提升教育功能的“氧化還原反應與電化學應用”教學新策略

王紅艷，劉季銓，李成博，劉志宏

1 陜西師范大學化學化工學院，西安 710119

2 西北大學化學與材料科學學院，西安 710119

2020年，黨的十九屆五中全會明確指出“十四五”時期要“建設高質量教育體系”，充分發揮教育的先導、引領和教育功能。教學作為教育的主要途徑，不僅在于讓學生掌握基本知識、方法和技巧，培養學生觀察、分析和解決問題的能力，更重要的是培養學生嚴謹的科學思維，滿足時代需求的綜合能力，以及適應科技進步的創新能力[1]。近年來，筆者所在的無機化學教研室不斷實踐高等無機教材改革，同時針對課程建設進行了大膽的創新和嘗試，以真正體現“兩性一度”即“高階性、創新性和挑戰度”的金課標準[2]。筆者以“氧化還原反應與電化學應用”章節為例，在內容上進行重構，在教學上進行重新設計，以期在知識層面和學生能力培養方面提升教學的教育功能，取得了一定的效果。

1 對“氧化還原反應與電化學應用”章節的認識及提升教學設計教育功能的必要性

氧化還原反應與路易斯酸堿反應和自由基反應并稱為化學反應中的三大基本反應，且廣泛存在于自然界，與人類社會的生產生活息息相關。經過兩個多世紀的探索實踐，從物質與氧反應的發現[3]、化合價與氧化數概念的提出和形成[4-13]，到成鍵電子理論[14]的建立等，氧化還原反應的本質逐步被認知[15]。基于其基本原理建立的電化學也逐漸發展為一門獨立的學科，涵蓋電池與電解兩大方面，涉及化學電源、電化學合成、電化學催化等內容。高中教材已初步涉及氧化還原反應的基本概念、配平以及原電池和電解池的基本原理，然而對氧化還原反應實質的理解仍處于初級階段，甚少涉及電池熱力學相關知識、電解相關的定量計算及電化學應用，因此在大一的基礎無機化學課程中，構建了“氧化還原反應與電化學應用”章節[16]。作為高中知識的銜接、延伸和升華，體現大學授課的“兩性一度”，內容上不僅需要包含豐富的基礎理論與概念，同時應兼具較強的應用性，且須緊密聯系電化學水分解、光電催化等科技前沿，滲透我國提倡的綠色可持續發展的理念，及“碳達峰”“碳中和”的重要國策。同時，在教學設計上不僅需要包含基礎知識的系統傳授，穿插化學史知識，更要展示電化學領域的新進展和新成就，以期激發學生的學習興趣、感知能力和創造能力，真正體現教學的教育功能。縱觀過往本章節設置，主要不足之處有：

(1) 知識層面。① 部分知識點低階、陳舊，與高中內容幾乎重合，甚至出現錯誤。如化合價、氧化數等重要概念沒有辨析，且有些教材中將其與形式電荷等同[17]；氧化還原反應的實質理解不深刻，仍沿用高中教學中的以化合價升降定義氧化還原反應或簡單的引入氧化數定義氧化還原反應的方式等；② 整體設計框架較為固定、保守，只介紹電池，將電解作為附帶，更無元素的電化學提取、電化學腐蝕與防護、電催化等應用介紹，教材內容覆蓋面嚴重不足；③ 知識體系明顯滯后于學科發展。例如化學電源簡介部分只介紹一般原理，未涉及電極材料發展及提高電池性能參數的途徑和方法等。

(2) 能力培養。① 能力培養僅停留在高中階段以培養觀察力、記憶力、想象力和注意力等普通能力為目標的“證據推理與模型認知”維度[18]，未能有效突出創新思維培養和科學研究方法訓練，激發學生學習積極性和主動性的效力不足，致使“知識-能力-素養”的教學目標難以實現；② 不能有效地將原理、概念和基礎知識與實際應用關聯，突出應用性不夠。無法體現所學知識“學以致用”的要求。

(3) 素質培養。① 前沿研究科技成果介紹嚴重匱乏，教學輔助信息量小，無法有效發揮引導學生自主探究的作用；② 缺乏必要的化學史知識，挖掘課程中思政教育元素、宣揚科學家獻身精神、贊揚中國科學家對世界科學進展的巨大貢獻不夠強烈。即體現“專業與思政同向同行”理念不夠深入[19]。

2 “氧化還原反應與電化學應用”教學課程新體系的探索

2.1 “氧化還原反應與電化學應用”課程設計重構

突出大學課程的“兩性一度”，結合大學啟發式的教學模式，在知識和能力培養方面提升教育功能是我們在新教學策略設計過程中的指導思想。電化學應用涉及科技前沿最為熱門的研究方向，需要引入大量最新科研成果，把控內容的深度和廣度也是慎之又慎的問題。基于這些思考，我們以知識回顧、理論探究、實踐應用為主線，打破傳統教材體系，區分氧化還原反應的理論層面、應用層面，在理論上重點介紹氧化還原反應與電化學的構效關系；在應用上整合多項研究成果，主要關注化學電源電極材料發展、電化學元素提取、電化學防腐、電化學合成、電催化和光電催化等前沿領域，務求理論與應用相統一，力求深度和廣度兼融合。同時采用線下講解與線上自學相結合的混合教學模式，在授課策略上進行了較大幅度的調整，安排為6個模塊單元講授(表1)。

表1 “氧化還原反應及電化學應用”的教學新策略

(續表1)

(續表1)

2.2 重構后在教學內容上教育功能提升的具體體現

具體授課內容設計策略見表1，可概況為以下幾個方面。

(1) 概念的準確性和延伸。對化合價、氧化數概念的區別和聯系，相信很多讀者甚至化學教育工作者都未曾認真思考過，有時甚至會將二者等同或稍加區別。也有學者認為氧化數是一種形式電荷或表觀電荷[17,45]。依據文獻事實，我們明確了化合價與氧化數的概念及區別，即化合價表示元素原子能夠化合或置換一價原子或一價基團的數目，以及以什么手段結合成鍵和成鍵數目為多少等三個涵義[45-47]，因而是整數；而氧化數是量子力學中出現的高階性名詞，指以一定方式將化合物鍵合電子分配給各原子時，該元素原子所帶電荷的一個數值，具有人為指定性[48-54]，因此可為正數、負數、整數或者分數，這顯然更符合IUPAC規則的習慣規定[55]。在專題部分，進一步介紹了形式電荷的概念和計算方法[56,57]，將其與化合價和氧化數進行詳細區分[58]。以此說明化合價表示化合物原子之間的成鍵情況，氧化數和形式電荷在更大程度上傾向于反映化合物中的電荷分布。進而引出電荷概念的三個層次，即表觀電荷分布，基于量化計算的電荷在原子上布居(圖1)和原子之間的重疊布居以及全空間的電子云密度分布[59-61]。這些概念的明確是理解氧化還原反應實質的基礎。

圖1 基于量化計算(馬利肯布居)得到的甘氨酸各部分的電荷分布

(2) 在氧化數法和離子-電子法的配平基礎上，結合教學論文，歸納總結了多種氧化還原反應方程式的配平技巧[21-29]，更包括矩陣法配平[30,31]，供有興趣的學生自學。旨在使學生掌握配平方法的同時，理解氧化還原反應特點、電子轉移規律、物種因參與氧化還原反應而引起的化學鍵重組等，利于與元素章節相結合，明確元素的反應性質。

(3) 第三部分氧化還原反應和原電池是本章的重點和難點。相比以往教學設計，更注重知識的連貫與循序漸進，更關注科研成果的滲透。主要特點如下：

① 凸顯電化學基礎知識在科技前沿的應用，讓學生深切感受基礎知識在研究前沿中的指導意義。引入大量科研事實，彰顯基礎知識的魅力。如在講解氧化還原反應自發性判據時，引入陜西師范大學楊鵬等的工作[62]。半胱氨酸與天然溶菌酶的二硫鍵可發生硫醇-二硫鍵交換反應，進而連接到溶菌酶的巰基上。他們發現只有某一物種二硫鍵的氧化還原電勢高于半胱氨酸的氧化還原電勢E=160 mV時，上述反應才能發生，而溶菌酶中只有Cys6-Cys127二硫鍵的氧化還原電勢高于160 mV，因此只有Cys6-Cys127基團可與半胱氨酸成鍵。此結論也與實驗事實相吻合。

② 三大電極電勢圖解法的系統講解。電極電勢圖Latimer圖[35](元素電勢圖，圖2)、Froster圖[36](吉布斯自由能-氧化態圖，圖3)以及Pourbaix圖[37,38](電勢-pH圖，圖4)是三大電極電勢圖，在國內基礎教材中對Latimer圖講解較多，Froster圖和Pourbaix圖介紹很少，包括國外教材對三者介紹都不系統全面。元素電勢數據關聯元素的氧化態——電勢電位——溶液的酸堿性——氧化還原行為，基于文獻事實，我們在新的教學設計中圍繞圖形構筑、性質特點、影響因素、圖形應用以及應用中的若干問題等，詳細介紹和總結了三大電極電勢圖，明確了三者之間的區別和聯系、適用范圍及局限性，特別引入了其發展現狀以及在科技前沿[63-67]與工業生產領域[68-70]中的應用。

圖2 元素Latimer示意圖

圖3 元素的Froster示意圖

圖4 元素的Pourbaix圖以及離子的穩定區

(4) 引入解密2019年諾貝爾化學獎、電解水體系的構筑、測試和性能評價等相關專題，旨在彰顯科學魅力，引領學生聚焦科研動態，凸顯激發學生興趣和創新思維以及提升教育功能的設計初衷。

(5) 彰顯中國科學家的研究成果對世界科學發展所做出的重要貢獻。無論過去還是現在，無論理論研究還是實際應用，中國科學家的貢獻都舉足輕重。因此在內容上引入大量中國科學家的工作，旨在讓學生了解相關領域科研進展的同時，明確中國科學家的貢獻，體會我國科學研究在世界領域處于的地位，有利于培養學生的科研興趣，激發他們的愛國熱情。

(6) 結合電化學應用，深入闡述“碳達峰”和“碳中和”的時代背景、指導意義和未來框架等，旨在將基礎教育與國家重大發展戰略相關聯，提升學生對時政的關注，提升學生對國家方針政策的理解和認知，突出提升教學的教育功能就是要培養學生滿足時代需求的綜合能力和適應科技進步的創新能力的主旨和初衷。

2.3 全方位打造線上線下相融合，創建高效課堂

除了在內容上進行重構，我們在講授設計方面也進行了革新和嘗試(表1)，可概況為以下三方面：

(1) 依托自建Blackboard教學平臺，開展線上線下混合式教學。

教師課前通過QQ或微信群及Blackboard平臺發布線上學習任務，學生線上自主學習或預習，課中教師采用精講+探究-研討+啟發式等多種教學方法的組合，對重、難點問題進行詳細講解和研討，發掘出內容之間的內在邏輯聯系、科學思想及其育人作用，與學生互動交流，達成高階教學目標。充分發揮Blackboard平臺在課前預習、課后復習和拓展知識學習過程中的作用。將課前線上、課中線下和課后輔導有機融合，解決了課程內容多、課時少的問題，同時增強了學生的自主學習能力，培養了學生獨立發現問題、分析問題和解決問題的習慣。

(2) 將“思政育人”與專業教育有機融合，讓專業課成為鑄魂育人的課堂。如講氧化還原反應發展史時，引入“氧化學說奠基人”拉瓦錫的故事，讓學生感悟他在宗教思想占統治地位的時代敢于挑戰權威、堅持追求真理的科學精神[71]；講電化學部分時，引入“電學之父”和“交流電之父”法拉第的故事，講解他如何從學徒自學成為偉大的科學家，讓學生體會科學家堅韌不拔的毅力和勤奮不懈的鉆研精神[72]；講解電池部分時，引入“我國鋰電池之父”吳浩青的故事[73]，講他利用微分電容電勢曲線確定銻的零電荷電勢，校正了文獻數據并得到國際公認，解決了電化學中的關鍵難題，打破了中國科學家在現代電化學知識體系無建樹的謬論。同時展示他在高能鋰電池研究中提出的頗有創見的嵌入反應機理。這些典型事例的引入有助于培養學生科學的馬克思主義世界觀(唯物論)和方法論(辯證法)，有助于塑造他們的批判性思維和堅持追求真理的科學精神。同時彰顯我國科學家自強不息的創新精神，有利于培養學生的愛國情懷，樹立民族自豪感。

(3) 著力培養科學素養與師范素質。結合教學內容，安排課程小論文1-2篇，學生通過討論、匯報和師評，提升學生科學素養和教師的教學能力。并通過章節思維導圖，提升歸納總結能力。學生對某些知識產生疑問或奇特觀點，到開放實驗室進行驗證，以培養創造思維能力。

2.4 增加問題教學，突出學生的主體作用

問題教學法可有效引發學生思考，調動其學習興趣和主觀能動性，讓他們有更多機會體驗探究過程，在知識的形成、聯系、應用過程中養成科學的態度，獲得科學的方法[74]。我們在新策略中通過問題的提出、歸納與總結，突出學生的主體作用，以提升教學的教育功能，具體體現在以下幾個方面。

(1) 讓知識和規律在問題引導中獲得。

例如，氧化還原的定義和本質認識部分我們設計了以下問題。

問題1：氧化還原反應的本質是什么？

問題2：氧化還原反應與Lewis酸堿反應能否對照相關聯？

設計目的：對氧化還原反應的定義和本質認識是逐步發展起來的。在板演分析的過程中，可將其大體分為以下幾個階段，用圖5簡單表示。

圖5 氧化還原反應概念的演變示意圖

由此，學生可知中學階段所學的利用與氧結合以及是否有電子轉移來定義和理解氧化還原反應本質的內容只處于初級階段，而近代化學研究發現氧化還原反應中的許多共價物種電子轉移的程度很小，不像酸堿反應中的質子轉移那樣完全，因此分析氧化還原反應時不能總是考慮電子的實際轉移，而更多見到的只是電子偏移(圖6)[75]。進一步結合文獻可知，這種偏移的實際是價電子在空間出現的概率發生改變。結合酸堿反應章節的學習，學生知道Lewis酸/堿是能接受/給出電子對的分子、離子或原子團，Lewis酸堿反應是電子對給出和接受的反應，那么反應過程中價電子在核外的概率分布必然發生改變，因此Lewis酸堿反應也可以理解為廣義氧化還原反應[76]。這種引導可讓學生梳理概念發展的脈絡和過程，了解準確定義的來源，有利于他們抓住抽象概念的本質，掌握概念的內涵。

圖6 氧化還原中的電子的偏移

(2) 實驗與理論結合，引發探究。

例如，在電極電勢應用部分，我們設計了以下問題。

問題1：為什么Co3+能將水氧化放出氧氣，而卻不能？

問題2：在定量分析中，為了消除干擾離子的干擾，常加掩蔽劑使之形成穩定的配合物而獲得精確的測定結果，如用碘量法測定銅含量時，常常存在Fe3+的干擾，為了消除Fe3+干擾，常加KF 或NH4F，為什么？

設計目的：實驗能激發學生興趣，滿足學生好奇心，如果將實驗教學和理論知識相結合提出問題，能讓學生通過對反應現象的觀察、分析，將抽象理解與感性認知相互轉化，此舉有利于激發學生主動探究的本領。我們考慮到Co(NH3)6Cl3的制備是無機化學基礎實驗之一，而碘量法也是分析實驗中的常見實驗，于是設置了以上問題。由于Co3+轉化為后，電極電勢會降低，因此不能氧化水，同樣的道理，在碘量法中加入F-，由于生成了絡合物，電極電勢與Fe3+/Fe2+之間存在差異，因此消除了對碘量法的干擾。

(3) 把所學知識與生活實際緊密聯系。

例如，在化學電源部分，我們設置了如下問題。

問題1：鋰離子電池為什么稱為“搖椅電池”？

問題2：給電子產品充電的過程中應注意哪些問題？

設計目的：現代生活離不開電子設備，而鋰電池和鋰離子電池是目前電子設備的主要動力源，這些與日常生活緊密相關的問題有利于學生了解化學電源的構成、性能和原理。我們利用課程小論文或輔導課對問題答案進行考查，讓學生自由討論，集思廣益，有利于加深學生通過所學知識指導日常生活實踐的意識。

(4) 圍繞科技前沿引發思考，提升科研興趣。

例如，在化學電源以及電化學應用部分，我們設置了如下問題。

問題1：鋰電池材料有哪些研究進展？

問題2：電化學有哪些應用？目前有哪些發展？

設計目的：鋰電池材料的設計和制備一直是科技前沿問題，電化學應用中元素的電化學提取、電化學腐蝕與防護等內容雖有部分內容已應用于生產生活實踐，但仍處于新興發展階段，而電化學合成、電催化和光電催化涉及的CO2還原、水分解、N2還原等更是當前科學研究的熱點，這些問題的設置利于引發學生的科研興趣，同時樹立科技報國志向，進一步彰顯“課程思政”內涵。

2.5 學生對新課程設計的感受

新的課程設計對于教師和學生來說均是一項全新的挑戰，為了確保教學效果，為無機化學建設和改革做好準備，筆者針對學生對新課程設計的感受在實驗班進行了調研，問題與結果如圖7所示。問題一調查了學生對各章節教學內容的學習傾向性，有67.7%的學生選擇了第五節內容“化學電源簡介”，有75.3%選擇了第六節“電化學應用簡介”，充分說明學生已不滿足于目前教學內容中只介紹一般原理但涉及應用較少的現狀，對“學以致用”的應用型知識的需求非常迫切和強烈，同時也證實這些內容的增加是及時和必要的。問題二設置了學生對新增3個專題學習興趣的調查，每個專題都有近三分之二的學生選擇，其中專題1“形式電荷的概念與應用”和專題2“‘解密’2019年諾貝爾化學獎——鋰電池與鋰離子電池的前世今生”的內容有超過70%的學生選擇，說明學生們急切需要正確概念的引導，同時對前沿科學充滿興趣，也證實了這3個專題的內容選擇恰當，設置合理，一些重點知識的專題延伸能起到升華學習內容的目的。問題三對教學模式的有效性進行了調查，大部分學生還是比較認同傳統課堂教學模式，對于Blackboard平臺發布拓展內容以及開展學習沙龍的新形式充滿期待。問題四調查了學生對新課程設計的感受，大部分學生對新內容充滿期待，但仍有小部分學生(17.1%)在認可新內容的同時感覺內容太多，學不過來，無所適從。

圖7 面向學生的課程設計調查問卷結果統計圖

以上調研可看出，總體上學生對于新課程設計以及教學模式是比較認可的，同時對于新內容和新教學手段充滿了期待。但我們也清晰地認識到，在教學過程中不可面面俱到，要做到重點突出和詳略得當，避免學生因感到內容太多心生畏懼，抓不住重點，反而影響教學效果。同時教師應在教學過程中培養學生的自學能力，只有這樣才能充分體現和提升新教學設計的教育功能。

3 結語

為提升“氧化還原反應與電化學應用”章節的教育功能，我們在內容上“求準”：剔除錯誤認知，通過類比和對比，明確概念的區別和聯系，確保理論的精準和結論的嚴謹；“求新”：適時、適當、適度地將新學術思想、內容、方法和應用等及時納入教學，以適用科學技術發展的需要，具備重基礎、知識面廣、教師好教學、學生好自學的特點；“求精”：在融會貫通知識的基礎上，保證以最基本的內容、方法及典型應用充實教學內容，實現經典理論與科學前沿的自然結合。在這樣的內容引領下，我們在設計過程中巧妙地融合和滲透人文情懷和“思政”理念，使其教育功能得以充分的發揮。事實也證明，這種嘗試和創新受到了廣大師生的認可。且以這樣的教學策略編寫的《氧化還原反應與電化學應用》教材，已作為“無機化學探索式叢書”一個分冊正式出版。