PBL教學(xué)法在《無機(jī)化學(xué)》電化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用實(shí)踐*

王錦霞，桑曉光，張 霞，韓義德

(東北大學(xué)理學(xué)院，遼寧 沈陽 110819)

《無機(jī)化學(xué)》課程是東北大學(xué)理工科的公共基礎(chǔ)課，也是大一新生進(jìn)入大學(xué)后學(xué)習(xí)的第一門化學(xué)課程?！稛o機(jī)化學(xué)》課程學(xué)習(xí)對(duì)培養(yǎng)理工科學(xué)生的化學(xué)思維發(fā)揮著重要的作用，學(xué)生對(duì)本門課程的知識(shí)掌握程度會(huì)直接影響后續(xù)相關(guān)化學(xué)課程的學(xué)習(xí)。作為一門公共基礎(chǔ)課程，如何通過改變傳統(tǒng)課堂教學(xué)模式，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，從而引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)積極參與教學(xué)過程，充分發(fā)揮課堂教學(xué)環(huán)節(jié)是一個(gè)永恒的研究課題?！稛o機(jī)化學(xué)》中的電化學(xué)部分是對(duì)電化學(xué)理論知識(shí)的簡(jiǎn)單介紹，課程內(nèi)容包括原電池，電池符號(hào)，電極電勢(shì)，能斯特方程及其應(yīng)用等內(nèi)容。傳統(tǒng)的教學(xué)方法以教師講授為主，學(xué)生被動(dòng)的接受知識(shí)，缺乏思考、探索和創(chuàng)新，學(xué)生在學(xué)習(xí)這部分內(nèi)容時(shí)，普遍感覺理論知識(shí)深，知識(shí)點(diǎn)抽象難懂，所學(xué)無法聯(lián)系實(shí)際，與課程前面知識(shí)點(diǎn)的關(guān)聯(lián)不緊密，沒有知識(shí)的連續(xù)性。此外，大學(xué)一年級(jí)的學(xué)生，由于地域差別，其知識(shí)體系和學(xué)習(xí)能力存在較大差別，如何進(jìn)行電化學(xué)部分的教學(xué)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，調(diào)高教學(xué)效果是教師值得深思和探討的重要問題。

PBL(Problem-Based Learning)是一種以理論為指導(dǎo)，問題為導(dǎo)向、學(xué)生為中心、適應(yīng)現(xiàn)在教學(xué)發(fā)展要求并流行于國(guó)際的一種教學(xué)模式[1-6]。在這種教學(xué)模式中，學(xué)生建立在先前知識(shí)的基礎(chǔ)上，面對(duì)開放性的問題，努力找到最佳的解決方案。PBL教學(xué)模式不同于傳統(tǒng)的教學(xué)形式，強(qiáng)調(diào)以學(xué)生的主動(dòng)學(xué)習(xí)為主，以學(xué)生為主體、以小組的形式對(duì)問題進(jìn)行討論學(xué)習(xí)。在學(xué)習(xí)過程中，教師只是學(xué)習(xí)的協(xié)調(diào)人，對(duì)于學(xué)生在自主學(xué)習(xí)過程中出現(xiàn)的問題進(jìn)行協(xié)調(diào)。PBL教學(xué)模式旨在培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維、創(chuàng)新能力、自主學(xué)習(xí)能力及批判思維的能力。培養(yǎng)學(xué)生解決問題的能力，將日常問題和學(xué)科知識(shí)結(jié)合起來，學(xué)生將所學(xué)知識(shí)融會(huì)貫通于實(shí)際需要，通過學(xué)習(xí)了解所學(xué)知識(shí)在實(shí)際體系中的應(yīng)用。如果提出的問題僅憑學(xué)生現(xiàn)有的知識(shí)背景難以解決，學(xué)生可以通過廣泛收集資料使問題得以解決，從而擴(kuò)展了學(xué)生的知識(shí)體系，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。學(xué)生以小組的方式進(jìn)行問題的引入和討論，對(duì)于不太常見的知識(shí)領(lǐng)域，學(xué)生需在小組內(nèi)互相交流，集思廣益，通過小組合力共同完成任務(wù)，鍛煉了學(xué)生的合作能力。這些將為學(xué)生今后的學(xué)習(xí)和工作打好良好的基礎(chǔ)。本文主要嘗試PBL教學(xué)模式在傳統(tǒng)無機(jī)化學(xué)電化學(xué)部分的實(shí)踐與應(yīng)用。

1 PBL教學(xué)法實(shí)施過程

1.1 問題設(shè)計(jì)

PBL教學(xué)過程中，問題的提出至關(guān)重要。教師設(shè)定的問題最好是開放性的，答案不是唯一的，可以有不同的解決方案，能讓每個(gè)學(xué)生提出自己的解決方案，從而產(chǎn)生學(xué)習(xí)和探究的驅(qū)動(dòng)力。此外，問題應(yīng)該結(jié)合課程進(jìn)度，難度不超過學(xué)生的現(xiàn)有知識(shí)基礎(chǔ)，不會(huì)讓學(xué)生感到困難因而望而卻步，使學(xué)生具有能夠解決問題的自信。問題不能太簡(jiǎn)單，需要具有一定的難度，學(xué)生只有查閱大量文獻(xiàn)資料，分析總結(jié)討論交流后才能得到問題的答案，使學(xué)生在不斷挑戰(zhàn)中提高自己。通過問題的討論，學(xué)生可以加深對(duì)理論知識(shí)的理解，還可以發(fā)現(xiàn)新的問題，并能解決新問題。

《無機(jī)化學(xué)》中電化學(xué)的知識(shí)體系，包括原電池和電解兩個(gè)方面。電解對(duì)于大一的學(xué)生來說比較陌生，如果從此方向提出問題，學(xué)生的興趣不大。而電池與我們的生活已經(jīng)密不可分，日常生活中的許多設(shè)備，或大或小都包含著這種稱為電池的電化學(xué)裝置。電池更是目前科學(xué)研究的熱點(diǎn)之一，于是選用原電池作為問題的出發(fā)點(diǎn)。為了調(diào)高學(xué)生的興趣，討論課的題目定為“電池的一生”，包含電池的制備，電池的使用以及電池的回收利用，整個(gè)過程從制備、使用和回收三個(gè)方面蘊(yùn)含了電池的一生。如果整個(gè)問題從電池的制備開始提出，對(duì)于學(xué)生來講具有一定的難度，會(huì)讓學(xué)生對(duì)問題的探索失去信心，于是從問題的難易程度進(jìn)行，先認(rèn)識(shí)電池，接著從鈷酸鋰電池出發(fā)，認(rèn)識(shí)正極材料鈷酸鋰的制備，最后學(xué)習(xí)電池的回收再利用。問題具體內(nèi)容如下。

1.1.1 認(rèn)識(shí)電池

從日常生活中見到的電池開始，請(qǐng)學(xué)生寫出一種用電池做動(dòng)力的裝置，要求學(xué)生寫出電池的名字，鋰電池，鉛酸電池還是其他電池等等。了解電池的分類，屬于一次電池還是二次電池。正確認(rèn)識(shí)電池各部分的結(jié)構(gòu)(正極、負(fù)極、電解質(zhì)、外殼)，每部分結(jié)構(gòu)有何作用等。電池放電時(shí)發(fā)生的反應(yīng)，包括正極反應(yīng)、負(fù)極反應(yīng)和總反應(yīng)。最后計(jì)算一下電池的理論電量和實(shí)際電量并討論電池電動(dòng)勢(shì)理論值和實(shí)際值之間的差別產(chǎn)生的原因。學(xué)生在認(rèn)識(shí)電池的過程中，應(yīng)用到電化學(xué)中原電池組成、電極電勢(shì)、Nernst方程、電極電勢(shì)的應(yīng)用等相關(guān)知識(shí)，提高了自身對(duì)這些知識(shí)點(diǎn)的理解和應(yīng)用能力。

1.1.2 電池正極材料制備

電池的制備過程包括正極材料、負(fù)極材料、電解質(zhì)和外殼的制備以及組裝。而LiCoO2是目前大規(guī)模商品化的鋰離子電池的正極材料，90%以上的商品化鋰離子電池采用LiCoO2作為正極材料。1980年B.Goodenough等首先由碳酸鈷和碳酸鋰在高溫下合成鈷酸鋰(LiCoO2)，反應(yīng)方程式如下：

2Li2CO3+4CoCO3+O2—4LiCoO2+6CO2

因此對(duì)于電池正極材料的制備主要是了解鈷酸鋰的制備，如果空氣中含有21%的O2，含有0.2%的CO2，要求學(xué)生計(jì)算說明鈷酸鋰合成反應(yīng)進(jìn)行的溫度以及實(shí)際合成反應(yīng)進(jìn)行的溫度，并分析原因。

1.1.3 鈷酸鋰電池的回收利用

廢舊鋰電池由正極，負(fù)極，電解液，隔膜，金屬外殼及電流集等部分組成，由于其巨大的消費(fèi)量與前所未有的更新速度，廢舊鋰電池造成的環(huán)境污染事故層出不窮。廢舊鋰離子電池包含有多種金屬物質(zhì)，其中鈷含量為15%，銅占14%，鋁、鐵和鋰分別占4.7%、25%和0.1%，被稱為“廢棄的資源庫”。要求學(xué)生說明廢舊鋰電池對(duì)環(huán)境的污染；在分離溶液中的鈷離子的過程中，加入了1 mol/L的氫氧化鈉，如果溶液中Co2+和Cu2+的濃度均為0.15 mol/L，學(xué)生試通過計(jì)算說明能否分離鈷和銅。

1.2 交流討論

交流討論包含小組內(nèi)部交流討論和小組間交流討論。交流討論之前在雨課堂發(fā)布問題，學(xué)生先在小組內(nèi)部進(jìn)行交流討論，然后教師組織小組間交流討論。

1.2.1 小組內(nèi)交流討論

大一新生之間的聯(lián)系并不廣泛，如果在《無機(jī)化學(xué)》課程成員中隨機(jī)組成小組會(huì)增加學(xué)生間交流的難度，因此在組建小組的時(shí)候以寢室為單位進(jìn)行，每個(gè)小組3～4人。小組成員日常在一起學(xué)習(xí)生活，更容易建立聯(lián)系，更易于自主學(xué)習(xí)和相互交流。問題提出后，教師主要起引導(dǎo)和支持學(xué)生學(xué)習(xí)的作用，解答學(xué)生在準(zhǔn)備過程中遇到的問題，引導(dǎo)學(xué)生有目的性地進(jìn)行準(zhǔn)備。學(xué)生是學(xué)習(xí)的主體，學(xué)生通過書籍、文獻(xiàn)、音頻和視頻，網(wǎng)絡(luò)等資源進(jìn)行學(xué)習(xí)，并自由安排學(xué)習(xí)時(shí)間，小組內(nèi)討論時(shí)間，并做相應(yīng)的記錄和小結(jié)，得出小組結(jié)論并提交給教師。

1.2.2 小組間交流討論

在小組內(nèi)討論結(jié)束得到結(jié)論后，教師組織進(jìn)行小組間的交流討論，每個(gè)小組都在課堂內(nèi)展示本組的結(jié)論，同時(shí)組與組之間相互設(shè)疑，其他組可以向匯報(bào)組提問，如果匯報(bào)小組回答不出，其他小組可以進(jìn)行補(bǔ)充。在討論的最后，教師需對(duì)每個(gè)小組的結(jié)論進(jìn)行點(diǎn)評(píng)，點(diǎn)評(píng)要從學(xué)生的表述能力、文獻(xiàn)查閱總結(jié)能力、問答、觀點(diǎn)創(chuàng)新性等多方面進(jìn)行，在充分肯定學(xué)生的表現(xiàn)基礎(chǔ)上，對(duì)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行全面的總結(jié)，查漏補(bǔ)缺，更正學(xué)生學(xué)習(xí)過程中產(chǎn)生的錯(cuò)誤，補(bǔ)充學(xué)習(xí)過程中漏掉的知識(shí)點(diǎn)。最后，每個(gè)小組要對(duì)內(nèi)容進(jìn)行總結(jié)并按小組提交一份小組報(bào)告。

2 教學(xué)效果分析

目前從PBL課堂教學(xué)中的觀察來看，課堂討論過程中，整個(gè)課堂氛圍活躍，每個(gè)學(xué)生均積極參與討論，并主動(dòng)發(fā)言，能夠通過小組匯報(bào)和答辯的方式展示小組的成果。教師與學(xué)生之間、學(xué)生與學(xué)生之間的相互交流增多。整個(gè)過程中，學(xué)生是學(xué)習(xí)的主體，充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性。學(xué)生對(duì)問題的回答和延伸表明學(xué)生具有了發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力。在解決問題的過程中，學(xué)生開闊了眼界，看到了更多所學(xué)知識(shí)在實(shí)際中的應(yīng)用。每個(gè)參與的學(xué)生受益匪淺，小組內(nèi)每個(gè)人不僅學(xué)到了知識(shí)，同樣在合作、交流、溝通能力上有了長(zhǎng)足的進(jìn)步；與其他組同學(xué)的交流也使得學(xué)生的思維碰撞出新的火花，對(duì)以后的化學(xué)學(xué)習(xí)意義重大。

3 結(jié) 語

使用PBL教學(xué)法在電化學(xué)的學(xué)習(xí)中雖然覆蓋了電化學(xué)的重要知識(shí)點(diǎn)，但還有很多零散的知識(shí)點(diǎn)沒有設(shè)計(jì)進(jìn)去，還需結(jié)合傳統(tǒng)的教學(xué)方法對(duì)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行查缺補(bǔ)漏。PBL 教學(xué)法在學(xué)習(xí)過程中，沒有教師在課堂上的實(shí)時(shí)監(jiān)管和督促，部分學(xué)生對(duì)其他組員存在依賴思想，分配的任務(wù)不能按質(zhì)按量完成，抱著還有其他組員和組長(zhǎng)會(huì)把工作完成的想法；還有部分同學(xué)只能機(jī)械完成發(fā)布的任務(wù)，沒有對(duì)問題進(jìn)行思考并提出自己的觀點(diǎn)和看法，因此需要教師加強(qiáng)監(jiān)管和完善評(píng)價(jià)機(jī)制，調(diào)動(dòng)所有學(xué)生的積極性參與到學(xué)習(xí)中去。課程整體學(xué)生人數(shù)如果較多，學(xué)生將不能完全參與PBL課程中，需要進(jìn)行小班教學(xué)。綜上，對(duì)于PBL教學(xué)法還需要不斷進(jìn)行實(shí)踐探索和完善。