步具有支撐作用。教學(xué)的目的不僅是傳授知識(shí)，更多的是為學(xué)生的科研道路掃除障礙，提升他們的科研熱情，同時(shí)對(duì)學(xué)生進(jìn)行全方位培養(yǎng)。希望通過(guò)此次教學(xué)改革，改良電化學(xué)基礎(chǔ)的教學(xué)模式，讓學(xué)生有興趣、有信心從事相關(guān)科研工作，走出自己的科研之路。