应用电化学实验改革与学生创新能力培养

江莉 李冬云 余云丹 卫国英 王疆瑛 金顶峰

摘 要：为了促进《应用电化学》实验教学改革的开展， 从改革思路提出、实验体系设计、实施方案、学生能力培养以及考核与评定等方面，系统培养学生思考、动手能力、创新能力和团队合作精神，探讨提高学生的综合素质的方式，完善全面发展的创新型人才的培养方案。

关键词：应用电化学；绿色化学；实验体系；创新

中图分类号：C961 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2018）10-0036-03

Abstract： In order to reform the experiment teaching of course "Applied Electrochemistry"， the innovation thoughts are put forward and the experimental system are designed， and the assessment and evaluation of course are also be optimized. These reformations can cultivate students' thinking， operational ability， innovation ability and the team cooperation spirits， exploring the ways that improve the comprehensive quality of students and promoting the cultivation of innovative talents.

Keywords： applied electrochemistry； green chemistry； experimental system； innovation

前言

高校深入學习贯彻党的十九大报告精神，全面推进“双一流”建设，在推进创新型人才培养方面进行了改进[1]。《应用电化学》是一门利用电化学基本原理，解决科学研究和生产实际中涉及电化学应用领域内有关金属腐蚀、金属电沉积及化学电源等方面的实际问题的课程。《应用电化学》也是中国计量大学材料化学专业本科生的专业必修课程。为了培养具有创新思维的高素质人才，我们在课程开展的教学模式和教学内容进行了各种创新和优化。该课程实践性和应用性很强，各个知识点均和实践紧密结合，大部分知识点是从实践中来并用于指导应用的。目前《应用电化学》课程在大班讲课的方式下有部分电化学课外实验指导，但由于缺乏与各知识点相匹配的学生实验，使得学生对电化学反应过程和原理难以掌握（比如电催化章节），对电化学技术的学习停留在记忆层面（比如表面精饰章节），无法深入。为此，我们对材料学院《应用电化学》课程的实验教学进行了改革，本着“以学生为本，以能力培养为核心，知识、能力、素质协调发展”的实验教学理念，以拓宽知识面、加强创新能力培养的指导思想，给予实验课新的定位[2-4]。

一、实验改革思路

（一）绿色化学思想

在《应用电化学实验》中开展绿色化学教育，筛选实验内容、开设环境友好实验、开设资源回收与利用实验，增强学生的环保意识。首先，改革并优化实验项目，在实验中设计序列化学实验，即通过实验内容的连接，设计出前一步反应的产品是后一步反应的原料或者可用作其他用途的综合性实验[5]。例如：学生“金属材料的表面电镀实验”后做出的样品，可以继续用于综合实验“金属材料耐蚀性研究”，遵循“循环利用，绿色化学”的原则，节约试剂和减少试剂的污染；其次，教师有强烈的绿色环保意识，利用自己的言行去感染学生，结合具体实例、理论与实践，巧妙地把绿色化学的观点渗透到教学中。从学生进入实验室，教师就要对学生进行绿色化学教育，指导学生正确处理实验过程中产生的“三废”问题。比如在电镀教学生产线实验室，废气收集和处理的设备使用和废气去除原理介绍，废水中重金属的回收方法以及零排放技术，固废脱水设备和工艺技术等，指导学生自己动手操作，把绿色化学思想扎根在学生头脑中。

（二）实验选题具有专业特色

实验尽量突出专业的化学计量特色，包括反应物和产物量的计算、化学平衡的计算、化学反应速率的计算、化学反应中能量的计算等，基于CDIO理念开展主动式项目教学与学习互动。CDIO代表构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）和运作（Operate），它以产品研发到产品运行的生命周期为载体，让学生以主动的、实践的、课程之间有机联系的方式学习工程工艺。实验开展过程按“问题—实验—探索—反思”的模式进行。根据《应用电化学》理论课程的进展，以及小班研讨的议题内容与进度，设计《应用电化学》的课外实验内容，使课外实验和理论教学紧密结合，通过学生的动手实践提升对理论知识的理解，并让学生初步学会利用理论知识指导实践的思维和能力。比如在阳极氧化实验中，教师提出问题：如何给不同材质表面制备耐磨耐腐蚀的保护层；学生分组讨论出不同材质表面阳极氧化最优工艺并提出几种氧化工艺；学生进入实验室开展实验，探索和验证解决方案的可行性并得出最佳实验方案；最后，各小组同学互相交流经验，反思成功和失败的原因，加深对电化学知识在实践中的应用。

（三）搭建课程实验平台

为了促进应用电化学实验课程的建设，需要不断完善基础实验平台，提高专业实验平台，搭建自主创新实验平台。实验内容需精选核心实验项目作为基础实验（循环伏安测试、极化曲线测试方法等），结合材料学科科研发展优势，将先进的科研成果引入实验教学（发光材料制备、光电催化材料制备等），开设前沿研究和技术开发综合性、设计性新实验课题，指导学生开展自主探索实践活动。学生组成科研小组（5～6人），可以利用课堂或者课余时间，提前预约实验室和实验设备，通过网上审核、实验室登记、实验设备使用登记等流程，在指导老师的帮助下有序的展开实验。例如：综合实验“电沉积磁性合金薄膜”，学生小组利用空闲时间预约专业综合实验室和实验时间，在实验员的帮助下准备好实验药品和设备后，设计的实验方案经指导老师认可后方可开展实验。

（四）开展实验技能竞赛，培养学生的创新能力

学生创新精神、创新能力的培养是素质教育的重要组成部分，也是实验教学的宗旨。举办实验技能大赛，既可以激发学生的学习兴趣，调动学生的学习积极性，又可以培养学生的发散性思维和动手操作能力[6]。将现实生活中与化学相关的事例和化学领域的前沿问题引入到实验竞赛中，激发学生学习材料化学的热情，培养学习材料化学的兴趣。例如：实验“纳米颗粒的物理法制备、结构与性能”、实验“富勒烯和金属富勒烯的合成、分离及性质结构表征”等，对于这些实验，要让学生自己查阅文献资料，通过讨论和实验技术比较，以及实验室设备的限制，设计出较适合的实验方案。过程中相对于自己知识水平仍属于“新”的问题，主要以学生通过文献学习为主，指导教师指导为辅，培养自主学习意识和独立思考的能力。学生在竞赛答辩中，以PPt的形式展示小组合作的成果，根据理论可行、操作可行、创新能力等方面，答辩专家给予评价和指导。

（五）结合多媒体技术， 增加实验教学的趣味性

随着计算机应用的日益普及和多媒体技术的多样化， 越来越多的工具应用于化学实验教学， 借助计算机辅助教学， 图文并茂， 生动形象， 还可以模拟各种实验内容。例如，有些实验机理比较复杂，通过动画形式把抽象的反应过程比较直观的呈现在学生眼前，加强电化学反应的理解；有些实验具有一定的危险性，比如实验“锂电池过充电的危害”，借助计算机在课堂上模拟时间较长的实验过程，将抽象的知识变得更为形象具体， 增强化学课程的互动性和趣味性；还有一些工厂先进的技术，由于受到实习时间和工厂安全等局限，学生无法直接进入现场参观，可以通过远程视频，让学生在课堂上了解工厂汽车等涂装现场的情况，清楚电化学表面处理的流程和参数控制，对现代化涂装技术具有一定认识。

二、应用电化学实验体系设计

在应用电化学实验改革过程中，将开展的实验分为以下四个部分：1.验证性实验，结合学生现实情况进行基本知识，基本方法和基本技能的训练，进行改造和出新的问题；2.设计性实验，学生自己去完成方案的选择，实际操作并获得数据和最终结果。鼓励学生运用已学过的实验知识，完成一些基础性的实验设计，使他们在主动应用知识的过程中，得到基本知识，基本方法和基本技能的训练强化、培养独立操作和动手能力；3.综合性实验，通常原理或操作比较复杂，涉及多种实验技术，测量方法和仪器使用也比较接近当代研究或工程技术的前沿；4.自主创新实验，是课程的提高，把握综合性、创造性、探索性的原则。特点是没有现成的仪器或定型的实验方案，部分或关键细节需要学生自己查阅文献并讨论确定。该类实验没有固定的题目，常常和实验室开发新实验结合在一起，也可以根据学生的特长和兴趣提出。

三、实施方案和过程

（一）实验教材选择

在2013年～2015年《应用电化学》重点课程建设过程中，已编写教材《应用电化学实验》。近3年，该教材内容随着学院和专业的发展，不断将最新研究方向补充到设计性实验和自主创新性实验中。此外，课程中的自主创新性实验，也可以同学们3～5个人组成的团队根据兴趣提出题目。实验开展方案一旦经教师审核通过，在实验室条件允许的情况下，可给予同学们实验指导以及药品、设备等支持。

（二）设计性和自主创新性实验方案

选择实验内容时，一是反映应用化学发展的新成果；二是结合我院应用电化学课程的特色。基于CDIO理念根据《应用电化学》理论课程的进展，以及小班研讨的议题内容与进度，设计《应用电化学》的课外实验内容，开展主动式项目教学与学习互动。以产品研发到产品运行的生命周期为载体，让学生以主动的、实践的、课程之间有机联系的方式学习工程工艺，使课外实验和理论教学紧密结合，通过学生的动手实践提升对理论知识的理解，并让学生初步学会利用理论知识指导实践的思维和能力。同时，将实验过程以及实验结果列入小班讨论的议题，通过动手实验以及对实验的研讨，使实验内容和课堂教学紧密结合。学生通过课外实验能够加深理解课堂教学的理论知识，并学会利用理论知识去解释实验、指导实验的思维方法。

（三）具体开展过程

第一步，实验平台预约。每一个实验开始后，每组学生可提前预约实验室场地和仪器，教师适时指导，学生自主实验，提高学生的动手能力和实践能力；第二步，学生登记领取材料。参加实验的学生登记后领取实验材料（药品等）和仪器、工具（电烙铁、烧杯、设备等），用完验收检查归还。第三步，实验开展。分为四个阶段：实验准备阶段、实验方案制定阶段、实验开展阶段、实验报告撰写阶段。1.实验准备阶段。学生对有关文献资料进行分析总结，明确实验目的、方法及所需条件；2.实验方案制定阶段。各小组同学提出初步实验方案，确定配方及加工工艺条件，然后经师生共同讨论，由指导教师审核后确定最终的实验方案；3.实验开展阶段。各小组按方案开展实验，得到材料样品或测试结果；4.实验报告撰写阶段。实验结束后，以实验小组为单位共同讨论实验结果、成败得失、经验教训等并撰写实验报告。

四、学生能力培养

以培养新材料计量检测领域的创新型人才为目标，通过课程实验改革，希望着重培养学生的发现问题、探究原因、解决问题的能力。1.通过实验中观察，提升学生发现问题的能力。实验操作和观察都是获取感性认识的重要科学手段。通过对实验现象的仔细观察，才能认识特殊的实验现象，进而得出正确的实验结果。2.探究实验因果关系，总结实验规律。本环节着重引导学生分析和处理化学实验所获得的信息，探究实验现象产生的原因，从定性、定量的角度分析实验数据，总结实验规律，突出训练学生的思维能力。3.反思和拓展。教师精心设置实验习题，引导学生综合应用所掌握的知识进行分析或计算，培养学生解决实际化学问题的能力。同时，引导学生向知识与技能的深度和广度探索，开阔学生的知识视野。

五、实验考核与评定

实验的评价从方案、过程和结果三个方面开展[4]。综合平时出勤、实际操作、实验报告书写完成情况考核与评价，促进学生增强动手能力以及认真程度。具体考核如下：小组研讨实验、查阅文献、制订实验方案20分；实验操作能力50分；实验报告（含答辩）30分，总计100分。同时，也需对学生开展《应用电化学实验》开设问卷调查，对调查反馈结果进行分析和总结，以待改进。

六、结论与展望

《应用电化学实验》的开设集知识传授、能力培养和素质教育于一体，可以培养学生的实验兴趣、观察能力、操作能力、资料收集力、处理实验数据和撰写能力[7]。通过系统的实验教学训练，帮助学生深入理解基本概念和实验原理，训练其逻辑思维能力，培养学生观察、操作、分析等多种实验技能，提高学生的综合实验技能。实验教学既能直观地、科学地展示实验所需达到的目的，又可提高化学试剂的利用效率，降低对环境的污染，推行绿色化学教育，实现应用电化学实验教学的绿色化。

参考文献：

[1]卫广智，毛小浩，马瑞.材料专业综合性实验改革思路与实践[J].实验技术与管理，2008，25（10）：123-125.

[2]安琳，牟杰，张玲，等.序列化有机化学实验改革与创新型人才的培养[J].实验室研究与探索，2016，35（7）：218-220.

[3]牛燕燕，孙摇伟，李小宝.大学化学实验改革及创新型人才培养探索[J].广州化工，2017，45（15）：216-217.

[4]潘长多.高等学校有机化学实验改革探索[J].广州化工，2017，45（21）：177-179.

[5]平兆艳.大学化学实验改革初探[J].宿州学院学报，2013，28（10）：108-109.

[6]曹俊濤，卢先春，向慧，等.分析化学实验改革与大学生创新能力的培养[J].广州化工，2015，43（17）：210-211.

[7]仇丹，房江华，贾志舰，等.“科教融合、三位一体”基础化学实验改革[J].实验室研究与探索，2015，34（11）：159-162.