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OBE理念下“无机化学”电极电势多维化课堂教学设计

2024-11-06郝晓婷

科技风 2024年30期

摘要:为解决大学“无机化学”电极电势这一重难点,基于OBE理念,根据学生特点,教师引导学生公式推导、总结归纳,帮助学生掌握Nernst方程的计算运用。课堂教学中有机融合Nernst事迹等思政元素,开展了学生自主实验探究、自我分析判断化学方程式正误等多维化教学方法,激发学生对学习的内生动力,加强学生对电极电势的深层次理解,培养学生的社会责任感和创新能力。

关键词:OBE理念;电极电势;多维化;教学设计

赫尔巴特曾说,教学如果没有进行道德教育,只是一种没有目的的手段。德育问题是不能同整个教育分离开来的,而是同其他教育问题必然地、广泛深远地联系在一起的。2016年12月,全国高校政治工作会议上也强调,高校立身之本在于立德树人。这就表明,课程思政是要让学校的所有课程与思想政治课程同向同行,共同担当育人之责[12]。教师在教学过程中除了传授专业知识,融合思政元素也是至关重要的。

OBE(OutcomebasedEducation)在高校教育改革的新形势下已成为当前国内外的主流教育理念。OBE即成果导向教育,是一种基于学习成果为导向的教育理念,教师通过有计划地组织课程教学中的每一个环节,使学生在学习过程中实现预期的结果,收获学习成果[3]。OBE理念的核心是以培养学生的能力目标为导向进行各项教学活动[4],突出“以学生为中心”。基于OBE理念的“无机化学”专业课程改革已逐步开展[48],主要体现在OBE理念下整体课程如何筹划设计组织,而如何在某一具体章节应用并采用融合思政元素等多维化教学方法而进行课程设计的研究却寥寥无几。

本文主要以电极电势的计算及影响因素知识点为载体,探讨了如何采用融合思政元素等多维化教学方法进行OBE理念下的课堂教学设计。通过此案例,抛砖引玉,引导学生系统地把握知识内涵,达到知其然更知其所以然的学习效果,从而培养学生自主深层次学习探究的能力。

1OBE理念下“无机化学”的教学特点

我校是在新工科背景下崛起的一所新型应用型理工类本科院校,理工科专业比较薄弱,而“无机化学”课程是化学、能源化学、材料科学与工程等理工类专业的第一门基础专业必修课。“无机化学”课程在内容上与高中化学衔接紧密,与有机化学、物理化学等后续课程交叉融合、互相渗透。它的研究体系庞杂,涵盖了“无机化学”基本反应理论、物质结构基础和元素化学等,知识点广泛,抽象概念多,实验操作多,课时安排少。从高中化学到大学“无机化学”的过渡中,从教师知识灌输到学生自主学习的改变、教学模式的变化及课程内容的断点衔接导致大一新生感觉教师上课节奏快,学习难度大,导致学习的积极性降低。

“无机化学”是学科基础课,笔者教学过程中发现学生对基础知识点的掌握不扎实,利用基础知识分析解释、解决相关生产生活问题的能力欠缺。针对该教学痛点,结合OBE理念的“反向设计、正向实施”原则及材料科学与工程专业培养方案与教学大纲的需求,“无机化学”课程应满足“知识目标”“能力目标”及“素质目标”三个维度的要求。在课程授课中,教师重构原有的知识体系,将知识点融入学生自主实验探究、自主练习、案例分析等教学中,让学生在实际场景中体验到运用知识点的快乐,提高学生自我分析解决相关生产生活问题的能力,这也恰当融入了思政元素。这样,不仅可以提升学生的学习内动力,为学生后续的科研学习奠基良好的理论基础,培养学生科学创新思维和历史责任感,还可以体现科学知识传播的人文性,提升教师自身的教学素养,有利于建设一门有人文温度的精品专业课程,培养具有更强实践能力、创新能力、国际竞争力的高素质、复合型人才[910]。

2电极电势教学的重要性分析

电极电势是“无机化学”课程中氧化还原反应的重要学习内容,核心是理解掌握Nernst方程,重点是电极电势的计算与广泛应用。在知识应用方面,可利用电极电势数值计算原电池的电动势、化学平衡常数和相应电池反应的摩尔吉布斯自由能,判断氧化剂、还原剂的相对强弱和某一氧化还原反应进行的方向和反应进行的程度等,也为后续物理化学中电化学知识的深层次学习奠定基础。在学生发展层面,通过电极电势的学习,引导学生公式推导,加深对Nernst方程表达式的理解;小组自主实验探究、讨论总结,提高学生的学习兴趣和实验操作技能,增强学生团结合作的意识和分析、解决问题的能力;了解电极电势的相关研究动态,激发学生的专业自豪感,培养学生对于科技发展和社会进步的责任感和使命感。同时,将课程思政元素无缝衔接地融入电极电势的教学中,更加有助于学生对知识的理解掌握,进而应用、解决实际问题。

3电极电势多维化教学设计

3.1设计思路

电极电势是“无机化学”常考的知识点,该部分内容逻辑性、抽象性强,而且是学生新接触的内容,学生理解能力参差不齐。在上课之前,学生提前进行课本预习并在学习通上完成该章节的学习任务及自测环节,了解该章节的重难点,同时在自己疑惑的地方进行标注,便于课上针对性地听讲笔记。教师根据学生课前在学习通上的自测情况适当调节教学策略,在教学安排上尽可能使内容趣味化、具体化、生动化,让学生喜闻乐见地接受并主动参与,将热点话题“全球电动汽车的动力电池的研究”创设问题情境,激发学生的学习兴趣;通过引导学生推导Nernst方程的表达式和课堂练习巩固,实现课堂上与学生的高度互动性;通过学生自主实验探究、高中化学化学方程式正误的自我分析判断等教学活动,提高学生的实验动手能力和自我分析思考问题的能力。

电极电势的计算及影响因素这部分内容的课堂教学设计主要按照情景案例导入,抛出新学→Nernst方程公式推导→例题分析巩固→学生自主实验探究、旧知思考分析电极电势的影响因素→课堂小结及拓展学习等来进行,教学设计思路如图1。

3.2具体课堂教学活动

3.2.1情景案例引入,抛出新学

在碳达峰、碳中和和能源战略储备双重背景下,发展新能源电动汽车无疑将成为未来汽车发展新方向之一。而电动汽车的核心——动力电池是决定电动汽车性能的关键因素。2020年,全年电池装车量累计137GWh,同比增长17%。其中,动力电池的主要生产厂商CN、HL、JS三家共占市场份额65%,国产品牌CN在动力电池方面已跻身世界前列[11](见图2),体现了汽车电动化浪潮下的民族之光。在观看视频中感受我国科技迅速发展的同时,培养学生的民族自豪感和改革创新的时代价值观,同时抛出问题:电动汽车的动力电池如何设计呢?涉及的基础知识——电极电势如何计算呢?影响电极电势的因素有哪些呢?

3.2.2知识点1:Nernst方程的内涵学习

查询标准状态下的电极电势φθox/red表可知,电池的标准电动势Eθ池=φθ(+)-φθ(-)。设定问题:非标准状态下(C≠1mol·L-1,p≠100kPa)的电极电势和电动势怎样求呢?学生思考片刻后,课堂上引入Nernst事迹,主要是Nernst在化学上的杰出成就,其中之一就是其在博士第二年就研究出电极电势与浓度的关系(即Nernst方程),激励学生热爱自己所学专业,帮助学生树立正确的人生观和价值观。

根据高中化学中所学,原电池可拆成对应的氧化还原反应。其中,电极反应式就是对应的氧化还原半反应,对应的Nernst方程中电极电势与浓度的关系:

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

电池反应即为完整的氧化还原反应,根据E池=φ(+)-φ(-),黑板板书辅助公式推导出原电池的Nernst方程:

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

这样,加深学生对电极的Nernst方程的理解。其中T=298.15K时,n=电子转移数,R=8.314J/(K·mol),F=96500kJ/(V·mol),电极和原电池的Nernst方程可分别简化为:

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)

学生都喜欢记忆简化后的公式,但也要切记电极和原电池的Nernst方程简化公式是有条件的。同时,补充电池的电动势还可以先运用电极的Nernst方程计算正负极的电极电势,再通过E池=φ(+)-φ(-)进行计算。这样可以帮助学生拓宽学习思路,而不只是一味地死记硬背公式。

此外,为了巩固学生对Nernst方程的深层次理解,课堂上还通过具体示例引出Nernst方程计算时的注意事项(如下例所示)分析并让学生课堂练习,个别学生讲解例题进行巩固。此处蕴含着一般性与特殊性的哲学道理。引导学生特殊情况特殊对待,在生活、学习中遇到困难时学会冷静灵活地解决、换个角度思考问题。

例:有H+、OH-参加电极反应时,则在Nernst方程中参与电动势和电极电势的计算,如:

MnO4+8H++5e-→Mn2++4H2O

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

3.2.3知识点2:电极电势的影响因素的分析

在深层次理解了电极电势的计算的基础上,通过设问引导学生思考电极电势的影响因素有哪些。课堂上主要采用了小组自主实验探究讨论(见图3)和高中化学方程式正误的判断分析的教学方式,激发学生对电极电势的好奇心,同时培养学生严谨的实验验证思维,引导学生独立思考归纳总结要点,加强学生对电极电势影响因素的理解。

浓度、络合剂或沉淀剂加入对电极电势的影响主要通过小组自主实验探究对比分析数据,讨论总结而得,小组1的实验数据分别见表1、表2。教师引导学生把得出的结论结合电极电势的Nernst方程(见公式3)计算分析,再次论证其正确性,更进一步加深巩固学生的理解,同时培养学生团结合作的意识;强调络合剂或沉淀剂的加入从本质上就是浓度对电极电势的影响,顺势启发学生学会透过现象看本质,在分析问题时,要学会深层次地去思考,而不是只停留在表面。

酸度对电极电势的影响主要通过高中化学案例——实验室制取氯气的化学方程式引导学生分析思考。

MnO2+4HClΔMnCl2+Cl2↑+2H2O

让学生观察方程式的书写是否正确,思考实验中用的是浓盐酸还是稀盐酸?假设实验是在C(MnCl2)=1mol·L-1,P(Cl2)=100kPa条件下进行的,学生思考片刻后,引导学生利用电极电势的Nernst方程分别计算盐酸浓度分别为12mol·L-1(市售)、1mol·L-1时上述方程式对应的电动势。

将制取氯气的反应式拆成对应的正负极电极反应,进行如下计算:

正极:MnO2+4H++2e-→Mn2++2H2O

φθ(MnO2/Mn2+)=1.2293V

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

负极:2Cl--2e-→Cl2φθ(Cl2/Cl-)=1.360V

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

结果显示,当C(HCl)=1mol·L-1时,E池<0,反应无法自发向右进行;当C(HCl)=12mol·L-1时,E池>0,反应可自发向右进行,即实验中要用浓盐酸才能制取氯气,其正确的方程式为:

MnO2+4HCl(浓)ΔMnCl2+Cl2↑+2H2O

此时,教导学生在学习、科研中一定要理论联系实际,实事求是,不要随意篡改数据与事实。

3.2.4课堂小结及拓展学习

对电极电势影响因素进行课堂小结时化用苏轼的《题西林壁》“横看成岭侧成峰,远近高低各不同。不识‘电极’真面目,只缘身在‘烧杯’中。”课后在学习通上安排电极电势这一章节的作业任务,提供关于电极电势的拓展学习资料,即“基于DIS实验进行原电池电极电势变化的实验探究及其拓展”[12],这是从物理的学科思维对电极电势的学习研究,目的在于引导学生在遇到问题时不要一味钻牛角尖,尝试换一种角度思考,可以多学科思维学习,达到知识互通、如盐入水的育人效果。

3.3实践成效及反思

针对OBE理念下电极电势多维化的课堂教学设计,我们通过问卷调查(见图4)收集了学生的评价,其中93%的学生认可这种教学方式,认为这种方式使学习内容丰富化,激发了学生的学习兴趣。课堂上学生自主实验探究交流以及案例分析等多元化教学方式让师生更好地互动,体现了“以学生为中心”的教学理念,同时帮助学生树立正确的学习观和价值观,提高了实验操作能力以及独立思考分析问题的能力。

专业课教师要结合学生的特点,改变传统的教学方式,采用多维化教学方法,让学生参与到课堂中,提高学生的学习主动参与性。同时,作为思政教育队伍主体的一部分,在教学过程中要把思政元素与“无机化学”课程中章节知识有机、自然、贴切地融合在一起,而不是简单的课程+思政教学。

结语

传统的课堂教学以教师为中心,主要以“教师主动输出,学生被动输入”的方式进行,学生的学习兴趣不高,课堂气氛压抑,学习效果差。OBE理念下融合思政元素等多维化课堂教学设计,以学生为中心,让无聊的课堂气氛活跃化,学生主动学习与探究,通过小组交流讨论和相互学习,充分利用课本、图书馆、学习通、互联网等线上线下资源,提升课外学习和自主学习质效,鼓励学生敢于自己探索、思考和体验,促使学生认知、能力、德育方面的协调发展。但由于学习课时的紧凑和教师平时对思政元素研究薄弱,导致出现思政元素在课堂中的展示存在形式化和学生参与度不高等问题。因此,教师要改变之前固有的教学理念,多挖掘贴切课程内容的思政元素,在当前的无机课程课堂教学设计和实施中注意多角度、多系统地激励、开拓学生思维,实现理论与实际相结合,着重培养学生分析、判断、迁移的能力和创造性思维。

参考文献:

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[9]林健.引领高等教育改革的新工科建设[J].中国高等教育,2017(2):4043.

[10]刘婧靖,王晓娟,肖锡林,等.面向新工科人才培养的课程思政的探究和实践——以《无机化学》为例[J].高教学刊,2021(8):148151.

[11]2020年全球电动汽车动力电池装机137GWh宁德时代居首[EB/OL].20210114.http://www.itdcw.com/news/hangyeshuju/011411J632021.html.

[12]欧勇,黄彦媚.基于DIS实验进行原电池电极电势变化的实验探究及其拓展[J].物理实验,2019,39(12):5659.

基金项目:基于OBE理念的无机化学混合式教学模式的探索:山西省高等学校教学改革创新项目(J20231807)

*通讯作者:郝晓婷(1989—),女,汉族,山西平遥县人,硕士研究生,讲师,研究方向:无机化学。

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