基于科学精神培养的电化学专业实验课程思政“123”实施路径探索

张文彬，葛军英，刘春兰，李 砚，朱 凤

(宜春学院 化学与生物工程学院，江西 宜春 336000)

自2016年全国高校思想政治工作会议召开，立德树人的根本任务已得到全国高校上下的广泛认可，课程思政成为加强大学生思想政治教育的重要举措和全面提升人才培养质量的有力抓手。党的二十大报告第一次把教育、科技、人才合为一个部分进行论述，强调要坚持教育优先发展、科技自立自强、人才引领驱动，这充分体现了党对教育、科技、人才相互作用规律以及它们与高质量发展之间相互作用的规律有了更深刻的认识和科学的把握。课堂作为教育的主渠道，充分挖掘课程的思政资源并于课堂教学中实践是落实立德树人根本任务的关键。教育部印发的《高等学校课程思政建设指导纲要》指出，在理工类课程教学中，马克思主义立场观点方法的教育要与科学精神的培养结合起来。[1]科学精神是一种行为规范、价值取向和道德准则，是科学的根本和灵魂。[2]它来源于科学实践，而又服务于科学实践。科学精神的内涵丰富，且随着科技的进步和社会的发展而不断充实、丰富，深度挖掘课程蕴含的科学精神有利于全面提升高等教育人才培养的质量。

化学是一门实验与理论并重的学科，其中，实验教学是化学学科非常重要的环节。《化学类专业本科教学质量国家标准》明确了实验教学目标：通过实验教学，使学生掌握化学实验的基础知识、基本理论和基本技能，并在此基础上培养学生具有动手能力、科学素养、综合解决复杂问题的能力和创新能力。[3]由此可以看出，化学类专业实验教学给予学生的不应仅仅是知识和结论，更应将培育和弘扬科学精神的目标贯穿到实验教学的每一个过程，加强学生独立思考能力、实践能力、批判性思维以及创新思维的培养和思想政治教育的熏陶。[4-5]

电化学专业实验是笔者所在高校应用化学专业大三开设的专业实验课程，课程包含实验项目如图1所示，该课程综合性强、涉及交叉领域广、知识更新快，对学生的实验基础和专业理论知识要求高。在开设该课程的过程中，对标新时代对大学生的能力和思想教育培养目标，我们一直努力探索并实践基于科学精神培养的课程思政实验教学策略，践行“以学生为中心、产出导向、持续改进”的教学理念。结合课程特点，我们凝练出基于一种浸润、两条主线、三个意识的“123”课程思政实施路径，如图2所示。

图1 电化学专业实验涉及领域及开设的实验项目

图2 基于“科学精神”培养的“123”课程思政实施路径

1 一种浸润——科学家精神浸润

习总书记在科学家座谈会上指出，科学成就离不开精神支撑。科学家是科学精神的第一载体，是科学精神在科学家群体身上的集中体现，具有“科学性、民族性、时代性”等特征。科学家精神是科技工作者在长期科学实践中积累的宝贵精神财富，能给后辈以激励和榜样。2022年6月认定的140个科学家精神教育基地就是在这种背景下孕育产生的，这足以看出我国弘扬科学家精神的力度，已在全社会形成尊重知识、崇尚创新、尊重人才、热爱科学的浓厚氛围。

电化学学科的发展同样凝聚着众多科学家的辛勤付出，学科发展过程中蕴含的科学家精神是教学过程中的宝贵财富。“伏打电堆”的发明开启了电化学研究的大门，众多科学家的努力使得电化学经历了热力学、动力学发展之后，进入现代电化学领域；我国第一代电化学科学家胸怀祖国、敢为人先、勇攀高峰、追求真理、潜心钻研、集智攻关，为中国电化学学科的发展做出了巨大贡献；他们甘为人梯、奖掖后学的育人精神使得我国出现一个又一个优秀的电化学研究团队，学科呈现蓬勃发展的态势。在教学中，给学生空间，让学生查阅国内外电化学科学家的科研经历，不但能让学生对电化学发展历史有一定的了解，更能对科学家精神有很好的领悟，是一种润物细无声的思想交汇。

针对《电化学专业实验》目前设置的实验项目，我们挖掘出的科学家精神如表1所示。教学中采取BOPPPS(B-引入(Bridge-in)；O-学习目标(Objective)；P-前测(Pre-assessment)；P-参与(Participatory Learning)；P-后测(Post-assessment)和S-总结(Summary))教学模式，将科学家精神浸润设置在引入环节，贯通于整个教学环节，达到科学家精神浸润的目的。采取教师主导、学生主体的方式，引导学生主动地学习、思考、领会，实施过程如图3所示。教师提前准备，挖掘实验项目蕴含的科学家精神，并提炼出基本要素；学生提前查阅相关素材，以小组形式讨论、整理素材并于课堂选取小组进行汇报，这种根据实验项目引入相应的科学家事迹，课前学生查阅，课中学生汇报、领悟，课后论文式实验报告中的再强化使得学生浸润在科学家所展现的精神当中，科学素养得以提升，积极、正面的思想得以挖掘、升华。

表1 实验项目中挖掘的科学家精神思政元素

图3 科学家精神浸润的教学实施过程

2 两条主线——科学思维形式和思维导图

2.1 三种代表性科学思维

科学思维是科学精神的基础，它的本质是对科学事物主动认识、思考并加工从而抽象出科学事物本质、内在规律的高阶过程。新修订的义务教育课程标准(2022版)和普通高中课程标准(2017版)将科学思维作为科学学科的核心素养之一，充分体现我国的教育教学改革对中小学生科学思维训练的重视。不同于中学阶段，大学阶段的学习要求学生具有更高的自主性和独立性，化学学科中的实验课程更是要求学生不仅掌握理论知识，更要有独立思考能力、实践能力及批判性思维等，这使得科学思维的训练和形成显得尤其重要。

要指出的是，科学思维内涵丰富，在不同的学科、不同的课程中可能有不同的表现形式和侧重点，本文主要强调与《电化学专业实验》课程高度相关的三种代表性科学思维在课程中的体现，即组合思维、非连续性创新思维和批判性思维，如图4所示。

图4 电化学专业实验中三种代表性的科学思维形式

2.1.1 组合思维

组合思维又称“联接思维”或“合向思维”，是指把多项貌似不相关的事物通过想象加以连接，从而使之变成彼此不可分割的新的整体的一种思考方式。它是整体和个体之间的有效辩证统一，要求学习者既能看到大树和树叶，也要能看到大树和树叶之间的关联和影响。

组合思维在电化学学科中体现的非常突出。课程中的化学电源实验项目即是组合思维的典型体现，它一般包括正极材料、负极材料、电解液和隔膜四个部分。作为一个整体，化学电源对外提供电能，电池的性能主要体现在电压、容量、能量密度、循环性能、倍率性能以及安全性和经济性，对电池性能的全面理解不仅要着眼于电池的各个组成部分，也要考虑各个部分对电池性能的协同或制约作用。比如，在锂离子电池系统内，电池工作的过程包括锂离子在正负极上的脱嵌、离子在电解液及隔膜中的电迁移、电解液与负极作用在电极-电解液界面生成固态电解质膜(Solid Electrolyte Interphase，SEI)，各过程相互串联，短板效应决定锂离子电池的最终性能。由此产生了面向电池性能提升目标的不同科学问题。通过一层一层剖析和引导，能有效提升学生对科学问题本质的认识和理解，有利于培养学生的高阶思维能力，提升能力培养的效果。

2.1.2 非连续性创新思维

非连续性创新也称为第二曲线，是相对连续创新而言的。它是指引进和使用新技术、新原理的创新，是建立在全新的知识或是各种知识融合的基础之上的。非连续性创新思维的训练能让学生脱离思维局限性，能够从点看到面，这对学生科学思维的训练是极为有益的，有利于开拓学生的视野、培养学生的思维能力和创新能力。

在化学电源领域，通过对锂离子电池正极材料或负极材料的研究，从不同方面提升锂离子电池的性能，这属于连续性创新；通过对电解液的研究，改善锌系电池的性能同样属于连续性创新。而思考化学电源发展史，从科学本质角度来认识和理解化学电源的发展历程，引导学生在真实历史情境下，理解非连续性创新思维在知识生成过程中所起到的重要作用。

在化学电源发展史上，锂一次电池到锂离子电池的飞跃是非连续性创新的成果,[11]20世纪50年代开始锂一次电池的研究，70年代锂一次电池实现商品化，主要用于手表、计算器、植入式医疗设备等小型电子设备，其负极材料为锂，正极材料有SOCl2、SO2、MnO2等，这种电池充放电循环时容易形成锂结晶，造成电池内部断路，所以一般是禁止充电的；在锂一次电池商业化的同时，人们发现许多层状无机硫族化合物可以同碱金属发生可逆反应，这类嵌入化合物的发现为锂二次电池的诞生提供了机遇，其中最具代表性的是1970年M.S.Whittingham[12]制备的Li-TiS2电池，虽然由于安全隐患而未能成功实现商品化，但却为锂二次电池的发展奠定了坚实的基础。紧接着，M.Armand[13]首次发现并提出用石墨嵌锂化合物作为二次电池的电极材料，成功解决了锂负极材料的安全性问题。且于20世纪80年代初，首次提出“摇椅电池”概念。[14]在新的系统中，正极和负极材料均采用锂离子嵌入/脱出材料。至1990年，日本SONY公司正式推出LiCoO2/石墨锂离子电池，锂离子电池得以商品化，标志着电池工业的一次革命。将嵌入化合物引入到锂离子电池领域无疑是非连续性创新思维的有力体现。非连续性创新思维的训练有助于学生跳出思维定势和思维框架，有利于学生终身学习能力的培养。

2.1.3 批判性思维

化学学科的特点使其成为培养批判性思维的优良土壤。批判性思维是指通过个体的主动思考，对所学知识的真实性、精确性、过程、理论、方法、背景、论据和评价等进行个人的判断，从而对做什么和相信什么做出合理决策的思维认知过程。[15]而批判性思维技能则包括阐释、分析、推理、解释、评估及自我调整等。[16]批判性思维是可以在教育的过程中提供给学生让其得到训练和成长的。

翻开化学学科发展史会发现到处充满了批判性思维的痕迹，如从“燃素说”到“氧化学说”，从“三素组”到“元素周期表”，这一个一个伟大成果的后面是一次又一次的实验、推理，是一位又一位科学家在批判性思维下，严谨求实、认真探索的结果。作为高等教育中的化学学科，开展高品质的实验科学研究项目是培养批判性思维的有效途径之一。高校化学实验教学中普遍存在“照方抓药”的现象，重复教材的实验步骤来验证理论，学生并未真正参与到实验设计中，不能有效提高学生提出问题、分析问题和解决问题的能力，这从一定程度束缚了学生批判性思维的培养。这就需要教师在两个层面进行教学设计，一方面，顺应化学实验教学改革建议，减少验证性实验，增加综合性、设计性和创新性实验，更新实验项目；另一方面，改变教学模式，以学生为中心进行实验教学设计，可以要求每组学生做一个预备实验，鼓励学生提出问题，多次实验探究，允许失败，注重培养学生的批判思维和综合科学素养。[17]比如，我们设置的“锂离子电池制备”采用的是水系电解液，由于常规水系电解液无法满足锂离子电池宽的工作电压，目前商业化锂离子电池采用的是有机溶剂电解液，但是2015年索鎏敏[18]提出的高浓度电解液(water-in-salt)却使得水系电解液的电化学窗口可以提高到3.0 V甚至是4.0 V。在这个过程中可以引导学生思考常规水系电解液(salt-in-water)和water-in-salt的本质区别？在无机化学和物理化学中介绍的都是稀溶液理论，阿伦尼乌斯的电离理论适用对象也是稀溶液。实验的开展模式是半开放式的，允许学生尝试不同的water-in-salt以及与不同的电极材料组合，这样学生从实验中收获的不仅仅是照着讲义的配方称量、配溶液、将不同的单元进行组合的机械操作，而是从多个维度去思考、分析及设计实验，在这个过程中，学生的提出问题、分析问题和解决问题的能力得到充分的锻炼。

此外，针对教师提供的讲义或者网络上的资料，引导学生不能盲目地全盘接收，学生要自己去思考、分辨、甄别，这也是训练批判性思维的有效手段之一。

2.2 思维导图

图画是留下思维痕迹的最好的方法。思维导图能化繁为简，将错综复杂的事物以图的形式直观、形象的呈现出来，电化学专业实验包含的内容涉及面广，所开设的实验项目涉及电化学基础、电镀、电化学合成、化学电源、电化学腐蚀、表面处理技术以及设计性实验，课程的特点要求学生对每一类实验项目进行充分的预习准备工作，将思维导图引入到电化学专业实验中能有效地训练学生的科学思维能力，引导学生积极主动思考，能起到事半功倍的效果。比如：循环伏安技术虽然是电化学最常用的一种技术，但对于初学者来说，要较快地掌握循环伏安技术却常感到困难，尤其是涉及到知识或思维迁移时。思维导图的形式有利于帮助学生厘清内部的关系，循环伏安技术实验项目的思维导图如图5所示。在教学过程中，可以要求学生在预习阶段以思维导图形式呈现预习报告，需要指出的是，针对思维导图中给出的关键词，学生要在脑海中有其具体的内容指向。预习报告检查过程中，教师提出引导性问题，充分调动学生的积极性，训练其科学思维的发展。

图5 循环伏安技术实验项目的思维导图

3 实验报告论文化三意识

传统的实验报告存在照抄实验讲义的现象，甚至出现即使实际实验中操作步骤有发生改动时，学生仍然照抄讲义的情况。这种模式学生处于“思维躺平”的状态，不能充分调动学生的积极性和主动性，无法提高学生的思维参与度，不利于学生科学精神的培养。实验报告的撰写既与预习和实验环节紧密相关，又是实验之后的深度思考和思维融合过程，因此，实验报告不仅是学生对实验教学过程的观察记录、分析讨论、归纳总结和整体把握，更是加强学生自主分析并解决复杂问题的科学素养和综合创新能力培养的重要环节。传统的实验报告方式难以承载这些内容，而实验报告论文化要求学生以论文形式撰写实验报告，包括科学论文的一般元素，即题目、作者、单位、摘要、关键词、引言、实验部分(实验原理、试剂、仪器与方法)、结果与讨论、结论以及参考文献，这种模式可以为科学精神训练提供重要途径和主要渠道，比如引言部分学生可以基于组合思维、非连续性思维或批判性思维，将实验项目的背景和意义串起来；在实验部分，通过查阅资料，要求学生充分理解实验的原理、能将试剂的安全信息呈现出来，训练其绿色意识和安全意识；在结果与讨论部分，在对实验现象和数据记录实事求是的基础上，认真严谨地分析实验数据，允许偏离，甚至允许错误，但是要求学生分析其中原因，并写明改进方案。为了更好的将科学精神植根于学生的意识中，本文特别强调论文化实验报告中的三强化意识，即整个过程体现问题意识，融入科学思维和探究性特点；过程论点要有论据，有定量的思维和实事求是的态度；结论部分体现持续改进和终身学习的理念，如图6所示。

图6 实验报告论文化强化的三意识

3.1 问题意识

会提问题是学习能力的重要体现，事实上问题意识在预习时就开始酝酿，实验过程是对问题的分析和探究，而实验报告的撰写则是前两部分的升华。问题意识可以在引言部分得到充分的体现，在对问题的积极思考中，学生通过查阅资料和文献，分析问题、解决问题。论文式实验报告中对问题意识的重视能充分调动学生的参与度，有利于学生科学思维能力的提升。比如在电镀赫尔槽实验项目中，实验讲义给出的内容是以ZnO为前驱体，在NaOH碱性条件以及糖精钠添加剂的组成下，通过改变电流和氢氧化钠与ZnO浓度比例进行电镀，并绘制不同碱锌比时赫尔槽试片的比较图及给出各实验条件下得到光亮镀层的电流密度范围。在此实验中，在提倡问题意识的框架下，学生提出以下问题：除了碱性氧化锌，还有哪些锌电镀液体系？糖精钠的作用是什么？除糖精钠，锌电镀中，还有哪些常用的添加剂？267 mL赫尔槽需要电镀液比较多，可不可以改变赫尔槽的尺寸，使其体积变小更适用于实验室开展实验？阴极近端距离与电流密度之间的经验关系式是怎样来的？锌镀层的形貌肉眼观察会因个体而有差异，是否有其它更科学的方法来定量观察等等？其中的每一个问题都可以引申为引言的部分内容或者作为实验探究反思部分呈现，在资料查阅及探究性学习下，可以成为一个探究性的设计性实验。

3.2 证据意识

实验报告的内容是建立在实验基础上的，实验过程的规范操作和实事求是是实验报告严谨的前提条件，这主要体现在对实验现象的描述和实验数据的分析、讨论上。学生在给出论点或结论时，一定要学生给出原因或依据，要摒弃似是而非、自我感觉的语言描述，可以量化的则不能只是停留在定性描述上。比如在循环伏安实验的实验报告中，常出现这样一种情况：给出不同扫速下的循环伏安图，然后直接表述铁氰化钾的氧化还原为可逆过程，这是一种不严谨、不科学的表述方式。甚至有的按照讲义要求把峰电位和峰电流数据列表表示，但是依然是没有任何对数据的分析，而只是生搬硬套地在图或表的下方写着铁氰化钾的电化学反应是可逆过程。这就是学生缺少表达观点要有依据的科学精神。对实验报告点评时，需要引导学生回顾电化学可逆反应的几个依据，再根据定量化的数据判断是否符合这些依据，从而得出结论。事实上，结合多次学生给出的实验数据会发现，铁氰化钾的氧化还原峰电位差很难达到理论依据的59 mV，这时要求学生要尊重实验事实，说明这只是一个准可逆过程。至于实验结果为什么与实验讲义给的不一样，这时候需要引导学生去分析实验的影响因素。这样呈现出来的才是有灵魂的实验报告。

传递并实践表达观点要有依据的科学精神是培养学生实验高阶思维能力的有效途径。经过这样的一个阐释、分析、推理能力训练过程，学生的理论结合实践能力提升，批判性思维得到发展，有利于学生学科素养的整体增强。

3.3 持续改进意识

在科学思维训练以及问题意识、证据意识的科学精神框架中，持续改进意识应运而生，所以在论文式实验报告中，在结论部分除了对实验现象和结果下结论之外，还要求学生融入持续改进的理念，培养其终身学习的能力。持续改进部分可以包括对预习、实验操作、团队协作的反思，也可以是基于实验中对实验方案的思考或实验现象的观察，提出实验改进思路或探究想法。持续改进意识有助于学生后续开展设计性实验，甚至对教师以后的教学会产生促进作用。

4 “123”课程思政实施路径教学案例

BOPPPS模式源于20世纪70年代，目前已被广泛应用于理论和实验实践教学。[19-20]该模式与“以学生为中心、产出导向、持续改进”的教学理念相契合，能较好地融入“123”课程思政实施策略。本文以“锂离子电池的制备”教学设计为例对“123”课程思政实施路径进行阐释，如表2所示。

表2 BOPPPS模式下基于“科学精神”培养的“123”课程思政实施路径——以“锂离子电池的制备”为例

5 效果反思

在课程开展过程中，通过问卷调查(表3)、提问及课程小结了解学生对课程教学的反馈，了解到大部分学生很肯定这种教学模式，有的同学表示“这是一种比较新颖的实验课模式，是一次较好的突破，参与度和积极性明显提高，学习到很多学习的态度和方法”、“老师和学生在用心建设这一门实验课。这是一种难得的进步。创新也是本门课程的一大亮点，老师总是能跳出课本之外，从各类文献中寻找灵感，从而将集中好像关系不大的事物联系到一起”。“做实验并不仅仅是学习操作，更不是按照实验讲义上面的内容‘依葫芦画瓢’，而是要动脑，要会思考怎么去做，想好怎么更好的完成实验”、“充分将所学的理论知识与实践联系，发挥我们的主观能动性，收获到许多宝贵的能力和财富”。因此，在实验课程中融入思政元素涉及面广，应当更加注重潜移默化而不是硬植入，教学载体可以更丰富，参与式、探究式教学等比例应当增大，以充分调动学生的思维参与度与探究参与度。

表3 课程思政教学效果问卷调查设计

6 总结

本文以笔者所在高校应用化学专业的电化学专业实验为例，探索与实践基于科学精神训练的课程思政策略和路径。经教学实践得出，科学家精神浸润、科学思维形式及思维导图、论文式实验报告中的问题意识、证据意识及持续改进意识的“123”科学精神培养路径是行之有效的策略，能全方位地服务于学生科学精神的训练，增强学生的综合科学素养，提升人才培养质量，体现了立德树人的根本任务性质；此外，文中所提的策略和路径能广泛地推广到科学学科的实验课程教学中。