張艷梅，支德福，侯熙彥，張樹彪，閆建芳，權(quán)春善

(大連民族大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，遼寧 大連 116600)

我校作為民族院校，本專業(yè)在培養(yǎng)學(xué)生的過程中，堅(jiān)持以學(xué)生為中心，以產(chǎn)出為導(dǎo)向，堅(jiān)持立德樹人，不斷研究和改革人才培養(yǎng)模式，以培養(yǎng)各民族高素質(zhì)的應(yīng)用型、復(fù)合型、創(chuàng)新型人才為目標(biāo)。不同于傳統(tǒng)的高等教育理念，成果導(dǎo)向(OBE：Outcome-based education)教育理念更重視學(xué)生的學(xué)習(xí)目標(biāo)和學(xué)習(xí)成果，在教學(xué)中貫徹OBE教育理念，更有利于達(dá)成知識(shí)、能力和素質(zhì)有機(jī)融合的培養(yǎng)目標(biāo)和畢業(yè)要求[1-6]。

物理化學(xué)和物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)是利用物理的原理、實(shí)驗(yàn)的方法和數(shù)學(xué)的手段來研究化學(xué)反應(yīng)變化中的一般規(guī)律[7-9]，是本專業(yè)的必修專業(yè)基礎(chǔ)課。物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)課作為物理化學(xué)理論課的輔助課程，學(xué)生們?cè)趯?shí)驗(yàn)操作過程中，需要運(yùn)用所學(xué)的專業(yè)知識(shí)與實(shí)驗(yàn)技能設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)中協(xié)作完成各項(xiàng)任務(wù)，并從專業(yè)的角度分析、討論實(shí)驗(yàn)結(jié)果和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。上述實(shí)踐過程能幫助學(xué)生們更直觀地接觸、了解并掌握物理化學(xué)理論課程中函數(shù)的概念、定律、運(yùn)算公式及其推導(dǎo)過程。而且，實(shí)驗(yàn)課程注重培養(yǎng)學(xué)生的思維能力，引導(dǎo)學(xué)生分析問題并解決問題，以及歸納總結(jié)能力和創(chuàng)新能力[10-16]。但是，目前《物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)》教學(xué)中普遍存在以下突出問題：(1)物理化學(xué)課程內(nèi)容邏輯性強(qiáng)，公式繁多，概念抽象，難度較高，大部分學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中缺乏興趣，學(xué)習(xí)效果差，對(duì)物理化學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)掌握不牢固，無法做到理論知識(shí)的融會(huì)貫通和靈活運(yùn)用；(2)傳統(tǒng)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)多采用以教師為主體的灌輸式教學(xué)模式，學(xué)生被動(dòng)的按照講義和教師的講解完成預(yù)習(xí)、操作和實(shí)驗(yàn)報(bào)告的撰寫的流程，學(xué)生缺乏主動(dòng)性，對(duì)相關(guān)知識(shí)一知半解，學(xué)習(xí)效果不理想；(3)然傳統(tǒng)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)注重學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握程度并注重培養(yǎng)學(xué)生分析問題解決問題的能力，但是卻忽略了學(xué)生綜合素養(yǎng)的培養(yǎng)。

針對(duì)上述問題，本文以《原電池電動(dòng)勢(shì)和溶液pH值的測(cè)定》實(shí)驗(yàn)為例，提出了基于任務(wù)導(dǎo)向與問題驅(qū)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，從而激發(fā)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)意識(shí)，提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題以及分析和解決問題的自主意識(shí)和創(chuàng)新能力，并通過課程思政融入，培養(yǎng)學(xué)生利用專業(yè)知識(shí)造福人類的情懷和大局觀，以期完成生物工程專業(yè)《物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)》課程設(shè)立的融合知識(shí)、能力和素質(zhì)培養(yǎng)的課程教學(xué)目標(biāo)。

1 確定課程教學(xué)目標(biāo)

本專業(yè)立足沿海，面向民族地區(qū)和東北區(qū)域，培養(yǎng)適應(yīng)現(xiàn)代生命科學(xué)發(fā)展和國(guó)家生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)建設(shè)需要，具有良好的人文社會(huì)科學(xué)素養(yǎng)、工程職業(yè)道德和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)精神，掌握生物工程及相關(guān)學(xué)科的基本理論和專業(yè)知識(shí)，融合生物特色資源利用及生物工程下游分離技術(shù)等專業(yè)特色，具備分析、研究和解決工程問題的能力，能夠在生物工程及其相關(guān)領(lǐng)域從事工程與工藝設(shè)計(jì)、產(chǎn)品和技術(shù)開發(fā)、生產(chǎn)和質(zhì)量管理等工作的應(yīng)用型工程技術(shù)人才和管理人才。

圖1 本次實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的教學(xué)目標(biāo)

(1)知識(shí)目標(biāo)：鞏固可逆電池、電池電動(dòng)勢(shì)的概念，理解電池電動(dòng)勢(shì)測(cè)定的方法和意義。

(2)能力目標(biāo)：具備根據(jù)實(shí)際需求設(shè)計(jì)電池，并利用對(duì)消法測(cè)定電池電動(dòng)勢(shì)的能力；能夠靈活運(yùn)用利用電池電動(dòng)勢(shì)的計(jì)算公式計(jì)算熱力學(xué)函數(shù)和溶液活度的能力。

(3)素質(zhì)目標(biāo)：培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)意識(shí)和協(xié)作能力；引導(dǎo)學(xué)生樹立環(huán)境保護(hù)是造福人類的大局觀，培養(yǎng)青山綠水就是金山銀山的情懷。

2 課堂教學(xué)設(shè)計(jì)

2.1 課前準(zhǔn)備

圖2 電化學(xué)部分內(nèi)容的思維導(dǎo)圖

貫徹OBE教育理念，需要改變以往教師為主的模式，強(qiáng)調(diào)學(xué)生的主體作用。課前教師應(yīng)設(shè)計(jì)好課程教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法，并準(zhǔn)備好各類教學(xué)資源。主要包括：(1)課堂教學(xué)資料，如課件、視頻資源等；(2)電子文獻(xiàn)資源數(shù)據(jù)庫鏈接等；(3)如為實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目“原電池電動(dòng)勢(shì)和溶液pH值的測(cè)定”制訂的學(xué)生學(xué)習(xí)任務(wù)單(如了解可逆電池的概念，可逆電池的設(shè)計(jì)思路，可逆電池電動(dòng)勢(shì)的測(cè)定原理和方法等)；(4)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)和準(zhǔn)備。

培養(yǎng)學(xué)生的問題意識(shí)，是提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)水平及技能的主要途徑之一。通過在課前設(shè)定預(yù)習(xí)問題，在課上引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題并解決問題，在課后鼓勵(lì)學(xué)生查閱資料研究問題，讓問題驅(qū)動(dòng)成為學(xué)習(xí)的動(dòng)力。有效預(yù)習(xí)是提高課堂學(xué)習(xí)效果的重要方法，教師應(yīng)該通過布置課前任務(wù)，引導(dǎo)學(xué)生完成預(yù)習(xí)：(1)復(fù)習(xí)可逆電池相關(guān)理論知識(shí)；(2)預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書內(nèi)容，熟悉實(shí)驗(yàn)原理和操作流程；(3)通過分組討論，預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)中可能遇到的問題及解決方法；(4)撰寫預(yù)習(xí)報(bào)告。而且，可以通過信息化平臺(tái)(如微信群等參與學(xué)生的討論和預(yù)習(xí)指導(dǎo))。同時(shí)，學(xué)生的反饋也是教師改革教學(xué)方法，完善教學(xué)內(nèi)容的重要參考。

2.2 課中教學(xué)

“以學(xué)生為中心”應(yīng)該突出學(xué)生的主體地位。采用“半翻轉(zhuǎn)課堂+半自主設(shè)計(jì)”的教學(xué)模式開展本次實(shí)驗(yàn)的課堂教學(xué)。該模式注重“個(gè)體化教育”和“差異化教育”，教師應(yīng)該起到引導(dǎo)作用，引導(dǎo)學(xué)生作為主體，完成學(xué)習(xí)過程。

首先，組織學(xué)生討論預(yù)習(xí)內(nèi)容的問題，如什么是可逆電池和電動(dòng)勢(shì)，測(cè)定可逆電池電動(dòng)勢(shì)的原理和意義；如何設(shè)計(jì)可逆電池；如何計(jì)算可逆電池的電動(dòng)勢(shì)及其相關(guān)熱力學(xué)函數(shù)等。并通過雨課堂發(fā)布相關(guān)測(cè)試習(xí)題，從而客觀評(píng)價(jià)學(xué)生的預(yù)習(xí)效果。通過上述討論和評(píng)價(jià)，加深學(xué)生對(duì)物理化學(xué)理論課上的概念、公式和理論的理解。

2.2.1 銅鋅電池的設(shè)計(jì)及其電動(dòng)勢(shì)的測(cè)定

讓學(xué)生一步到位理解并實(shí)現(xiàn)未知溶液pH測(cè)定的原理、操作和分析，難度較大。通過化整為零、任務(wù)分解，循序漸進(jìn)引導(dǎo)學(xué)生完成學(xué)習(xí)任務(wù)，能夠減低學(xué)生的畏懼心理，提高學(xué)習(xí)興趣和任務(wù)完成情況。首先引導(dǎo)學(xué)生自主設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的丹尼爾電池，讓學(xué)生掌握了測(cè)定方法，基本的原理和操作技巧后，再實(shí)現(xiàn)最終目標(biāo)。

首先，給出學(xué)生化學(xué)反應(yīng)式：Zn(s)+Cu2+(a2)→ Cu(s)+Zn2+(a1)，引導(dǎo)學(xué)生找出兩個(gè)氧化還原對(duì)：Zn(s)→Zn2+(a1)和Cu2+(a2)→Cu(s)后，自主設(shè)計(jì)成銅鋅電池Zn(s)IZnSO4(a1)lICuSO4(a2)lCu(s)。

并通過書寫電極反應(yīng)和電池反應(yīng)驗(yàn)證正確與否。

陽極(負(fù)極)反應(yīng)為：Zn(s)→Zn2+(a1)+2e

陰極(正極)反應(yīng)為：Cu2+(a2)+2e → Cu(s)

總電池反應(yīng)：Zn(s)+Cu2+(a2)→ Cu(s)+Zn2+(a1)

然后，引導(dǎo)學(xué)生分別用兩種離子的濃度和平均活度因子，由電池反應(yīng)或電極反應(yīng)的能斯特方程計(jì)算電動(dòng)勢(shì)EMF：

為了加深學(xué)生對(duì)原電池電動(dòng)勢(shì)測(cè)定原理的理解，以學(xué)生分組的形式，讓學(xué)生主動(dòng)介紹測(cè)試儀器的結(jié)構(gòu)與原理、裝置的組裝連線方法、電動(dòng)勢(shì)的測(cè)定方法，讓學(xué)生變被動(dòng)為主動(dòng)，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，提高課堂教學(xué)效果。在測(cè)定過程中，在學(xué)生遇到實(shí)驗(yàn)問題時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生積極思考，尋找出錯(cuò)的原因，并討論為什么會(huì)出現(xiàn)這樣的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在這部分實(shí)驗(yàn)中，錯(cuò)誤較多的是正負(fù)極接反，或者調(diào)節(jié)旋鈕方向判斷錯(cuò)誤。而且，鼓勵(lì)學(xué)生調(diào)變測(cè)定溶液的濃度和溫度，幫助學(xué)生理解溶液的活度和溫度對(duì)電池電動(dòng)勢(shì)的影響規(guī)律。通過上述過程，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)精神和合作能力。

圖3 對(duì)消法測(cè)定電池電動(dòng)勢(shì)的原理

將計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)定結(jié)果對(duì)比，并分析其誤差產(chǎn)生的原因。通過上述簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生鞏固電池電動(dòng)勢(shì)的基本概念、公式以及測(cè)定原理和基本操作，為利用電池電動(dòng)勢(shì)測(cè)定溶液的pH值奠定基礎(chǔ)。

2.2.2 電池電動(dòng)勢(shì)法測(cè)定未知溶液pH值

在學(xué)生具備一定理論和實(shí)踐能力的基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生開展利用電動(dòng)勢(shì)法測(cè)定溶液的pH值的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和操作：測(cè)定原理、電極的選擇和電池的設(shè)計(jì)、pH計(jì)算公式等。教材上確定本實(shí)驗(yàn)用醌氫醌電極為指示電極，甘汞電極為參比電極。為了激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，還可以讓學(xué)生自主設(shè)計(jì)該實(shí)驗(yàn)電池，選擇不同的已知電極，如Zn和Cu電極作為負(fù)極，開展實(shí)驗(yàn)并對(duì)比結(jié)果。

醌氫醌(為等摩爾的醌和氫醌的結(jié)晶化合物)電極的電極反應(yīng)為：

C6H4O2(Q)+2H++2e→C6H4(OH)2(H2Q)

αH2Q=αQ(對(duì)苯二酚解離度極小)

2.3 課后延伸-微生物電池的原理和應(yīng)用

為實(shí)現(xiàn)全方位育人目標(biāo)，依據(jù)課程思政內(nèi)涵，結(jié)合物理化學(xué)課程教學(xué)目標(biāo)，本次課程從物理化學(xué)與生物學(xué)科交叉和科學(xué)發(fā)展前沿以及物理化學(xué)在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用方面挖掘梳理課程蘊(yùn)含的思政教育要點(diǎn)，并進(jìn)行相應(yīng)的教學(xué)設(shè)計(jì)：濕地類型微生物燃料電池在抗生素降解中的應(yīng)用進(jìn)展[17-21]。鼓勵(lì)并引導(dǎo)學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)引擎和專業(yè)數(shù)據(jù)檢索相關(guān)文獻(xiàn)，并歸納整理成小論文。評(píng)分點(diǎn)包含微生物燃料電池特別是人工濕地微生物燃料電池的結(jié)構(gòu)、工作原理、應(yīng)用領(lǐng)域及最新進(jìn)展，最后還包括學(xué)生的體會(huì)。通過讓學(xué)生查閱資料，了解物理化學(xué)的知識(shí)在生物工程領(lǐng)域的應(yīng)用和進(jìn)展，幫助學(xué)生樹立青山綠水就是金山銀山的綠色發(fā)展觀。并培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)技術(shù)，為人民造福的意識(shí)觀和大局觀。

3 學(xué)習(xí)目標(biāo)達(dá)成情況評(píng)價(jià)

科學(xué)合理的教學(xué)評(píng)價(jià)是提高教學(xué)效果和提升人才培養(yǎng)質(zhì)量的重要保障[22-24]。貫徹OBE教育理念，本課程注重過程評(píng)價(jià)和學(xué)生學(xué)習(xí)目標(biāo)達(dá)成評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)模塊由預(yù)習(xí)成績(jī)(20%)、課堂表現(xiàn)成績(jī)(30%)、實(shí)驗(yàn)報(bào)告成績(jī)(40%)以及課程思政論文(10%)四部分組成。在每個(gè)模塊，針對(duì)知識(shí)、能力和素質(zhì)三個(gè)分目標(biāo)細(xì)化評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，而且，針對(duì)課程分目標(biāo)制定評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，按照評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，并計(jì)算課程分目標(biāo)達(dá)成情況。針對(duì)每個(gè)分目標(biāo)的達(dá)成情況，進(jìn)行原因分析。在下一個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的課程設(shè)計(jì)中，根據(jù)達(dá)成情況分析結(jié)果進(jìn)行針對(duì)性改進(jìn)。

圖4 物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)過程評(píng)價(jià)和分目標(biāo)評(píng)價(jià)體系

4 結(jié) 語

針對(duì)傳統(tǒng)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)中的若干突出問題，結(jié)合我校生物工程專業(yè)自身特點(diǎn)，貫徹OBE教育理念，本文以《原電池電動(dòng)勢(shì)和溶液pH值的測(cè)定》實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為例，提出了基于任務(wù)導(dǎo)向與問題驅(qū)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。以面向產(chǎn)出為導(dǎo)向設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容，以學(xué)生為中心構(gòu)建教學(xué)模式，以持續(xù)改進(jìn)為目的建立考核方式。引導(dǎo)學(xué)生通過設(shè)定目標(biāo)任務(wù)、構(gòu)建思維導(dǎo)圖、理清知識(shí)脈絡(luò)，自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，完成課后知識(shí)拓展等形式，實(shí)現(xiàn)知識(shí)的傳授，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，開闊學(xué)生的學(xué)術(shù)視野。