基于问题教学法在《电化学原理》课程教学的应用实践*

邹忠利，王北平，薛 同

(北方民族大学材料科学与工程学院，北方民族大学材料科学国家级实验教学示范中心，宁夏 银川 750021)

电化学是物理化学的重要分支，在化学教育中占有重要的地位。新能源材料、纳米技术、光电材料等许多前沿学科的基础就是电化学，其主要内容是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，涉及到化学、材料、能源、环境、生物等诸多学科领域，具有综合性、交叉性和实用性的特点[1-2]。问题教学法最早起源于20世纪50年代的医学教育中，目前已成为国际上较流行的一种教学方法[3-4]。问题教学法关键要素包括：作为导向的问题、团队合作与自主学习、教师指导、自我评价与小组评价。笔者从事电化学原理课程理论教学多年，将问题教学法具体应用到了电化学理论课程的教学实践，从教学内容、教学手段及评价体系三方面进行了探索。

1 课程现状

《电化学原理》课程是面向我校材料学院新能源材料与器件专业第3学期开设的一门专业核心课，本课程旨在培养学生掌握电化学原理与应用相关理论，并为相关后续课程提供基础。目前有许多高校开设了这门课，限于学科及学时限制等原因，电化学原理这一重要学科内容的课程建设很薄弱，该课程以往的授课方式仍以传统的灌输式教学为主，学生对电化学的基础知识缺乏深入地理解，对其广泛的应用也是知之甚少，再加上该课程的学习起点高，概念抽象难懂。如何在有限的课堂上激发学生的学习兴趣，使其能掌握电化学的理论和原理并能将之应用于实践，是一个有意义的研究课题[5-6]。

2 教学内容体系改革

《电化学原理》课程的主要内容包括电化学热力学、电化学动力学及应用等几部分组成。由于在前序课程《物理化学》中对电化学热力学的内容已经涵盖，所以本课程的教学重点放在电化学动力学及应用方面。电化学动力学及应用包括电极/溶液界面的结构与性质、电极过程概论、液相传质步骤动力学、电子转移步骤动力学、气体电极及金属阴阳过程等部分组成。课程教材通过综合考虑选择北京航天航空大学李荻的《电化学原理》，该教材属于经典教材，对水溶液电化学的基本原理论述成熟全面，非常适合本课程学习使用。

首先在教学实践中笔者对原有教学内容进行了优化，笔者确定重点讲解电化学的基本原理，对实用部分有所舍弃，去除原有教学内容中半导体电化学、光电化学和化学电源的内容，紧紧围绕电极过程的基本历程展开，制定了课程的主线，电化学动力学的各个部分都由这条主线串联在一起，前后联系，密不可分。限于课时有限的原因，参考其他院校的经验[7-8]，避免推导复杂公式，着重讲解公式中符号的意义和使用条件，降低学习课程的难度。另外根据课程要求起点高的特点，将课程涉及的高等数学和物理化学知识点进行有针对性的讲解，查漏补缺，解决部分学生先修课程基础不足的问题。问题教学法的核心在于问题的提出，在实际的教学实践中，通过精心设计的问题为引导，可以使学生按照教师预设的情景发展，由此可见，问题体系的设计至关重要。提出的问题应难易适中，不超纲，同时贴近实践应用。以下仅举4个问题情境的例子。

(1)电化学的发展已有二百多年的历史，作为一门交叉学科在众多领域有着广泛应用，那么电化学反应区别其他化学反应的优点是什么？电解液性质和电极材料及表面状态能不能影响电极反应速度？如果研究电极/溶液界面的结构，可以采用哪些研究方法？

(2)从小型电子装置所需的微电池到大的电动车动力源，能源存储已经成为了21世纪能源关键技术。那么在新型电池的研究过程中总是出现极化现象，什么是极化现象？极化程度的表示方法有哪些？极化的原因有哪些？如何克服极化现象？

(3)电化学在工业生产占有重要地位，如氯碱工业、电解制氢、电冶金等，电化学电沉积的特点？基本历程？金属沉积可能性的热力学和动力学条件是什么？

(4)电化学中关于电位的概念有很多，如内电位、外电位、相间电位、相对电位、绝对电位、标准电位、平衡电位、不平衡电位、稳定电位等，它们的定义和相互关系是什么？

由这些情境问题做引导，学生可以进行广泛地查阅文献资料，不仅仅局限于教材的内容，分组讨论，归纳总结，通过这个过程培养学生的学习兴趣和学习主动性。

3 教学手段多样化

以往电化学原理课程采用传统的大班授课方式，学生的学习效果有限，根据问题教学法的实施原则，采取“大班教学、小组合作”的教学模式[9-11]，将学生分为10～15人的学习小组，先由教师协助选举产生一个组长，再由组长进行具体学习任务的分配，如资料收集、整理、汇报等，每位学生都必须参与其中，不仅仅了解自己的任务，还应熟悉其他环节，在这个过程中增加学生的组织协调能力、团队精神。充分发挥学生的主动性和能动性，以小组为单位进行讨论，选代表发言，讲解理论知识、遇到的疑问、解决的途径与方法以及自己的收获。最后老师和学生进行评定，评出一个表现最佳的小组，给该小组的每个成员加分，纳入学习总成绩。同时，教师积极地转换自己的角色，从知识的教授者变成引导者。教学手段除了课堂的重点难点多媒体讲解，还可以充分利用网络媒体的优势，通过MOOC平台将一些重点章节和视频进行上传，方便学生查询和自学，充分利用学校的智慧校园系统进行学生的出勤，课堂小测验的考评，课堂问题的抢答和抽查等教学环节。

4 课程评价的教学改革

传统的终结性评价只能在相对比较长的一个阶段结束之后进行，形成评价也是在一个学习阶段结束后进行，是一种事后评价。过程性评价却是与教学同时进行的共时性评价，提倡评价和教学相互交叉与融合，评价主体与客体间的互动，能及时地反映学生学习中的情况，及时地肯定学生的成绩，引导学生的学习和发展方向，及时地发现存在的问题与不足，改错纠偏。电化学原理课程积极开展以平时作业、综合性大作业、阶段性测验、课堂专题讨论、教学实践活动等形式为主的过程性考核。开展探究式、启发式、互动式、研讨式教学方式改革，强化学生过程性学习方式变革，加强学生的思考力、判断力、沟通力和思维方式的培养。

5 教学效果对比

笔者采用问题教学法在2017级新能源材料与器件专业进行了具体的教学实践，对比没有实施问题教学法的2016级新能源材料与器件专业，对两个年级期末考试的试卷进行具体分析，采用直方图和正态曲线对2016级新能源专业的卷面试卷进行分析，如图1所示。

图1 2016级新能源专业试卷总分分布直方图及正态曲线分布图

2016级新能源专业的卷面及格率为40%，其中90～100分占6.67%，70～79分占13.33%，60～69分占20.00%。大多数学生的分数集中在60分以下，由图1可知，2016级学生的卷面成绩分布基本符合正态分布规律，最高分90分，最低分13分，平均分49.27，标准差21.84。

2017级新能源专业试卷总分分布直方图及正态曲线分布图如图2所示。

由图2可知，采用了问题教学法培养的2017级学生卷面成绩整体有明显提高。2017级新能源专业的卷面及格率为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%。绝大多数同学的分数集中在60分以上，班级的平均成绩为65.11分。学生的卷面成绩分布基本符合正态分布规律，最高分92分，最低分21分，平均分65.11，标准差16.67。可以看出2017级学生卷面成绩的离散度相对2016级学生的更小，更集中。

图2 2017级新能源专业试卷总分分布直方图及正态曲线分布图

6 结 语

问题教学法是一种系统的、具有创新力的现代教学方法，通过问题教学法在《电化学原理》课程的具体实践，学生的学习主观能动性得到了明显加强，激发了学习兴趣，学生的学习途径增多了，课程的考核更加公正客观，课程的满意度得到了学生和同行的高度肯定。从实施问题教学法前后学生的期末卷面成绩可以明显看出教学改革的效果，在试卷难度相当的情况下，2017级新能源专业学生的卷面成绩相对于2016级新能源专业学生普遍较高，学生的卷面及格率有明显提升，卷面平均成绩有显著提高，教学效果良好。