應用電化學實驗改革與學生創新能力培養

江莉 李冬云 余云丹 衛國英 王疆瑛 金頂峰

摘 要：為了促進《應用電化學》實驗教學改革的開展， 從改革思路提出、實驗體系設計、實施方案、學生能力培養以及考核與評定等方面，系統培養學生思考、動手能力、創新能力和團隊合作精神，探討提高學生的綜合素質的方式，完善全面發展的創新型人才的培養方案。

關鍵詞：應用電化學；綠色化學；實驗體系；創新

中圖分類號：C961 文獻標志碼：A 文章編號：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

高校深入學習貫徹黨的十九大報告精神，全面推進“雙一流”建設，在推進創新型人才培養方面進行了改進[1]。《應用電化學》是一門利用電化學基本原理，解決科學研究和生產實際中涉及電化學應用領域內有關金屬腐蝕、金屬電沉積及化學電源等方面的實際問題的課程。《應用電化學》也是中國計量大學材料化學專業本科生的專業必修課程。為了培養具有創新思維的高素質人才，我們在課程開展的教學模式和教學內容進行了各種創新和優化。該課程實踐性和應用性很強，各個知識點均和實踐緊密結合，大部分知識點是從實踐中來并用于指導應用的。目前《應用電化學》課程在大班講課的方式下有部分電化學課外實驗指導，但由于缺乏與各知識點相匹配的學生實驗，使得學生對電化學反應過程和原理難以掌握（比如電催化章節），對電化學技術的學習停留在記憶層面（比如表面精飾章節），無法深入。為此，我們對材料學院《應用電化學》課程的實驗教學進行了改革，本著“以學生為本，以能力培養為核心，知識、能力、素質協調發展”的實驗教學理念，以拓寬知識面、加強創新能力培養的指導思想，給予實驗課新的定位[2-4]。

一、實驗改革思路

（一）綠色化學思想

在《應用電化學實驗》中開展綠色化學教育，篩選實驗內容、開設環境友好實驗、開設資源回收與利用實驗，增強學生的環保意識。首先，改革并優化實驗項目，在實驗中設計序列化學實驗，即通過實驗內容的連接，設計出前一步反應的產品是后一步反應的原料或者可用作其他用途的綜合性實驗[5]。例如：學生“金屬材料的表面電鍍實驗”后做出的樣品，可以繼續用于綜合實驗“金屬材料耐蝕性研究”，遵循“循環利用，綠色化學”的原則，節約試劑和減少試劑的污染；其次，教師有強烈的綠色環保意識，利用自己的言行去感染學生，結合具體實例、理論與實踐，巧妙地把綠色化學的觀點滲透到教學中。從學生進入實驗室，教師就要對學生進行綠色化學教育，指導學生正確處理實驗過程中產生的“三廢”問題。比如在電鍍教學生產線實驗室，廢氣收集和處理的設備使用和廢氣去除原理介紹，廢水中重金屬的回收方法以及零排放技術，固廢脫水設備和工藝技術等，指導學生自己動手操作，把綠色化學思想扎根在學生頭腦中。

（二）實驗選題具有專業特色

實驗盡量突出專業的化學計量特色，包括反應物和產物量的計算、化學平衡的計算、化學反應速率的計算、化學反應中能量的計算等，基于CDIO理念開展主動式項目教學與學習互動。CDIO代表構思（Conceive）、設計（Design）、實現（Implement）和運作（Operate），它以產品研發到產品運行的生命周期為載體，讓學生以主動的、實踐的、課程之間有機聯系的方式學習工程工藝。實驗開展過程按“問題—實驗—探索—反思”的模式進行。根據《應用電化學》理論課程的進展，以及小班研討的議題內容與進度，設計《應用電化學》的課外實驗內容，使課外實驗和理論教學緊密結合，通過學生的動手實踐提升對理論知識的理解，并讓學生初步學會利用理論知識指導實踐的思維和能力。比如在陽極氧化實驗中，教師提出問題：如何給不同材質表面制備耐磨耐腐蝕的保護層；學生分組討論出不同材質表面陽極氧化最優工藝并提出幾種氧化工藝；學生進入實驗室開展實驗，探索和驗證解決方案的可行性并得出最佳實驗方案；最后，各小組同學互相交流經驗，反思成功和失敗的原因，加深對電化學知識在實踐中的應用。

（三）搭建課程實驗平臺

為了促進應用電化學實驗課程的建設，需要不斷完善基礎實驗平臺，提高專業實驗平臺，搭建自主創新實驗平臺。實驗內容需精選核心實驗項目作為基礎實驗（循環伏安測試、極化曲線測試方法等），結合材料學科科研發展優勢，將先進的科研成果引入實驗教學（發光材料制備、光電催化材料制備等），開設前沿研究和技術開發綜合性、設計性新實驗課題，指導學生開展自主探索實踐活動。學生組成科研小組（5～6人），可以利用課堂或者課余時間，提前預約實驗室和實驗設備，通過網上審核、實驗室登記、實驗設備使用登記等流程，在指導老師的幫助下有序的展開實驗。例如：綜合實驗“電沉積磁性合金薄膜”，學生小組利用空閑時間預約專業綜合實驗室和實驗時間，在實驗員的幫助下準備好實驗藥品和設備后，設計的實驗方案經指導老師認可后方可開展實驗。

（四）開展實驗技能競賽，培養學生的創新能力

學生創新精神、創新能力的培養是素質教育的重要組成部分，也是實驗教學的宗旨。舉辦實驗技能大賽，既可以激發學生的學習興趣，調動學生的學習積極性，又可以培養學生的發散性思維和動手操作能力[6]。將現實生活中與化學相關的事例和化學領域的前沿問題引入到實驗競賽中，激發學生學習材料化學的熱情，培養學習材料化學的興趣。例如：實驗“納米顆粒的物理法制備、結構與性能”、實驗“富勒烯和金屬富勒烯的合成、分離及性質結構表征”等，對于這些實驗，要讓學生自己查閱文獻資料，通過討論和實驗技術比較，以及實驗室設備的限制，設計出較適合的實驗方案。過程中相對于自己知識水平仍屬于“新”的問題，主要以學生通過文獻學習為主，指導教師指導為輔，培養自主學習意識和獨立思考的能力。學生在競賽答辯中，以PPt的形式展示小組合作的成果，根據理論可行、操作可行、創新能力等方面，答辯專家給予評價和指導。

（五）結合多媒體技術， 增加實驗教學的趣味性

隨著計算機應用的日益普及和多媒體技術的多樣化， 越來越多的工具應用于化學實驗教學， 借助計算機輔助教學， 圖文并茂， 生動形象， 還可以模擬各種實驗內容。例如，有些實驗機理比較復雜，通過動畫形式把抽象的反應過程比較直觀的呈現在學生眼前，加強電化學反應的理解；有些實驗具有一定的危險性，比如實驗“鋰電池過充電的危害”，借助計算機在課堂上模擬時間較長的實驗過程，將抽象的知識變得更為形象具體， 增強化學課程的互動性和趣味性；還有一些工廠先進的技術，由于受到實習時間和工廠安全等局限，學生無法直接進入現場參觀，可以通過遠程視頻，讓學生在課堂上了解工廠汽車等涂裝現場的情況，清楚電化學表面處理的流程和參數控制，對現代化涂裝技術具有一定認識。

二、應用電化學實驗體系設計

在應用電化學實驗改革過程中，將開展的實驗分為以下四個部分：1.驗證性實驗，結合學生現實情況進行基本知識，基本方法和基本技能的訓練，進行改造和出新的問題；2.設計性實驗，學生自己去完成方案的選擇，實際操作并獲得數據和最終結果。鼓勵學生運用已學過的實驗知識，完成一些基礎性的實驗設計，使他們在主動應用知識的過程中，得到基本知識，基本方法和基本技能的訓練強化、培養獨立操作和動手能力；3.綜合性實驗，通常原理或操作比較復雜，涉及多種實驗技術，測量方法和儀器使用也比較接近當代研究或工程技術的前沿；4.自主創新實驗，是課程的提高，把握綜合性、創造性、探索性的原則。特點是沒有現成的儀器或定型的實驗方案，部分或關鍵細節需要學生自己查閱文獻并討論確定。該類實驗沒有固定的題目，常常和實驗室開發新實驗結合在一起，也可以根據學生的特長和興趣提出。

三、實施方案和過程

（一）實驗教材選擇

在2013年～2015年《應用電化學》重點課程建設過程中，已編寫教材《應用電化學實驗》。近3年，該教材內容隨著學院和專業的發展，不斷將最新研究方向補充到設計性實驗和自主創新性實驗中。此外，課程中的自主創新性實驗，也可以同學們3～5個人組成的團隊根據興趣提出題目。實驗開展方案一旦經教師審核通過，在實驗室條件允許的情況下，可給予同學們實驗指導以及藥品、設備等支持。

（二）設計性和自主創新性實驗方案

選擇實驗內容時，一是反映應用化學發展的新成果；二是結合我院應用電化學課程的特色。基于CDIO理念根據《應用電化學》理論課程的進展，以及小班研討的議題內容與進度，設計《應用電化學》的課外實驗內容，開展主動式項目教學與學習互動。以產品研發到產品運行的生命周期為載體，讓學生以主動的、實踐的、課程之間有機聯系的方式學習工程工藝，使課外實驗和理論教學緊密結合，通過學生的動手實踐提升對理論知識的理解，并讓學生初步學會利用理論知識指導實踐的思維和能力。同時，將實驗過程以及實驗結果列入小班討論的議題，通過動手實驗以及對實驗的研討，使實驗內容和課堂教學緊密結合。學生通過課外實驗能夠加深理解課堂教學的理論知識，并學會利用理論知識去解釋實驗、指導實驗的思維方法。

（三）具體開展過程

第一步，實驗平臺預約。每一個實驗開始后，每組學生可提前預約實驗室場地和儀器，教師適時指導，學生自主實驗，提高學生的動手能力和實踐能力；第二步，學生登記領取材料。參加實驗的學生登記后領取實驗材料（藥品等）和儀器、工具（電烙鐵、燒杯、設備等），用完驗收檢查歸還。第三步，實驗開展。分為四個階段：實驗準備階段、實驗方案制定階段、實驗開展階段、實驗報告撰寫階段。1.實驗準備階段。學生對有關文獻資料進行分析總結，明確實驗目的、方法及所需條件；2.實驗方案制定階段。各小組同學提出初步實驗方案，確定配方及加工工藝條件，然后經師生共同討論，由指導教師審核后確定最終的實驗方案；3.實驗開展階段。各小組按方案開展實驗，得到材料樣品或測試結果；4.實驗報告撰寫階段。實驗結束后，以實驗小組為單位共同討論實驗結果、成敗得失、經驗教訓等并撰寫實驗報告。

四、學生能力培養

以培養新材料計量檢測領域的創新型人才為目標，通過課程實驗改革，希望著重培養學生的發現問題、探究原因、解決問題的能力。1.通過實驗中觀察，提升學生發現問題的能力。實驗操作和觀察都是獲取感性認識的重要科學手段。通過對實驗現象的仔細觀察，才能認識特殊的實驗現象，進而得出正確的實驗結果。2.探究實驗因果關系，總結實驗規律。本環節著重引導學生分析和處理化學實驗所獲得的信息，探究實驗現象產生的原因，從定性、定量的角度分析實驗數據，總結實驗規律，突出訓練學生的思維能力。3.反思和拓展。教師精心設置實驗習題，引導學生綜合應用所掌握的知識進行分析或計算，培養學生解決實際化學問題的能力。同時，引導學生向知識與技能的深度和廣度探索，開闊學生的知識視野。

五、實驗考核與評定

實驗的評價從方案、過程和結果三個方面開展[4]。綜合平時出勤、實際操作、實驗報告書寫完成情況考核與評價，促進學生增強動手能力以及認真程度。具體考核如下：小組研討實驗、查閱文獻、制訂實驗方案20分；實驗操作能力50分；實驗報告（含答辯）30分，總計100分。同時，也需對學生開展《應用電化學實驗》開設問卷調查，對調查反饋結果進行分析和總結，以待改進。

六、結論與展望

《應用電化學實驗》的開設集知識傳授、能力培養和素質教育于一體，可以培養學生的實驗興趣、觀察能力、操作能力、資料收集力、處理實驗數據和撰寫能力[7]。通過系統的實驗教學訓練，幫助學生深入理解基本概念和實驗原理，訓練其邏輯思維能力，培養學生觀察、操作、分析等多種實驗技能，提高學生的綜合實驗技能。實驗教學既能直觀地、科學地展示實驗所需達到的目的，又可提高化學試劑的利用效率，降低對環境的污染，推行綠色化學教育，實現應用電化學實驗教學的綠色化。

參考文獻：

[1]衛廣智，毛小浩，馬瑞.材料專業綜合性實驗改革思路與實踐[J].實驗技術與管理，2008，25（10）：123-125.

[2]安琳，牟杰，張玲，等.序列化有機化學實驗改革與創新型人才的培養[J].實驗室研究與探索，2016，35（7）：218-220.

[3]牛燕燕，孫搖偉，李小寶.大學化學實驗改革及創新型人才培養探索[J].廣州化工，2017，45（15）：216-217.

[4]潘長多.高等學校有機化學實驗改革探索[J].廣州化工，2017，45（21）：177-179.

[5]平兆艷.大學化學實驗改革初探[J].宿州學院學報，2013，28（10）：108-109.

[6]曹俊濤，盧先春，向慧，等.分析化學實驗改革與大學生創新能力的培養[J].廣州化工，2015，43（17）：210-211.

[7]仇丹，房江華，賈志艦，等.“科教融合、三位一體”基礎化學實驗改革[J].實驗室研究與探索，2015，34（11）：159-162.