電化學(xué)原理課程拓展式教學(xué)探究

時間:2022-04-16 10:38:08

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電化學(xué)原理課程拓展式教學(xué)探究

[摘要]電化學(xué)學(xué)科發(fā)展迅速,在能源、材料、環(huán)境等熱點(diǎn)領(lǐng)域取得了巨大的成就。電化學(xué)原理課程是電化學(xué)學(xué)科的核心課程,概念繁多,內(nèi)容豐富,邏輯性強(qiáng),難度偏大。單一的教學(xué)方法不能囊括所有知識,亦會限制學(xué)生的思維與創(chuàng)新能力。本文構(gòu)建的拓展式教學(xué)模式則有利于學(xué)生學(xué)習(xí)能力的提升、創(chuàng)新精神的升華和科研素養(yǎng)的培養(yǎng)。

[關(guān)鍵詞]電化學(xué);拓展式教學(xué);創(chuàng)新精神;科研素養(yǎng)

電化學(xué)是研究電子導(dǎo)體與離子導(dǎo)體形成的界面結(jié)構(gòu)及效應(yīng)的一門交叉學(xué)科,在能源、材料、環(huán)境及生物醫(yī)藥等相關(guān)方面取得了令人矚目的成就。根據(jù)電化學(xué)學(xué)科的應(yīng)用領(lǐng)域,可將其劃分為界面電化學(xué)、材料電化學(xué)、腐蝕電化學(xué)、分析電化學(xué)、合成電化學(xué)、生物電化學(xué)、工業(yè)電化學(xué)等七個大類。電化學(xué)課程是電化學(xué)學(xué)科的核心課程,概念繁多,內(nèi)容豐富,邏輯性強(qiáng),應(yīng)用面廣,難度偏大。國內(nèi)許多高等院校均在化學(xué)化工類與材料類專業(yè)開設(shè)了電化學(xué)原理、應(yīng)用電化學(xué)、電化學(xué)基礎(chǔ)、工程電化學(xué)等相關(guān)課程,本校材料化學(xué)專業(yè)與應(yīng)用化學(xué)專業(yè)亦開設(shè)了電化學(xué)原理課程。關(guān)于電化學(xué)的教學(xué),人們采用了各種各樣的方法,如探究性教學(xué)、發(fā)現(xiàn)式教學(xué)、激勵式教學(xué)、理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)實(shí)踐相結(jié)合、教學(xué)活動與科研相結(jié)合等,我們在教學(xué)過程中,亦采用了同樣的教學(xué)方法,取得了較好的教學(xué)效果。然而,在這個知識爆炸式發(fā)展的時代,無限知識與有限時間的矛盾愈發(fā)突出,任何一種單一的教學(xué)方法都無法將所有知識囊括其中,且限制了學(xué)生的思維能力與創(chuàng)新能力。因此,在學(xué)校教研教改項(xiàng)目(電化學(xué)原理課程拓展式教學(xué)模式的創(chuàng)建(XJG15015))的支持下,我們對電化學(xué)原理課程的教學(xué)方法不斷進(jìn)行了改革,構(gòu)建了拓展式教學(xué)模式,在不同專業(yè)大三學(xué)生中取得了良好的教學(xué)效果。

1基本概念知識拓展教學(xué)

在電化學(xué)原理課程中,專業(yè)術(shù)語頗多,相似度高,如不加以展開延伸,極易混淆。比如,在學(xué)習(xí)“電化學(xué)位”這個概念時,需向物理化學(xué)中的“化學(xué)位”進(jìn)行延伸。電化學(xué)位是指1摩爾帶電粒子移入一個孤立相內(nèi)部所引起的全部能量,而化學(xué)位則是恒溫恒壓下1摩爾物質(zhì)加入系統(tǒng)所引起的系統(tǒng)總自由能的變化。電極體系的界面張力與界面層物質(zhì)組成有關(guān),也與電極電位有關(guān)。進(jìn)一步拓展至非電極體系與理想極化電極體系,則為:非電極體系的界面張力僅與界面層物質(zhì)組成有關(guān),理想極化電極體系的界面張力僅與電極電位有關(guān)。又如:原電池與電解池、平衡電位與穩(wěn)定電位、內(nèi)緊密層與外緊密層、氫標(biāo)電位與零標(biāo)電位、電極的可逆性與電極反應(yīng)的可逆性、理想極化電極與理想不極化電極[1],等等,這些基本概念知識之間的相互拓展教學(xué)。

2重點(diǎn)知識拓展教學(xué)

在教學(xué)重點(diǎn)之處拓展聯(lián)系緊密的知識,加強(qiáng)對教學(xué)重點(diǎn)的理解與掌握。比如,極化曲線在電化學(xué)原理課程中占有非常重要的地位,其定義是一條過電位或電極電位關(guān)于電流密度的變化曲線,簡單易懂。但是,其測量方法可依據(jù)時間因素分為穩(wěn)態(tài)法和暫態(tài)法;依據(jù)自變量的不同可分為恒電流法與恒電位法。教材中提到“當(dāng)電位與電流密度互為單值函數(shù)時,恒電流法與恒電位法測量的極化曲線大致相同;否則,兩種測量方法得出的結(jié)果可能相差很多”,在沒給出任何實(shí)例進(jìn)行解釋的情況下,這種描述令學(xué)生非常費(fèi)解。因此,必須將該內(nèi)容進(jìn)行拓展教學(xué)。圖1所示為鎳基合金718在70℃的飽和CO2、H2S/CO2溶液體系中的極化曲線[2]。對比兩條陽極極化曲線可知,CO2溶液體系中的曲線幾乎沒有活化-鈍化轉(zhuǎn)變區(qū),而是直接進(jìn)入鈍化區(qū)。H2S/CO2溶液體系中的陽極極化曲線則出現(xiàn)了多次活化-鈍化轉(zhuǎn)變現(xiàn)象,即在一定電流密度范圍內(nèi),一個電流密度值對應(yīng)兩個或三個電位值,即為多值函數(shù),所以,這類極化曲線不能采用恒電流法測量,只能采用恒電位法進(jìn)行測量。反之,如果在一定的電位范圍內(nèi),一個電位值對應(yīng)多個電流值,則這類極化曲線只能采用恒電流法進(jìn)行測量。

3難點(diǎn)知識拓展教學(xué)

在教學(xué)難點(diǎn)之處導(dǎo)入聯(lián)系緊密的知識,加強(qiáng)對教學(xué)難點(diǎn)的消化與吸收。譬如,在學(xué)習(xí)到電極/溶液界面的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)時,有一個難點(diǎn)內(nèi)容——循環(huán)伏安法,該方法是一種在電化學(xué)學(xué)科各個應(yīng)用領(lǐng)域通用的技術(shù),但是,教材中僅有半頁紙的內(nèi)容,學(xué)生不知教材所云,因此,必須進(jìn)行拓展式教學(xué)。如教材內(nèi)容所示,在研究氫、氧原子的吸附行為時,可根據(jù)循環(huán)伏安曲線的對稱性,判斷氫、氧原子吸脫附過程的可逆性。氫吸附區(qū)與脫附區(qū)關(guān)于電位軸幾乎對稱,故氫原子的吸脫附過程基本上是可逆的;而氧吸附區(qū)與脫附區(qū)的電位差較遠(yuǎn),故氧原子的吸脫附過程是不可逆的[3]。在材料電化學(xué)領(lǐng)域,可采用循環(huán)伏安曲線研究鋰離子電池材料脫嵌鋰離子的電位及其循環(huán)性能。圖2所示為多元摻雜磷酸鐵鋰/碳材料的循環(huán)伏安曲線[4]。由圖可知,該材料在3.55V發(fā)生了脫鋰反應(yīng),在3.31V發(fā)生了嵌鋰反應(yīng),循環(huán)50次后峰電流與峰電位變化甚小,表明材料具有優(yōu)異的循環(huán)性能。在合成電化學(xué)領(lǐng)域,可采用循環(huán)伏安法研究體系中可能發(fā)生的反應(yīng)、反應(yīng)的最大速度及其反應(yīng)產(chǎn)物的穩(wěn)定性。

4結(jié)語

本文以電化學(xué)原理課程為例,結(jié)合課程特點(diǎn),構(gòu)建了拓展式教學(xué)模式。經(jīng)過4年的試行,學(xué)生在課堂學(xué)習(xí)主動性、學(xué)習(xí)效果、創(chuàng)新精神與科研素養(yǎng)等方面取得了明顯的進(jìn)步,但我們?nèi)孕枥^續(xù)努力探索更佳的教學(xué)策略。

參考文獻(xiàn)

[1]劉萬民,肖鑫,黃先威,等.淺議《電化學(xué)原理》課程知識的對比教學(xué)[J].科技展望,2015,25(25):197.

[2]趙國仙,祝恒倩.鎳基合金718在H2S/CO2環(huán)境中的腐蝕行為研究[J].腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù),2019,31(3):291-296.

[3]李荻.電化學(xué)原理(第三版)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2008.

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

[5]劉萬民,胡國榮,肖鑫,等.直接電氧化合成乙基香蘭素[J].中南大學(xué)學(xué)報,2012,43(3):842-847.

作者:劉萬民 秦牡蘭 王偉剛 申斌 許律 單位:湖南工程學(xué)院