电化学原理课程拓展式教学探究

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[摘要]电化学学科发展迅速，在能源、材料、环境等热点领域取得了巨大的成就。电化学原理课程是电化学学科的核心课程，概念繁多，内容丰富，逻辑性强，难度偏大。单一的教学方法不能囊括所有知识，亦会限制学生的思维与创新能力。本文构建的拓展式教学模式则有利于学生学习能力的提升、创新精神的升华和科研素养的培养。

[关键词]电化学；拓展式教学；创新精神；科研素养

电化学是研究电子导体与离子导体形成的界面结构及效应的一门交叉学科，在能源、材料、环境及生物医药等相关方面取得了令人瞩目的成就。根据电化学学科的应用领域，可将其划分为界面电化学、材料电化学、腐蚀电化学、分析电化学、合成电化学、生物电化学、工业电化学等七个大类。电化学课程是电化学学科的核心课程，概念繁多，内容丰富，逻辑性强，应用面广，难度偏大。国内许多高等院校均在化学化工类与材料类专业开设了电化学原理、应用电化学、电化学基础、工程电化学等相关课程，本校材料化学专业与应用化学专业亦开设了电化学原理课程。关于电化学的教学，人们采用了各种各样的方法，如探究性教学、发现式教学、激励式教学、理论教学与实验实践相结合、教学活动与科研相结合等，我们在教学过程中，亦采用了同样的教学方法，取得了较好的教学效果。然而，在这个知识爆炸式发展的时代，无限知识与有限时间的矛盾愈发突出，任何一种单一的教学方法都无法将所有知识囊括其中，且限制了学生的思维能力与创新能力。因此，在学校教研教改项目(电化学原理课程拓展式教学模式的创建(XJG15015))的支持下，我们对电化学原理课程的教学方法不断进行了改革，构建了拓展式教学模式，在不同专业大三学生中取得了良好的教学效果。

1基本概念知识拓展教学

在电化学原理课程中，专业术语颇多，相似度高，如不加以展开延伸，极易混淆。比如，在学习“电化学位”这个概念时，需向物理化学中的“化学位”进行延伸。电化学位是指1摩尔带电粒子移入一个孤立相内部所引起的全部能量，而化学位则是恒温恒压下1摩尔物质加入系统所引起的系统总自由能的变化。电极体系的界面张力与界面层物质组成有关，也与电极电位有关。进一步拓展至非电极体系与理想极化电极体系，则为：非电极体系的界面张力仅与界面层物质组成有关，理想极化电极体系的界面张力仅与电极电位有关。又如：原电池与电解池、平衡电位与稳定电位、内紧密层与外紧密层、氢标电位与零标电位、电极的可逆性与电极反应的可逆性、理想极化电极与理想不极化电极[1]，等等，这些基本概念知识之间的相互拓展教学。

2重点知识拓展教学

在教学重点之处拓展联系紧密的知识，加强对教学重点的理解与掌握。比如，极化曲线在电化学原理课程中占有非常重要的地位，其定义是一条过电位或电极电位关于电流密度的变化曲线，简单易懂。但是，其测量方法可依据时间因素分为稳态法和暂态法；依据自变量的不同可分为恒电流法与恒电位法。教材中提到“当电位与电流密度互为单值函数时，恒电流法与恒电位法测量的极化曲线大致相同；否则，两种测量方法得出的结果可能相差很多”，在没给出任何实例进行解释的情况下，这种描述令学生非常费解。因此，必须将该内容进行拓展教学。图1所示为镍基合金718在70℃的饱和CO2、H2S/CO2溶液体系中的极化曲线[2]。对比两条阳极极化曲线可知，CO2溶液体系中的曲线几乎没有活化-钝化转变区，而是直接进入钝化区。H2S/CO2溶液体系中的阳极极化曲线则出现了多次活化-钝化转变现象，即在一定电流密度范围内，一个电流密度值对应两个或三个电位值，即为多值函数，所以，这类极化曲线不能采用恒电流法测量，只能采用恒电位法进行测量。反之，如果在一定的电位范围内，一个电位值对应多个电流值，则这类极化曲线只能采用恒电流法进行测量。

3难点知识拓展教学

在教学难点之处导入联系紧密的知识，加强对教学难点的消化与吸收。譬如，在学习到电极/溶液界面的结构与性质时，有一个难点内容——循环伏安法，该方法是一种在电化学学科各个应用领域通用的技术，但是，教材中仅有半页纸的内容，学生不知教材所云，因此，必须进行拓展式教学。如教材内容所示，在研究氢、氧原子的吸附行为时，可根据循环伏安曲线的对称性，判断氢、氧原子吸脱附过程的可逆性。氢吸附区与脱附区关于电位轴几乎对称，故氢原子的吸脱附过程基本上是可逆的；而氧吸附区与脱附区的电位差较远，故氧原子的吸脱附过程是不可逆的[3]。在材料电化学领域，可采用循环伏安曲线研究锂离子电池材料脱嵌锂离子的电位及其循环性能。图2所示为多元掺杂磷酸铁锂/碳材料的循环伏安曲线[4]。由图可知，该材料在3.55V发生了脱锂反应，在3.31V发生了嵌锂反应，循环50次后峰电流与峰电位变化甚小，表明材料具有优异的循环性能。在合成电化学领域，可采用循环伏安法研究体系中可能发生的反应、反应的最大速度及其反应产物的稳定性。

4结语

本文以电化学原理课程为例，结合课程特点，构建了拓展式教学模式。经过4年的试行，学生在课堂学习主动性、学习效果、创新精神与科研素养等方面取得了明显的进步，但我们仍需继续努力探索更佳的教学策略。

参考文献

[1]刘万民，肖鑫，黄先威，等．浅议《电化学原理》课程知识的对比教学[J]．科技展望，2015，25(25)：197．

[2]赵国仙，祝恒倩．镍基合金718在H2S/CO2环境中的腐蚀行为研究[J]．腐蚀科学与防护技术，2019，31(3)：291-296．

[3]李荻．电化学原理(第三版)[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2008．

[4]WanminLiu，QilongLiu，MulanQin，etal．Inexpensiveandgreensynthesisofmulti-dopedLiFePO4/Ccompositesforlithium-ionbatteries[J]．ElectrochimicaActa，2017，257：82-88．

[5]刘万民，胡国荣，肖鑫，等．直接电氧化合成乙基香兰素[J]．中南大学学报，2012，43(3)：842-847．

作者:刘万民 秦牡兰 王伟刚 申斌 许律 单位:湖南工程学院