電化學(xué)原理課程拓展式教學(xué)探究

1、電化學(xué)原理課程拓展式教學(xué)探究 摘要電化學(xué)學(xué)科發(fā)展迅速，在能源、材料、環(huán)境等熱點(diǎn)領(lǐng)域取得了巨大的成就。電化學(xué)原理課程是電化學(xué)學(xué)科的核心課程，概念繁多，內(nèi)容豐富，邏輯性強(qiáng)，難度偏大。單一的教學(xué)方法不能囊括所有知識，亦會(huì)限制學(xué)生的思維與創(chuàng)新能力。本文構(gòu)建的拓展式教學(xué)模式則有利于學(xué)生學(xué)習(xí)能力的提升、創(chuàng)新精神的升華和科研素養(yǎng)的培養(yǎng)。 關(guān)鍵詞電化學(xué)；拓展式教學(xué)；創(chuàng)新精神；科研素養(yǎng) 電化學(xué)是研究電子導(dǎo)體與離子導(dǎo)體形成的界面結(jié)構(gòu)及效應(yīng)的一門交叉學(xué)科，在能源、材料、環(huán)境及生物醫(yī)藥等相關(guān)方面取得了令人矚目的成就。根據(jù)電化學(xué)學(xué)科的應(yīng)用領(lǐng)域，可將其劃分為界面電化學(xué)、材料電化學(xué)、腐蝕電化學(xué)、分析電化學(xué)、合成電化學(xué)、生物

2、電化學(xué)、工業(yè)電化學(xué)等七個(gè)大類。電化學(xué)課程是電化學(xué)學(xué)科的核心課程，概念繁多，內(nèi)容豐富，邏輯性強(qiáng)，應(yīng)用面廣，難度偏大。國內(nèi)許多高等院校均在化學(xué)化工類與材料類專業(yè)開設(shè)了電化學(xué)原理、應(yīng)用電化學(xué)、電化學(xué)基礎(chǔ)、工程電化學(xué)等相關(guān)課程，本校材料化學(xué)專業(yè)與應(yīng)用化學(xué)專業(yè)亦開設(shè)了電化學(xué)原理課程。關(guān)于電化學(xué)的教學(xué)，人們采用了各種各樣的方法，如探究性教學(xué)、發(fā)現(xiàn)式教學(xué)、激勵(lì)式教學(xué)、理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)實(shí)踐相結(jié)合、教學(xué)活動(dòng)與科研相結(jié)合等，我們在教學(xué)過程中，亦采用了同樣的教學(xué)方法，取得了較好的教學(xué)效果。然而，在這個(gè)知識爆炸式發(fā)展的時(shí)代，無限知識與有限時(shí)間的矛盾愈發(fā)突出，任何一種單一的教學(xué)方法都無法將所有知識囊括其中，且限制了學(xué)生的

3、思維能力與創(chuàng)新能力。因此，在學(xué)校教研教改項(xiàng)目(電化學(xué)原理課程拓展式教學(xué)模式的創(chuàng)建(XJG15015)的支持下，我們對電化學(xué)原理課程的教學(xué)方法不斷進(jìn)行了改革，構(gòu)建了拓展式教學(xué)模式，在不同專業(yè)大三學(xué)生中取得了良好的教學(xué)效果。 1基本概念知識拓展教學(xué) 在電化學(xué)原理課程中，專業(yè)術(shù)語頗多，相似度高，如不加以展開延伸，極易混淆。比如，在學(xué)習(xí)“電化學(xué)位”這個(gè)概念時(shí)，需向物理化學(xué)中的“化學(xué)位”進(jìn)行延伸。電化學(xué)位是指1摩爾帶電粒子移入一個(gè)孤立相內(nèi)部所引起的全部能量，而化學(xué)位則是恒溫恒壓下1摩爾物質(zhì)加入系統(tǒng)所引起的系統(tǒng)總自由能的變化。電極體系的界面張力與界面層物質(zhì)組成有關(guān)，也與電極電位有關(guān)。進(jìn)一步拓展至非電極體系

4、與理想極化電極體系，則為：非電極體系的界面張力僅與界面層物質(zhì)組成有關(guān)，理想極化電極體系的界面張力僅與電極電位有關(guān)。又如：原電池與電解池、平衡電位與穩(wěn)定電位、內(nèi)緊密層與外緊密層、氫標(biāo)電位與零標(biāo)電位、電極的可逆性與電極反應(yīng)的可逆性、理想極化電極與理想不極化電極1，等等，這些基本概念知識之間的相互拓展教學(xué)。 2重點(diǎn)知識拓展教學(xué) 在教學(xué)重點(diǎn)之處拓展聯(lián)系緊密的知識，加強(qiáng)對教學(xué)重點(diǎn)的理解與掌握。比如，極化曲線在電化學(xué)原理課程中占有非常重要的地位，其定義是一條過電位或電極電位關(guān)于電流密度的變化曲線，簡單易懂。但是，其測量方法可依據(jù)時(shí)間因素分為穩(wěn)態(tài)法和暫態(tài)法；依據(jù)自變量的不同可分為恒電流法與恒電位法。教材中提

5、到“當(dāng)電位與電流密度互為單值函數(shù)時(shí)，恒電流法與恒電位法測量的極化曲線大致相同；否則，兩種測量方法得出的結(jié)果可能相差很多”，在沒給出任何實(shí)例進(jìn)行解釋的情況下，這種描述令學(xué)生非常費(fèi)解。因此，必須將該內(nèi)容進(jìn)行拓展教學(xué)。圖1所示為鎳基合金718在70的飽和CO2、H2S/CO2溶液體系中的極化曲線2。對比兩條陽極極化曲線可知，CO2溶液體系中的曲線幾乎沒有活化-鈍化轉(zhuǎn)變區(qū)，而是直接進(jìn)入鈍化區(qū)。H2S/CO2溶液體系中的陽極極化曲線則出現(xiàn)了多次活化-鈍化轉(zhuǎn)變現(xiàn)象，即在一定電流密度范圍內(nèi)，一個(gè)電流密度值對應(yīng)兩個(gè)或三個(gè)電位值，即為多值函數(shù)，所以，這類極化曲線不能采用恒電流法測量，只能采用恒電位法進(jìn)行測量。反

6、之，如果在一定的電位范圍內(nèi)，一個(gè)電位值對應(yīng)多個(gè)電流值，則這類極化曲線只能采用恒電流法進(jìn)行測量。 3難點(diǎn)知識拓展教學(xué) 在教學(xué)難點(diǎn)之處導(dǎo)入聯(lián)系緊密的知識，加強(qiáng)對教學(xué)難點(diǎn)的消化與吸收。譬如，在學(xué)習(xí)到電極/溶液界面的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)時(shí)，有一個(gè)難點(diǎn)內(nèi)容循環(huán)伏安法，該方法是一種在電化學(xué)學(xué)科各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域通用的技術(shù)，但是，教材中僅有半頁紙的內(nèi)容，學(xué)生不知教材所云，因此，必須進(jìn)行拓展式教學(xué)。如教材內(nèi)容所示，在研究氫、氧原子的吸附行為時(shí)，可根據(jù)循環(huán)伏安曲線的對稱性，判斷氫、氧原子吸脫附過程的可逆性。氫吸附區(qū)與脫附區(qū)關(guān)于電位軸幾乎對稱，故氫原子的吸脫附過程基本上是可逆的；而氧吸附區(qū)與脫附區(qū)的電位差較遠(yuǎn)，故氧原子的吸脫附過

7、程是不可逆的3。在材料電化學(xué)領(lǐng)域，可采用循環(huán)伏安曲線研究鋰離子電池材料脫嵌鋰離子的電位及其循環(huán)性能。圖2所示為多元摻雜磷酸鐵鋰/碳材料的循環(huán)伏安曲線4。由圖可知，該材料在3.55V發(fā)生了脫鋰反應(yīng)，在3.31V發(fā)生了嵌鋰反應(yīng)，循環(huán)50次后峰電流與峰電位變化甚小，表明材料具有優(yōu)異的循環(huán)性能。在合成電化學(xué)領(lǐng)域，可采用循環(huán)伏安法研究體系中可能發(fā)生的反應(yīng)、反應(yīng)的最大速度及其反應(yīng)產(chǎn)物的穩(wěn)定性。 4結(jié)語 本文以電化學(xué)原理課程為例，結(jié)合課程特點(diǎn)，構(gòu)建了拓展式教學(xué)模式。經(jīng)過4年的試行，學(xué)生在課堂學(xué)習(xí)主動(dòng)性、學(xué)習(xí)效果、創(chuàng)新精神與科研素養(yǎng)等方面取得了明顯的進(jìn)步，但我們?nèi)孕枥^續(xù)努力探索更佳的教學(xué)策略。 參考文獻(xiàn) 1劉萬民，肖鑫，黃先威，等淺議電化學(xué)原理課程知識的對比教學(xué)J科技展望，2015，25(25)：197 2趙國仙，祝恒倩鎳基合金718在H2S/CO2環(huán)境中的腐蝕行為研究J腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù)，2019，31(3)：291-296 3李荻電化學(xué)原理(第三版)M北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008 4WanminLiu，QilongLiu，MulanQin，etalInexpensiveandgreensynthesisofmulti-dopedLiFePO4/Ccompositesforlithium-ionbatteriesJElectrochimicaActa，2017，257：82-88