科研成果与教材知识紧密结合在电化学原理课中应用的探讨

董贝贝* 郭海威 程 菲 黄小园

（河北工业大学化工学院 天津 300130）

为培养社会发展所需专业理论基础扎实、实践能力较强的复合型人才，我院开设了兼备理论与应用的课程──电化学原理，作为物理化学的重要分支，电化学是能源、材料等很多前沿研究领域的基础[1]，因此，该课程理论知识学习十分重要[2]。学生只有对电化学基础知识准确理解和掌握，才能将其用于解决科研和生产实践遇到的电化学难题，而电催化研究所涉及科学问题的解决过程，又是将电化学基础知识合理运用的过程，二者相辅相成。因此，教师在掌握电化学基础理论的同时，还需熟悉电化学研究发展现状、方向和最新研究成果，并将其与教学实践结合，充分做好教学工作。这门课程授课对象是大三学生，正是培养科研兴趣的最好时机，教师可分享相关科研经验和科研成果，激发学生科研兴趣。综上，在课堂上讲授电化学基础知识时，将电化学科研成果与教材基础知识紧密结合的教学手段至关重要[3][4]。

1 教学现状

电化学原理课程不仅可使学生掌握电化学理论知识，还可为后续应用电化学、电化学测量技术、新型化学电源、电化学腐蚀与防护等各类专业课程打下坚实基础。然而，该课程的很多原理性知识比较抽象，公式推导比较晦涩难懂[5][6]，学生很难掌握。因此，教师需在有限教学时间内保证教学重点知识不变的情况下，让学生深入理解电化学基础知识，同时提高学生将基础知识应用于实际生产和科学研究的能力。因此，针对我院电化学原理课程的实际教学情况，本文进行了科研成果与教材知识紧密结合在电化学原理课中应用的探讨[7][8]。

由于电化学已经渗透到环境、能源等诸多领域，因此，各化工企业在秉承绿色可持续发展的理念下，加大对电化学处理技术的引入。比如，利用电渗析、电凝聚法和电化学氧化等电化学技术处理工业废水，主要分为三种类型，另外，稳态极化曲线、恒电位法、恒电流法、伏安法、电化学阻抗谱和开路电位法等电化学测量技术也是电化学原理技术应用的重要部分，上述技术所涉及的知识是《电化学原理》课程的重要组成部分。仅依靠灌输式教学，学生显然很难充分掌握电化学基础知识[9]，难以将电化学知识实际应用于生产和科学研究、解决实际问题。若在讲授电化学基础知识的同时，适当引入电化学应用技术和相关的电化学科研成果，使抽象的基础知识和科研成果有效关联，合理安排两者的课时比例，将显著强化学生基础知识、并有利于培养学生科研素养。

2 教学模式改革

为提高电化学原理课程的教学效果，在充分利用板书、多媒体、动画展示等教学手段之余，为全方位教给学生知识和培养学习能力，需改进教学方法，对电化学原理课程进行教学模式改革，将电化学基础知识和科研成果相结合[10-12]，采取教师展示、教师引导学生参与、学生自主完成等三个阶段循序渐进的手段进行教学。叙述如下：第一，前期上课过程中，教师在讲解基础知识的同时，引用学术前沿科研成果深入解析，向学生展示所学基础理论知识与实际科研过程如何有机结合。第二，课程进行三分之一后，教师在讲授基础知识时，指导学生进行课堂文献调研的训练，教会学生提炼检索关键词，引导学生将相应电化学科研成果与电化学基础知识进行匹配。第三，课程进行三分之二后，待学生学会检索相关电化学科研成果并能与电化学理论知识进行有效关联后，令学生以5人一组的形式分组，课后针对某部分电化学基础知识进行文献调研，以书面形式汇报科研成果与电化学基础知识有机结合的例子，使学生成为课程的参与者，充分提高学生学习的能动性。

基础知识和科研成果相结合教学模式的核心在于将基础知识和科研成果进行有效匹配，在实际教学实践中，需要精心设计二者之间的联系。课程所涉及的科研成果应难易适中，完全契合电化学教材大纲。以下举几个例子进行说明：

（1）讲述标准氢电极时，首先利用科学研究中以标准氢电极作为电位基准展开讲述，在电化学研究中，实验室通常用到标准氢电极，银/氯化银电极、甘汞电极等，三者之间如何换算？哪些与 pH值密切相关？教师给出两篇电化学研究相关文献，所用电极分别为甘汞电极和银/氯化银电极，令学生在课堂上将二者换算到相对于标准氢电极的电位。

（2）讲述电化学课程的绪论时，引入氯碱工业、电解水等科研发展和工业应用成果，提出如下问题：氯碱工业和电解水制氢领域用到的电解池包括哪些结构？通常用到的电解液是什么？发生了哪些反应？有哪些副反应需要人为抑制？上述问题能激发学生探索电化学研究体系的兴趣，为后续学生积极学习电化学原理知识打下基础。

（3）讲述双电层结构时，引入表面和界面的概念，将表面和界面结构的相关知识进行拓展，引发学生对双电层的深刻理解，提出如下问题：双电层结构的重要性如何？表面和界面结构的重要性如何？在调研电催化分解水的相关文献时，哪些科研成果侧重了表面和界面的研究？

（4）讲述电极极化部分时，对浓差和电化学极化的概念进行拓展，提出如下问题，在调研电催化分解水的相关文献时，哪些科研成果对浓差极化进行了深入研究？哪些科研成果深入探究了电化学极化的影响？哪些科研成果有效地利用了极化现象？

（5）讲述金属电沉积时，引导学生对电催化研究涉及的电沉积过程进行综述，提出如下问题：哪些电催化体系通常用到电沉积？哪些金属适合做电沉积？对某个金属进行电沉积时，其具体电沉积方案通常包括哪些？电沉积法制备的金属或金属氧化物通常具备怎样的形貌结构？以不同形貌和晶面暴露的电沉积金属层为侧重点，令学生调研电沉积应用相关研究。

（6）讲述半导体电化学和光电化学知识时，对电催化、光催化、光电催化进行系统讲述，提出如下问题：电催化、光催化、光电催化体系之间有何联系和区别？令学生调研TiO2用于电催化、光催化、光电催化分解水的相关文献，并列举三者之间有何原理性的区别？

3 课程评价的教学改革

传统课程评价方式比较简单，通常平时成绩占30%，卷面成绩占70%。期末考试的重点内容相对固定，容易把握。这种方式虽能检测学生对基础知识的把握程度，使学生记忆和复述基本原理，但不利于学生将电化学基础知识灵活运用，难以为后续电化学相关课程打下坚实基础。在新的教学模式下，我院将学生对电化学科研成果的调研情况纳入考试成绩，考核结构更新为平时成绩20%，卷面成绩60%，科研成果调研成绩20%。这种考核方式不局限于书本基础知识，增加了对学生科研能力的考察，能有效发挥学生的主体地位，培养学生的科研兴趣和能力，促进学生对书本基础知识的掌握。

4 教学效果对比

笔者采用科研成果与基础知识相结合的教学模式，在2018级应用化学专业进行了教学实践，采用直方图对2018与2017级的期末试卷成绩进行了分析。进行教学实践前，2017级的卷面成绩分布如图1所示，其中0～59分占6.67%，60～69分占25.00%，70～79分占31.67%，80～89分占25.00%，90～100分占11.67%。结果显示，2017级学生的卷面成绩分布基本符合正态分布规律，但是整体成绩及格率为93.3%，有接近7%的学生卷面成绩不及格。

图1：2017级应用化学专业的卷面成绩分布图

2018级卷面成绩分布如图2所示，其中60～69分占26.67%，70～79分占31.67%，80～89分占30.00%，90～100分占11.67%。结果显示，2018级学生的卷面成绩分布也基本符合正态分布规律，由于科研成果与基础知识相结合的教学模式有效激发了学生学习兴趣、促进了学生对电化学原理知识的理解和掌握，2018级学生的整体成绩及格率增长为100%，没有出现学生卷面成绩不及格的情况。

图2：2018级应用化学专业的卷面成绩分布图

5 结语

我院把电化学科研成果充分引入了电化学原理课堂，该电化学基础知识和电化学科研成果有机结合的教学模式，培养了学生检索文献的能力，提高了学生的科研能力，激发了学生应用电化学基础知识的思考，使学生更容易掌握电化学基础知识。与传统的记忆复述基础理论知识的教学模式相比，这种教学模式使学生的学习积极性有了明显提高，创新能力和科研能力也有一定程度的提升，期末考试卷面成绩明显上升，达到了较好的教学效果。最后，电化学课程教学模式的优化是一个不断进步的过程，希望通过坚持不懈的教学探索和改革实践，除了教给学生基础的传统专业知识，还要把最新的前沿研究知识和科研技能教给学生，培养出优秀的、符合社会发展需求的复合型人才。