提升教育功能的“氧化还原反应与电化学应用”教学新策略

王红艳，刘季铨，李成博，刘志宏

1 陕西师范大学化学化工学院，西安 710119

2 西北大学化学与材料科学学院，西安 710119

2020年，党的十九届五中全会明确指出“十四五”时期要“建设高质量教育体系”，充分发挥教育的先导、引领和教育功能。教学作为教育的主要途径，不仅在于让学生掌握基本知识、方法和技巧，培养学生观察、分析和解决问题的能力，更重要的是培养学生严谨的科学思维，满足时代需求的综合能力，以及适应科技进步的创新能力[1]。近年来，笔者所在的无机化学教研室不断实践高等无机教材改革，同时针对课程建设进行了大胆的创新和尝试，以真正体现“两性一度”即“高阶性、创新性和挑战度”的金课标准[2]。笔者以“氧化还原反应与电化学应用”章节为例，在内容上进行重构，在教学上进行重新设计，以期在知识层面和学生能力培养方面提升教学的教育功能，取得了一定的效果。

1 对“氧化还原反应与电化学应用”章节的认识及提升教学设计教育功能的必要性

氧化还原反应与路易斯酸碱反应和自由基反应并称为化学反应中的三大基本反应，且广泛存在于自然界，与人类社会的生产生活息息相关。经过两个多世纪的探索实践，从物质与氧反应的发现[3]、化合价与氧化数概念的提出和形成[4-13]，到成键电子理论[14]的建立等，氧化还原反应的本质逐步被认知[15]。基于其基本原理建立的电化学也逐渐发展为一门独立的学科，涵盖电池与电解两大方面，涉及化学电源、电化学合成、电化学催化等内容。高中教材已初步涉及氧化还原反应的基本概念、配平以及原电池和电解池的基本原理，然而对氧化还原反应实质的理解仍处于初级阶段，甚少涉及电池热力学相关知识、电解相关的定量计算及电化学应用，因此在大一的基础无机化学课程中，构建了“氧化还原反应与电化学应用”章节[16]。作为高中知识的衔接、延伸和升华，体现大学授课的“两性一度”，内容上不仅需要包含丰富的基础理论与概念，同时应兼具较强的应用性，且须紧密联系电化学水分解、光电催化等科技前沿，渗透我国提倡的绿色可持续发展的理念，及“碳达峰”“碳中和”的重要国策。同时，在教学设计上不仅需要包含基础知识的系统传授，穿插化学史知识，更要展示电化学领域的新进展和新成就，以期激发学生的学习兴趣、感知能力和创造能力，真正体现教学的教育功能。纵观过往本章节设置，主要不足之处有：

(1) 知识层面。① 部分知识点低阶、陈旧，与高中内容几乎重合，甚至出现错误。如化合价、氧化数等重要概念没有辨析，且有些教材中将其与形式电荷等同[17]；氧化还原反应的实质理解不深刻，仍沿用高中教学中的以化合价升降定义氧化还原反应或简单的引入氧化数定义氧化还原反应的方式等；② 整体设计框架较为固定、保守，只介绍电池，将电解作为附带，更无元素的电化学提取、电化学腐蚀与防护、电催化等应用介绍，教材内容覆盖面严重不足；③ 知识体系明显滞后于学科发展。例如化学电源简介部分只介绍一般原理，未涉及电极材料发展及提高电池性能参数的途径和方法等。

(2) 能力培养。① 能力培养仅停留在高中阶段以培养观察力、记忆力、想象力和注意力等普通能力为目标的“证据推理与模型认知”维度[18]，未能有效突出创新思维培养和科学研究方法训练，激发学生学习积极性和主动性的效力不足，致使“知识-能力-素养”的教学目标难以实现；② 不能有效地将原理、概念和基础知识与实际应用关联，突出应用性不够。无法体现所学知识“学以致用”的要求。

(3) 素质培养。① 前沿研究科技成果介绍严重匮乏，教学辅助信息量小，无法有效发挥引导学生自主探究的作用；② 缺乏必要的化学史知识，挖掘课程中思政教育元素、宣扬科学家献身精神、赞扬中国科学家对世界科学进展的巨大贡献不够强烈。即体现“专业与思政同向同行”理念不够深入[19]。

2 “氧化还原反应与电化学应用”教学课程新体系的探索

2.1 “氧化还原反应与电化学应用”课程设计重构

突出大学课程的“两性一度”，结合大学启发式的教学模式，在知识和能力培养方面提升教育功能是我们在新教学策略设计过程中的指导思想。电化学应用涉及科技前沿最为热门的研究方向，需要引入大量最新科研成果，把控内容的深度和广度也是慎之又慎的问题。基于这些思考，我们以知识回顾、理论探究、实践应用为主线，打破传统教材体系，区分氧化还原反应的理论层面、应用层面，在理论上重点介绍氧化还原反应与电化学的构效关系；在应用上整合多项研究成果，主要关注化学电源电极材料发展、电化学元素提取、电化学防腐、电化学合成、电催化和光电催化等前沿领域，务求理论与应用相统一，力求深度和广度兼融合。同时采用线下讲解与线上自学相结合的混合教学模式，在授课策略上进行了较大幅度的调整，安排为6个模块单元讲授(表1)。

表1 “氧化还原反应及电化学应用”的教学新策略

(续表1)

(续表1)

2.2 重构后在教学内容上教育功能提升的具体体现

具体授课内容设计策略见表1，可概况为以下几个方面。

(1) 概念的准确性和延伸。对化合价、氧化数概念的区别和联系，相信很多读者甚至化学教育工作者都未曾认真思考过，有时甚至会将二者等同或稍加区别。也有学者认为氧化数是一种形式电荷或表观电荷[17,45]。依据文献事实，我们明确了化合价与氧化数的概念及区别，即化合价表示元素原子能够化合或置换一价原子或一价基团的数目，以及以什么手段结合成键和成键数目为多少等三个涵义[45-47]，因而是整数；而氧化数是量子力学中出现的高阶性名词，指以一定方式将化合物键合电子分配给各原子时，该元素原子所带电荷的一个数值，具有人为指定性[48-54]，因此可为正数、负数、整数或者分数，这显然更符合IUPAC规则的习惯规定[55]。在专题部分，进一步介绍了形式电荷的概念和计算方法[56,57]，将其与化合价和氧化数进行详细区分[58]。以此说明化合价表示化合物原子之间的成键情况，氧化数和形式电荷在更大程度上倾向于反映化合物中的电荷分布。进而引出电荷概念的三个层次，即表观电荷分布，基于量化计算的电荷在原子上布居(图1)和原子之间的重叠布居以及全空间的电子云密度分布[59-61]。这些概念的明确是理解氧化还原反应实质的基础。

图1 基于量化计算(马利肯布居)得到的甘氨酸各部分的电荷分布

(2) 在氧化数法和离子-电子法的配平基础上，结合教学论文，归纳总结了多种氧化还原反应方程式的配平技巧[21-29]，更包括矩阵法配平[30,31]，供有兴趣的学生自学。旨在使学生掌握配平方法的同时，理解氧化还原反应特点、电子转移规律、物种因参与氧化还原反应而引起的化学键重组等，利于与元素章节相结合，明确元素的反应性质。

(3) 第三部分氧化还原反应和原电池是本章的重点和难点。相比以往教学设计，更注重知识的连贯与循序渐进，更关注科研成果的渗透。主要特点如下：

① 凸显电化学基础知识在科技前沿的应用，让学生深切感受基础知识在研究前沿中的指导意义。引入大量科研事实，彰显基础知识的魅力。如在讲解氧化还原反应自发性判据时，引入陕西师范大学杨鹏等的工作[62]。半胱氨酸与天然溶菌酶的二硫键可发生硫醇-二硫键交换反应，进而连接到溶菌酶的巯基上。他们发现只有某一物种二硫键的氧化还原电势高于半胱氨酸的氧化还原电势E=160 mV时，上述反应才能发生，而溶菌酶中只有Cys6-Cys127二硫键的氧化还原电势高于160 mV，因此只有Cys6-Cys127基团可与半胱氨酸成键。此结论也与实验事实相吻合。

② 三大电极电势图解法的系统讲解。电极电势图Latimer图[35](元素电势图，图2)、Froster图[36](吉布斯自由能-氧化态图，图3)以及Pourbaix图[37,38](电势-pH图，图4)是三大电极电势图，在国内基础教材中对Latimer图讲解较多，Froster图和Pourbaix图介绍很少，包括国外教材对三者介绍都不系统全面。元素电势数据关联元素的氧化态——电势电位——溶液的酸碱性——氧化还原行为，基于文献事实，我们在新的教学设计中围绕图形构筑、性质特点、影响因素、图形应用以及应用中的若干问题等，详细介绍和总结了三大电极电势图，明确了三者之间的区别和联系、适用范围及局限性，特别引入了其发展现状以及在科技前沿[63-67]与工业生产领域[68-70]中的应用。

图2 元素Latimer示意图

图3 元素的Froster示意图

图4 元素的Pourbaix图以及离子的稳定区

(4) 引入解密2019年诺贝尔化学奖、电解水体系的构筑、测试和性能评价等相关专题，旨在彰显科学魅力，引领学生聚焦科研动态，凸显激发学生兴趣和创新思维以及提升教育功能的设计初衷。

(5) 彰显中国科学家的研究成果对世界科学发展所做出的重要贡献。无论过去还是现在，无论理论研究还是实际应用，中国科学家的贡献都举足轻重。因此在内容上引入大量中国科学家的工作，旨在让学生了解相关领域科研进展的同时，明确中国科学家的贡献，体会我国科学研究在世界领域处于的地位，有利于培养学生的科研兴趣，激发他们的爱国热情。

(6) 结合电化学应用，深入阐述“碳达峰”和“碳中和”的时代背景、指导意义和未来框架等，旨在将基础教育与国家重大发展战略相关联，提升学生对时政的关注，提升学生对国家方针政策的理解和认知，突出提升教学的教育功能就是要培养学生满足时代需求的综合能力和适应科技进步的创新能力的主旨和初衷。

2.3 全方位打造线上线下相融合，创建高效课堂

除了在内容上进行重构，我们在讲授设计方面也进行了革新和尝试(表1)，可概况为以下三方面：

(1) 依托自建Blackboard教学平台，开展线上线下混合式教学。

教师课前通过QQ或微信群及Blackboard平台发布线上学习任务，学生线上自主学习或预习，课中教师采用精讲+探究-研讨+启发式等多种教学方法的组合，对重、难点问题进行详细讲解和研讨，发掘出内容之间的内在逻辑联系、科学思想及其育人作用，与学生互动交流，达成高阶教学目标。充分发挥Blackboard平台在课前预习、课后复习和拓展知识学习过程中的作用。将课前线上、课中线下和课后辅导有机融合，解决了课程内容多、课时少的问题，同时增强了学生的自主学习能力，培养了学生独立发现问题、分析问题和解决问题的习惯。

(2) 将“思政育人”与专业教育有机融合，让专业课成为铸魂育人的课堂。如讲氧化还原反应发展史时，引入“氧化学说奠基人”拉瓦锡的故事，让学生感悟他在宗教思想占统治地位的时代敢于挑战权威、坚持追求真理的科学精神[71]；讲电化学部分时，引入“电学之父”和“交流电之父”法拉第的故事，讲解他如何从学徒自学成为伟大的科学家，让学生体会科学家坚韧不拔的毅力和勤奋不懈的钻研精神[72]；讲解电池部分时，引入“我国锂电池之父”吴浩青的故事[73]，讲他利用微分电容电势曲线确定锑的零电荷电势，校正了文献数据并得到国际公认，解决了电化学中的关键难题，打破了中国科学家在现代电化学知识体系无建树的谬论。同时展示他在高能锂电池研究中提出的颇有创见的嵌入反应机理。这些典型事例的引入有助于培养学生科学的马克思主义世界观(唯物论)和方法论(辩证法)，有助于塑造他们的批判性思维和坚持追求真理的科学精神。同时彰显我国科学家自强不息的创新精神，有利于培养学生的爱国情怀，树立民族自豪感。

(3) 着力培养科学素养与师范素质。结合教学内容，安排课程小论文1-2篇，学生通过讨论、汇报和师评，提升学生科学素养和教师的教学能力。并通过章节思维导图，提升归纳总结能力。学生对某些知识产生疑问或奇特观点，到开放实验室进行验证，以培养创造思维能力。

2.4 增加问题教学，突出学生的主体作用

问题教学法可有效引发学生思考，调动其学习兴趣和主观能动性，让他们有更多机会体验探究过程，在知识的形成、联系、应用过程中养成科学的态度，获得科学的方法[74]。我们在新策略中通过问题的提出、归纳与总结，突出学生的主体作用，以提升教学的教育功能，具体体现在以下几个方面。

(1) 让知识和规律在问题引导中获得。

例如，氧化还原的定义和本质认识部分我们设计了以下问题。

问题1：氧化还原反应的本质是什么？

问题2：氧化还原反应与Lewis酸碱反应能否对照相关联？

设计目的：对氧化还原反应的定义和本质认识是逐步发展起来的。在板演分析的过程中，可将其大体分为以下几个阶段，用图5简单表示。

图5 氧化还原反应概念的演变示意图

由此，学生可知中学阶段所学的利用与氧结合以及是否有电子转移来定义和理解氧化还原反应本质的内容只处于初级阶段，而近代化学研究发现氧化还原反应中的许多共价物种电子转移的程度很小，不像酸碱反应中的质子转移那样完全，因此分析氧化还原反应时不能总是考虑电子的实际转移，而更多见到的只是电子偏移(图6)[75]。进一步结合文献可知，这种偏移的实际是价电子在空间出现的概率发生改变。结合酸碱反应章节的学习，学生知道Lewis酸/碱是能接受/给出电子对的分子、离子或原子团，Lewis酸碱反应是电子对给出和接受的反应，那么反应过程中价电子在核外的概率分布必然发生改变，因此Lewis酸碱反应也可以理解为广义氧化还原反应[76]。这种引导可让学生梳理概念发展的脉络和过程，了解准确定义的来源，有利于他们抓住抽象概念的本质，掌握概念的内涵。

图6 氧化还原中的电子的偏移

(2) 实验与理论结合，引发探究。

例如，在电极电势应用部分，我们设计了以下问题。

问题1：为什么Co3+能将水氧化放出氧气，而却不能？

问题2：在定量分析中，为了消除干扰离子的干扰，常加掩蔽剂使之形成稳定的配合物而获得精确的测定结果，如用碘量法测定铜含量时，常常存在Fe3+的干扰，为了消除Fe3+干扰，常加KF 或NH4F，为什么？

设计目的：实验能激发学生兴趣，满足学生好奇心，如果将实验教学和理论知识相结合提出问题，能让学生通过对反应现象的观察、分析，将抽象理解与感性认知相互转化，此举有利于激发学生主动探究的本领。我们考虑到Co(NH3)6Cl3的制备是无机化学基础实验之一，而碘量法也是分析实验中的常见实验，于是设置了以上问题。由于Co3+转化为后，电极电势会降低，因此不能氧化水，同样的道理，在碘量法中加入F-，由于生成了络合物，电极电势与Fe3+/Fe2+之间存在差异，因此消除了对碘量法的干扰。

(3) 把所学知识与生活实际紧密联系。

例如，在化学电源部分，我们设置了如下问题。

问题1：锂离子电池为什么称为“摇椅电池”？

问题2：给电子产品充电的过程中应注意哪些问题？

设计目的：现代生活离不开电子设备，而锂电池和锂离子电池是目前电子设备的主要动力源，这些与日常生活紧密相关的问题有利于学生了解化学电源的构成、性能和原理。我们利用课程小论文或辅导课对问题答案进行考查，让学生自由讨论，集思广益，有利于加深学生通过所学知识指导日常生活实践的意识。

(4) 围绕科技前沿引发思考，提升科研兴趣。

例如，在化学电源以及电化学应用部分，我们设置了如下问题。

问题1：锂电池材料有哪些研究进展？

问题2：电化学有哪些应用？目前有哪些发展？

设计目的：锂电池材料的设计和制备一直是科技前沿问题，电化学应用中元素的电化学提取、电化学腐蚀与防护等内容虽有部分内容已应用于生产生活实践，但仍处于新兴发展阶段，而电化学合成、电催化和光电催化涉及的CO2还原、水分解、N2还原等更是当前科学研究的热点，这些问题的设置利于引发学生的科研兴趣，同时树立科技报国志向，进一步彰显“课程思政”内涵。

2.5 学生对新课程设计的感受

新的课程设计对于教师和学生来说均是一项全新的挑战，为了确保教学效果，为无机化学建设和改革做好准备，笔者针对学生对新课程设计的感受在实验班进行了调研，问题与结果如图7所示。问题一调查了学生对各章节教学内容的学习倾向性，有67.7%的学生选择了第五节内容“化学电源简介”，有75.3%选择了第六节“电化学应用简介”，充分说明学生已不满足于目前教学内容中只介绍一般原理但涉及应用较少的现状，对“学以致用”的应用型知识的需求非常迫切和强烈，同时也证实这些内容的增加是及时和必要的。问题二设置了学生对新增3个专题学习兴趣的调查，每个专题都有近三分之二的学生选择，其中专题1“形式电荷的概念与应用”和专题2“‘解密’2019年诺贝尔化学奖——锂电池与锂离子电池的前世今生”的内容有超过70%的学生选择，说明学生们急切需要正确概念的引导，同时对前沿科学充满兴趣，也证实了这3个专题的内容选择恰当，设置合理，一些重点知识的专题延伸能起到升华学习内容的目的。问题三对教学模式的有效性进行了调查，大部分学生还是比较认同传统课堂教学模式，对于Blackboard平台发布拓展内容以及开展学习沙龙的新形式充满期待。问题四调查了学生对新课程设计的感受，大部分学生对新内容充满期待，但仍有小部分学生(17.1%)在认可新内容的同时感觉内容太多，学不过来，无所适从。

图7 面向学生的课程设计调查问卷结果统计图

以上调研可看出，总体上学生对于新课程设计以及教学模式是比较认可的，同时对于新内容和新教学手段充满了期待。但我们也清晰地认识到，在教学过程中不可面面俱到，要做到重点突出和详略得当，避免学生因感到内容太多心生畏惧，抓不住重点，反而影响教学效果。同时教师应在教学过程中培养学生的自学能力，只有这样才能充分体现和提升新教学设计的教育功能。

3 结语

为提升“氧化还原反应与电化学应用”章节的教育功能，我们在内容上“求准”：剔除错误认知，通过类比和对比，明确概念的区别和联系，确保理论的精准和结论的严谨；“求新”：适时、适当、适度地将新学术思想、内容、方法和应用等及时纳入教学，以适用科学技术发展的需要，具备重基础、知识面广、教师好教学、学生好自学的特点；“求精”：在融会贯通知识的基础上，保证以最基本的内容、方法及典型应用充实教学内容，实现经典理论与科学前沿的自然结合。在这样的内容引领下，我们在设计过程中巧妙地融合和渗透人文情怀和“思政”理念，使其教育功能得以充分的发挥。事实也证明，这种尝试和创新受到了广大师生的认可。且以这样的教学策略编写的《氧化还原反应与电化学应用》教材，已作为“无机化学探索式丛书”一个分册正式出版。