OBE理念下“無機化學”電極電勢多維化課堂教學設計

摘要：為解決大學“無機化學”電極電勢這一重難點，基于OBE理念，根據學生特點，教師引導學生公式推導、總結歸納，幫助學生掌握Nernst方程的計算運用。課堂教學中有機融合Nernst事跡等思政元素，開展了學生自主實驗探究、自我分析判斷化學方程式正誤等多維化教學方法，激發學生對學習的內生動力，加強學生對電極電勢的深層次理解，培養學生的社會責任感和創新能力。

關鍵詞：OBE理念；電極電勢；多維化；教學設計

赫爾巴特曾說，教學如果沒有進行道德教育，只是一種沒有目的的手段。德育問題是不能同整個教育分離開來的，而是同其他教育問題必然地、廣泛深遠地聯系在一起的。2016年12月，全國高校政治工作會議上也強調，高校立身之本在于立德樹人。這就表明，課程思政是要讓學校的所有課程與思想政治課程同向同行，共同擔當育人之責［12］。教師在教學過程中除了傳授專業知識，融合思政元素也是至關重要的。

OBE（OutcomebasedEducation）在高校教育改革的新形勢下已成為當前國內外的主流教育理念。OBE即成果導向教育，是一種基于學習成果為導向的教育理念，教師通過有計劃地組織課程教學中的每一個環節，使學生在學習過程中實現預期的結果，收獲學習成果［3］。OBE理念的核心是以培養學生的能力目標為導向進行各項教學活動［4］，突出“以學生為中心”?；贠BE理念的“無機化學”專業課程改革已逐步開展［48］，主要體現在OBE理念下整體課程如何籌劃設計組織，而如何在某一具體章節應用并采用融合思政元素等多維化教學方法而進行課程設計的研究卻寥寥無幾。

本文主要以電極電勢的計算及影響因素知識點為載體，探討了如何采用融合思政元素等多維化教學方法進行OBE理念下的課堂教學設計。通過此案例，拋磚引玉，引導學生系統地把握知識內涵，達到知其然更知其所以然的學習效果，從而培養學生自主深層次學習探究的能力。

1OBE理念下“無機化學”的教學特點

我校是在新工科背景下崛起的一所新型應用型理工類本科院校，理工科專業比較薄弱，而“無機化學”課程是化學、能源化學、材料科學與工程等理工類專業的第一門基礎專業必修課?！盁o機化學”課程在內容上與高中化學銜接緊密，與有機化學、物理化學等后續課程交叉融合、互相滲透。它的研究體系龐雜，涵蓋了“無機化學”基本反應理論、物質結構基礎和元素化學等，知識點廣泛，抽象概念多，實驗操作多，課時安排少。從高中化學到大學“無機化學”的過渡中，從教師知識灌輸到學生自主學習的改變、教學模式的變化及課程內容的斷點銜接導致大一新生感覺教師上課節奏快，學習難度大，導致學習的積極性降低。

“無機化學”是學科基礎課，筆者教學過程中發現學生對基礎知識點的掌握不扎實，利用基礎知識分析解釋、解決相關生產生活問題的能力欠缺。針對該教學痛點，結合OBE理念的“反向設計、正向實施”原則及材料科學與工程專業培養方案與教學大綱的需求，“無機化學”課程應滿足“知識目標”“能力目標”及“素質目標”三個維度的要求。在課程授課中，教師重構原有的知識體系，將知識點融入學生自主實驗探究、自主練習、案例分析等教學中，讓學生在實際場景中體驗到運用知識點的快樂，提高學生自我分析解決相關生產生活問題的能力，這也恰當融入了思政元素。這樣，不僅可以提升學生的學習內動力，為學生后續的科研學習奠基良好的理論基礎，培養學生科學創新思維和歷史責任感，還可以體現科學知識傳播的人文性，提升教師自身的教學素養，有利于建設一門有人文溫度的精品專業課程，培養具有更強實踐能力、創新能力、國際競爭力的高素質、復合型人才［910］。

2電極電勢教學的重要性分析

電極電勢是“無機化學”課程中氧化還原反應的重要學習內容，核心是理解掌握Nernst方程，重點是電極電勢的計算與廣泛應用。在知識應用方面，可利用電極電勢數值計算原電池的電動勢、化學平衡常數和相應電池反應的摩爾吉布斯自由能，判斷氧化劑、還原劑的相對強弱和某一氧化還原反應進行的方向和反應進行的程度等，也為后續物理化學中電化學知識的深層次學習奠定基礎。在學生發展層面，通過電極電勢的學習，引導學生公式推導，加深對Nernst方程表達式的理解；小組自主實驗探究、討論總結，提高學生的學習興趣和實驗操作技能，增強學生團結合作的意識和分析、解決問題的能力；了解電極電勢的相關研究動態，激發學生的專業自豪感，培養學生對于科技發展和社會進步的責任感和使命感。同時，將課程思政元素無縫銜接地融入電極電勢的教學中，更加有助于學生對知識的理解掌握，進而應用、解決實際問題。

3電極電勢多維化教學設計

3.1設計思路

電極電勢是“無機化學”常考的知識點，該部分內容邏輯性、抽象性強，而且是學生新接觸的內容，學生理解能力參差不齊。在上課之前，學生提前進行課本預習并在學習通上完成該章節的學習任務及自測環節，了解該章節的重難點，同時在自己疑惑的地方進行標注，便于課上針對性地聽講筆記。教師根據學生課前在學習通上的自測情況適當調節教學策略，在教學安排上盡可能使內容趣味化、具體化、生動化，讓學生喜聞樂見地接受并主動參與，將熱點話題“全球電動汽車的動力電池的研究”創設問題情境，激發學生的學習興趣；通過引導學生推導Nernst方程的表達式和課堂練習鞏固，實現課堂上與學生的高度互動性；通過學生自主實驗探究、高中化學化學方程式正誤的自我分析判斷等教學活動，提高學生的實驗動手能力和自我分析思考問題的能力。

電極電勢的計算及影響因素這部分內容的課堂教學設計主要按照情景案例導入，拋出新學→Nernst方程公式推導→例題分析鞏固→學生自主實驗探究、舊知思考分析電極電勢的影響因素→課堂小結及拓展學習等來進行，教學設計思路如圖1。

3.2具體課堂教學活動

3.2.1情景案例引入，拋出新學

在碳達峰、碳中和和能源戰略儲備雙重背景下，發展新能源電動汽車無疑將成為未來汽車發展新方向之一。而電動汽車的核心——動力電池是決定電動汽車性能的關鍵因素。2020年，全年電池裝車量累計137GWh，同比增長17%。其中，動力電池的主要生產廠商CN、HL、JS三家共占市場份額65%，國產品牌CN在動力電池方面已躋身世界前列［11］（見圖2），體現了汽車電動化浪潮下的民族之光。在觀看視頻中感受我國科技迅速發展的同時，培養學生的民族自豪感和改革創新的時代價值觀，同時拋出問題：電動汽車的動力電池如何設計呢？涉及的基礎知識——電極電勢如何計算呢？影響電極電勢的因素有哪些呢？

3.2.2知識點1：Nernst方程的內涵學習

查詢標準狀態下的電極電勢φθox/red表可知，電池的標準電動勢Eθ池=φθ（+）-φθ（-）。設定問題：非標準狀態下（C≠1mol·L-1，p≠100kPa）的電極電勢和電動勢怎樣求呢？學生思考片刻后，課堂上引入Nernst事跡，主要是Nernst在化學上的杰出成就，其中之一就是其在博士第二年就研究出電極電勢與濃度的關系（即Nernst方程），激勵學生熱愛自己所學專業，幫助學生樹立正確的人生觀和價值觀。

根據高中化學中所學，原電池可拆成對應的氧化還原反應。其中，電極反應式就是對應的氧化還原半反應，對應的Nernst方程中電極電勢與濃度的關系：

aOx+ne-→gRed，φoX/Red=φθoX/Red+RTnFln（COx）a（CRed）b（1）

電池反應即為完整的氧化還原反應，根據E池=φ（+）-φ（-），黑板板書輔助公式推導出原電池的Nernst方程：

aOx1+bRed2=gRed1+hOx2，E池=Eθ池+RTnFln（CRed2）b（COx1）a（COx2）h（CRed1）g（2）

這樣，加深學生對電極的Nernst方程的理解。其中T=298.15K時，n=電子轉移數，R=8.314J/（K·mol），F=96500kJ/（V·mol），電極和原電池的Nernst方程可分別簡化為：

φOx/Red=φθOx/Red+0.05916nlg（COx）a（CRed）b（3）

E池=Eθ池+0.05916nlg（CRed2）b（COx1）a（COx2）h（CRed1）g（4）

學生都喜歡記憶簡化后的公式，但也要切記電極和原電池的Nernst方程簡化公式是有條件的。同時，補充電池的電動勢還可以先運用電極的Nernst方程計算正負極的電極電勢，再通過E池=φ（+）-φ（-）進行計算。這樣可以幫助學生拓寬學習思路，而不只是一味地死記硬背公式。

此外，為了鞏固學生對Nernst方程的深層次理解，課堂上還通過具體示例引出Nernst方程計算時的注意事項（如下例所示）分析并讓學生課堂練習，個別學生講解例題進行鞏固。此處蘊含著一般性與特殊性的哲學道理。引導學生特殊情況特殊對待，在生活、學習中遇到困難時學會冷靜靈活地解決、換個角度思考問題。

例：有H+、OH-參加電極反應時，則在Nernst方程中參與電動勢和電極電勢的計算，如：

MnO4+8H++5e-→Mn2++4H2O

φMnO-4/Mn2+=φθMnO-4/Mn2++0.059165lgCMnO-4·C8H+CMn2+（5）

3.2.3知識點2：電極電勢的影響因素的分析

在深層次理解了電極電勢的計算的基礎上，通過設問引導學生思考電極電勢的影響因素有哪些。課堂上主要采用了小組自主實驗探究討論（見圖3）和高中化學方程式正誤的判斷分析的教學方式，激發學生對電極電勢的好奇心，同時培養學生嚴謹的實驗驗證思維，引導學生獨立思考歸納總結要點，加強學生對電極電勢影響因素的理解。

濃度、絡合劑或沉淀劑加入對電極電勢的影響主要通過小組自主實驗探究對比分析數據，討論總結而得，小組1的實驗數據分別見表1、表2。教師引導學生把得出的結論結合電極電勢的Nernst方程（見公式3）計算分析，再次論證其正確性，更進一步加深鞏固學生的理解，同時培養學生團結合作的意識；強調絡合劑或沉淀劑的加入從本質上就是濃度對電極電勢的影響，順勢啟發學生學會透過現象看本質，在分析問題時，要學會深層次地去思考，而不是只停留在表面。

酸度對電極電勢的影響主要通過高中化學案例——實驗室制取氯氣的化學方程式引導學生分析思考。

MnO2+4HClΔMnCl2+Cl2↑+2H2O

讓學生觀察方程式的書寫是否正確，思考實驗中用的是濃鹽酸還是稀鹽酸？假設實驗是在C（MnCl2）=1mol·L-1，P（Cl2）=100kPa條件下進行的，學生思考片刻后，引導學生利用電極電勢的Nernst方程分別計算鹽酸濃度分別為12mol·L-1（市售）、1mol·L-1時上述方程式對應的電動勢。

將制取氯氣的反應式拆成對應的正負極電極反應，進行如下計算：

正極：MnO2+4H++2e-→Mn2++2H2O

φθ（MnO2/Mn2+）=1.2293V

φMnO2/Mn2+=φθMnO2/Mn2++0.059162lgC4H+CMn2+（6）

負極：2Cl--2e-→Cl2φθ（Cl2/Cl-）=1.360V

φ（Cl2/Cl-）=φθ（Cl2/Cl-）+0.059162lgP（Cl2）/PθC2Cl-（7）

結果顯示，當C（HCl）=1mol·L-1時，E池＜0，反應無法自發向右進行；當C（HCl）=12mol·L-1時，E池＞0，反應可自發向右進行，即實驗中要用濃鹽酸才能制取氯氣，其正確的方程式為：

MnO2+4HCl（濃）ΔMnCl2+Cl2↑+2H2O

此時，教導學生在學習、科研中一定要理論聯系實際，實事求是，不要隨意篡改數據與事實。

3.2.4課堂小結及拓展學習

對電極電勢影響因素進行課堂小結時化用蘇軾的《題西林壁》“橫看成嶺側成峰，遠近高低各不同。不識‘電極’真面目，只緣身在‘燒杯’中?！闭n后在學習通上安排電極電勢這一章節的作業任務，提供關于電極電勢的拓展學習資料，即“基于DIS實驗進行原電池電極電勢變化的實驗探究及其拓展”［12］，這是從物理的學科思維對電極電勢的學習研究，目的在于引導學生在遇到問題時不要一味鉆牛角尖，嘗試換一種角度思考，可以多學科思維學習，達到知識互通、如鹽入水的育人效果。

3.3實踐成效及反思

針對OBE理念下電極電勢多維化的課堂教學設計，我們通過問卷調查（見圖4）收集了學生的評價，其中93%的學生認可這種教學方式，認為這種方式使學習內容豐富化，激發了學生的學習興趣。課堂上學生自主實驗探究交流以及案例分析等多元化教學方式讓師生更好地互動，體現了“以學生為中心”的教學理念，同時幫助學生樹立正確的學習觀和價值觀，提高了實驗操作能力以及獨立思考分析問題的能力。

專業課教師要結合學生的特點，改變傳統的教學方式，采用多維化教學方法，讓學生參與到課堂中，提高學生的學習主動參與性。同時，作為思政教育隊伍主體的一部分，在教學過程中要把思政元素與“無機化學”課程中章節知識有機、自然、貼切地融合在一起，而不是簡單的課程+思政教學。

結語

傳統的課堂教學以教師為中心，主要以“教師主動輸出，學生被動輸入”的方式進行，學生的學習興趣不高，課堂氣氛壓抑，學習效果差。OBE理念下融合思政元素等多維化課堂教學設計，以學生為中心，讓無聊的課堂氣氛活躍化，學生主動學習與探究，通過小組交流討論和相互學習，充分利用課本、圖書館、學習通、互聯網等線上線下資源，提升課外學習和自主學習質效，鼓勵學生敢于自己探索、思考和體驗，促使學生認知、能力、德育方面的協調發展。但由于學習課時的緊湊和教師平時對思政元素研究薄弱，導致出現思政元素在課堂中的展示存在形式化和學生參與度不高等問題。因此，教師要改變之前固有的教學理念，多挖掘貼切課程內容的思政元素，在當前的無機課程課堂教學設計和實施中注意多角度、多系統地激勵、開拓學生思維，實現理論與實際相結合，著重培養學生分析、判斷、遷移的能力和創造性思維。

參考文獻：

［1］習近平.習近平談治國理政（第二卷）［M］.北京：外文出版社，2017.

［2］張紅燕，黃宏升.課程思政理念下的無機化學課程教學探索與實踐［J］.云南化工，2022，49（6）：139167.

［3］宋曉晨，吳立杰.基于OBE理念的高校課程混合式教學設計［J］.科技風，2021（36），9799.

［4］吳義平，鄧崇海，張霞.OBE理念下無機化學案例教學與課程思政的融合探索［J］.合肥學院學報，2022，39（5）：133138.

［5］梁慧鋒，王彥娜，王彩君，等.OBE理念下的無機化學課程教學改革與實踐［J］.安徽化工，2021，47（6）：204207.

［6］劉曉瑭，余林梁，陳潔.基于OBE理論構建無機化學課程思政教學體系及教學實踐［J］.化學教育（中英文），2023，44（6）：1723.

［7］張璞.OBE理念導向下無機化學理論及實驗教學改革研究［J］.云南化工，2023，50（8）：198200.

［8］朱曉飛，楊國程，周德鳳.大數據背景下基于OBE理念的《無機化學》課程教學設計研究［J］.湖北開放職業學院學報，2021，34（23）：130131.

［9］林健.引領高等教育改革的新工科建設［J］.中國高等教育，2017（2）：4043.

［10］劉婧靖，王曉娟，肖錫林，等.面向新工科人才培養的課程思政的探究和實踐——以《無機化學》為例［J］.高教學刊，2021（8）：148151.

［11］2020年全球電動汽車動力電池裝機137GWh寧德時代居首［EB/OL］.20210114.http：//www.itdcw.com/news/hangyeshuju/011411J632021.html.

［12］歐勇，黃彥媚.基于DIS實驗進行原電池電極電勢變化的實驗探究及其拓展［J］.物理實驗，2019，39（12）：5659.

基金項目：基于OBE理念的無機化學混合式教學模式的探索：山西省高等學校教學改革創新項目（J20231807）

*通訊作者：郝曉婷（1989—），女，漢族，山西平遙縣人，碩士研究生，講師，研究方向：無機化學。