应用电化学实验课程多元化教学模式改革探索∗

任 旺, 张 英, 黄生田, 司玉军, 刘晓强, 王 涛

(四川轻化工大学化学与环境工程学院, 四川 自贡 643000)

实验教学是知识与能力、 理论与实践相结合的教学活动,也是学生全面掌握理论知识和实验技能、 锻炼科学思维、 培养应用能力和孕育创新意识的重要环节。 应用电化学是一门学科交叉性和实践性极强的学科, 在科学研究和实际生产(比如电镀、 电解、 金属腐蚀与防护、 电化学能源开发、 无机物/有机物电解合成、 电催化、 电化学传感和环境处理等)中得到广泛应用。 学习应用电化学实验课程是大学生走上相关工作岗位或开展科学研究前, 掌握电化学基础知识和基本技能的一个重要途径。 应用电化学实验课程的教学质量直接关系到化学、 应用化学和材料化学等相关专业学生对于基础知识技能的掌握以及解决实际问题和创新等综合能力的培养。 如何提高教学质量,使学生能够更高效地掌握重点知识并培养其综合能力, 专业课教师应当积极思考并实践。 本文结合我校实际情况, 分析了应用电化学实验教学的现状, 根据教学大纲和人才培养目标的要求, 对应用电化学实验教学内容和教学模式的改革提出了一些探讨和思考, 期望同行批评指正。

1 应用电化学实验教学内容的更新与多元化设计

基于我校 “培养德智体美劳全面发展、 社会适应性强、 基础扎实、 具有创新精神和实践能力的高素质应用型人才” 的教学理念, 为适应社会和企业所需, 我校化学、 材料、 化工等相关专业都开设了应用电化学课程, 目的是培养出可以直接服务于电化学相关行业的本科毕业生和研究生, 达到学有所用、 学以致用的教学效果。 近年来, 应用电化学领域发展迅速, 知识更新速度加快, 教学内容必须与时俱进, 才能跟上时代的步伐。 应用电化学实验课程教学内容既要注重电化学知识在生产生活中的实际应用, 也要及时融入前沿科研成果、 新技术和新方法等到教学案例中。 根据国家提倡的环境保护、 洁净生产、节能减排, 我们删除了一些陈旧的实验内容, 选取 “湿法冶金与无氰电镀”、 “有机电化学绿色合成”、 “固态锂离子电池的制备及电化学性能测试”、 “不锈钢电化学腐蚀行为研究及绿色缓释剂的电化学防护”、 “微纳米材料的电化学合成”、 “非贵金属氧还原催化剂的制备及性能测试”、 “微纳米材料电合成与电催化”、 “杂原子掺杂碳材料的制备及电催化析氢性能测试”、 “电致变色及光电功能器件”、 “生物燃料电池与生物酶分子传感器”、 “电分析与电化学传感器”、 “废水中重金属离子的电化学处理”、 “电解海水与海水淡化技术”、 “高级电化学氧化技术与环境治理”、 “氯碱工程” 等内容[1]。 我们将实验课程内容分为基础实验、 综合实验和设计创新实验三个层次; 每一层次实验内容均包含必修与选修内容; 对实验项目进行分层次开放, 建立一个层次分明、 循序渐进的实验课程教学体系。 对学生进行无差别、 有限制地开放实验室, 为不同层次的学生提供宽松的学习环境和实验空间, 充分锻炼学生的实践操作能力, 激发学生的积极性和学习潜能, 展现创造力, 积累创新意识, 突出个性发展, 真正做到优生优培。

2 多元化教学模式的探索与设计

鉴于授课时数和实验教学资源的限制, 我们采用 “线上大班/小班+线下小组” 的混合式教学模式, 这种方式避免教师分小组重复讲解, 即可节约大量时间, 同时提高学生的学习时间和实验参与程度, 以实现在有限的时间和空间里应用电化学实验课程的高效教学[2-6]。

对于必修内容, 我们采用线上大班教学, 以 “直播+案例+操作视频+虚拟仿真实验” 的方式进行。 首先, 由教师借助第三方直播软件(如腾讯课堂、 钉钉等)在线课堂以PPT 直播课的形式为学生讲解实验原理, 依托线上慕课资源和相关实验操作视频, 分析实验中可能出现的问题和注意事项, 接着学生完成虚拟仿真实验, 并下载虚拟实验数据, 完成实验报告1。 根据教师的要求, 还会补充一些实验小测或者文献调研等任务,以加深学生对实验的理解。 然后学生分小组到真实实验室, 进入线下教学, 教师巡回合理指导学生完成实验操作, 并完成实验报告2。 这种方式让学生能在预习阶段直观地感受实验全过程和操作注意事项, 在线下实验阶段更有目的性和针对性地进行实验操作和自主实验。

对于选修内容, 我们采用 “线上小班+线下小组” 的教学模式, 线上小班教学以 “翻转课堂+Seminer” 的方式进行, 每次线上小班课程包含5 个小组。 课前, 学生根据选修内容分成小组, 每个小组4 名同学, 每位小组成员就相关专题自行查找文献资料、 参考书和相关案例, 课前自制幻灯片, 为线上课堂的汇报和讨论做好准备。 规定每个小组线上课堂的时间为10 分钟左右, 线上课堂, 学生简要回顾选修内容相关的理论知识, 并介绍该内容的前沿信息以及在相关科研和实际生产中的应用, 并提出自己的看法和选修内容详细实验计划, 在报告最后附上主要的参考文献。 学生汇报结束后, 教师进行提问、 引导和建议。 其余同学可以围绕教学内容自由发表对相关知识的理解并进行疑问问、 批评、 建议等。 这一阶段, 每个小组推荐1 人作为主要报告人, 同组人员进行补充性发言。 最后, 教师对 “翻转课堂+Seminer” 的线上课堂内容进行评价与总结, 向学生提出开展线下小组实验的相关要求和注意事项。然后, 每组学生归纳整理并上交线下选修实验内容的详细计划和方案。 教师根据学生提交的实验方案准备相关器材和场地,巡回合理指导学生完成线下小组选修实验内容, 学生完成实验报告。

为实现从校内实验到工厂实际生产的衔接, 鉴于电化学生产工艺课程实训条件(实训场地、 实训设备和实训安全)不足的现状, 对于电镀、 电池和氯碱生产工艺流程实训内容, 我们采用线上大班教学模式, 以 “直播+视频资料+虚拟实训平台” 的方式进行, 让学生直观地了解实际电化学生产车间和生产工艺流程, 进而巩固专业知识和实验技能, 提升大型实验规划和工程设计能力。 通过 “虚拟实训平台” 开展工程实训教学, 可以让学生通过体验虚拟实训场景、 操作实训设备, 完成实训任务, 更好地体验电化学生产工艺, 为以后在生产相关领域工作奠定良好的理论和实践基础。

3 结 语

这种 “线上+线下” 的多元化实验教学模式充分利用互联网优质共享资源, 丰富了教学内容与形式, 开阔了学生视野,使实验课更生动、 更有趣、 更丰富, 学习效果显著提升。 多元化教学模式节省了线下小组实验的教学时间和教学资源, 降低了实验教学成本, 使实践操作环节更准确, 避免了实际操作的危险, 同时弥补了实际教学中难开展的实验项目教学短板。 另外, 线上教学无时间和空间的限制, 对于请假的学生或者没有听懂的知识点, 可以通过视频回放可灵活地查遗补缺, 又能强化知识内容, 满足学生的个性化学习需求。 实验与实践教学环节是工程教育中非常关键的内容。 新工科和新时代背景下应用电化学实验课程通过多元化实验/实践教学模式, 激发了学生对于实验课程的学习兴趣和热情, 提高电化学领域应用技术型人才和创新型人才培养质量, 达到了更好的实验/实践效果,提升了教学质量。