研究生课程《电极过程动力学》混合教学模式的探索与实践
黄成德¹，蔡建爽^2   6
（1. 天津大学化工学院，2 天津大学研究生院，天津，300072）
摘要：本文基于e-learning平台与问题导向等多种教学模式相结合的视角出发，以应用化学学科的专业课程-电极过程动力学为例，对教学模式、e-learning平台构建及考核评价进行探索与实践，尝试提出提高应化学科研究生创新能力的方法与策略，为研究生课程的建设和改革提供新的建设思路。 以云计算和人工智能为标志的第四次产业革命已经影响了很多领域，而以互联网、云计算、大数据及人工智能等为代表的信息技术也促使教育业务开始智能化、自动化和数字化。这就要求研究生的教育目标应该转向为能力培养为主，应更加注重培养学生的批判性思考能力、创新能力等素质的培养。研究生课程教学是研究生培养的重要环节，其课程体系是创新教育的重要载体之一，如何在研究生课程中即能够构建合理的知识体系促进创新教育，又能够培养学生发现、分析和解决问题的能力，充分发挥研究生课程教学在研究生创新教育中应有的作用，是一个值得探讨的课题[1]。本文基于e-learning平台与案例教学及问题导向等多种教学模式相结合的视角出发，以应用化学学科的专业核心课程-电极过程动力学为例，尝试提出提高应化学科研究生创新能力的方法与策略，为研究生课程的建设和改革提供新的建设思路。
一、“电极过程动力学”课程教学存在的问题
1、授课方式单一：在传统的研究生课程建设及教学中，教师是创建课程内容、传授知识的中心，而学生习惯于被动地接受教师所讲的知识，缺乏参与性、主动性及探索性的培养，久而久之使得学生思维懈怠，缺乏创新能力和研究能力的养成。
2、知识体系较为固化，教学内容的前沿性不足。虽然在教学中能够以研究生的培养目标和培养体系为基准点，构建课程的内容，在深层次的知识结构和学科前沿相结合上仍有不足，教学内容缺乏“新”和“活”的特点。然而学科前沿对于拓宽研究生的研究视野，启发研究思路以及培养研究生的创新意识及创新能力至关重要。
3、考核方式单调：在传统的教学模式下，研究生的课程考核主要采用试卷考试、总结报告或小论文。这些考核形式忽略了研究生的创新思维等能力的培养和评价。
二、目前研究生课程教学的研究现状
研究生教育是“本科后以研究为主要特征的高层次的专业教育”，“高层次的专业教育”和“以研究为主要特征”是研究生教育的本质规定性[1]。为实现这一目标，在课程教学上教师应该多维度，多方位地有意识引导学生培养科技素养，强调研究生的创新、科学思维等能力的培养。近年来我国在研究生课程教学改革方面做了很多工作。例如，邢荣莲针对“新常态”经济形势下社会对研究生的需求及硕士生培养中所存在的问题，提出“零课时”课程教学模式[2]。孙辉则灵活应用了“研讨式”教学方法的各种形式，并合理增加基础型和提高型实践环节等几方面的课程建设和教学改革，探索出针对工程研究和创新能力培养的硕士研究生课程的教学模式[3]。王永林针对林业院校开设“分子植物病理学”课程所遇到的主要问题，结合北京林业大学研究生优质核心课程建设的教学实践，从课程教学目标、教学内容设置与优化、教学方法、考核方式等方面探讨了“分子植物病理学”课程建设和改革的问题。优化了课程体系和教学内容，采用了启发式、课题式、讨论式教学方法，改变了单一的考核形式，初步建成了具有林业院校特色的“分子植物病理学”课程体系，实现了以应用分子植物病理学知识解决森林病理学实际问题的培养目标，促进了学生主观能动性的发挥，提高了教学质量[4]。
三、教学改革的措施及方法
1、教学内容的扩展和深化
教学内容的扩展和深化是教学改革中的重要环节。因为教学内容应该在本科教育知识的基础上进行拓展并加深难度。为了让研究生在学习这门课程之后，能够将所学知识用于今后的研究及实践工作中，还应该考虑到在教学过程中如何将理论知识体现在实际应用中，同时还需要拓展学生的眼界，适当引入一些有些的国外学术著作[3]。教学内容基于教材。因此我们在国内现有的电化学理论相关的教材中，选择了查全性院士编著的《电极过程动力学导论》。该教材的前半部分从电极/溶液界面的热力学性质开始，逐渐阐述了浓度极化、电化学极化、表面化学转化为速控步骤的动力学特性和基本方程。该部分内容偏重理论，有一定的深度和难度，适合研究生教学。为拓展学生的学习内容，我们在课堂教学内容中加入约6个学时的国内外经典教材、书籍或文献的内容。例如，将美国工程院院士，国际电化学家Allen J.Bard编著的《Electrochemical Methods》中的部分内容作为选讲内容，增加到教学中。该书中关于“微电极的优点和应用”让学生对前沿研究所使用的电化学器件有了更为深刻的认识。在教授电化学极化的微观机制时，将诺贝尔获奖者Marcus的相关理论要点介绍给学生，引导研究生学习科学家是怎样发现问题、分析问题和解决问题的。除上述基础知识之外，我们还加入约4个学时的课堂教学，阐述动力学公式在研究中应用的案例。例如，在锂离子电池中，运用电化学阻抗谱可以得到锂离子的扩散系数，还可以分析电位对锂离子扩散的影响及SEI膜的形成机理。在讲述循环伏安的方法时，让学生评价最新报道的文献中，石墨烯超级电容性能测量方法的优缺点，这不但使学生了解到研究前沿的某些课题，同时又有助于研究生科研能力的培养和形成。
2、e-learning平台资源的构建
根据国内外e-learning平台的研究和使用经验，“电极过程动力学”的e-learning平台的资源构建分为以下三部分：１．在线课程：主要内容有5个方面：课程简介、课程内容大纲、教学视频、课程要求（习题）、参考书目。2、补充资料：这部分是教师推荐给学生的与本课程相关的中英文论著、课件及论文等。3、一些国外相关网站的链接。E-learning平台资源的构建是基于（1）推进教学内容的国际化程度。为此在补充资料中给出了麻省理工学院的电分析化学的相关资料和国际电化学家-美国工程院院士Allen J.Bard编著的《Electrochemical Dictionary》以及美国凯斯西储大学原化工系系主任-朗道教授的授课课件。（2）运用在线教学的方式提高教学效果。为此在e-learning教学平台上有电极过程动力学基础理论课程的微视频等资料。这样既能够较好地实现“以学生为主体”的教学理念，又可以在教学方法和模式上进行改革，运用多样化的实体教学方式来提高学生的学习兴趣和教学效果。（3）强调教学内容的前沿性。在实际教学中，我们将最新、最前沿的科研信息如2017年美国能源部的报告、2017年全国电化学会议论文摘要及其它新发表的研究报道等及时添加到教学补充资料中，保证教学平台的内容处于“新鲜”的状态，使学生在潜移默化中把握与课程相关的学科最新动态，为下一步开展前沿性的研究做准备。
3、教学模式的改革
教学模式不再局限于传统接受式教学模式，如何用教学创新去激发学生的创新意识是该课题改革的关键。因此，在教学活动中，我们有意识地利用了e-learning平台的优势，使每一位学生都成为教学活动的积极参与者而不是旁观者。“电极过程动力学”课程内容理论性强，内容多，课时少，如何让学生在有限的时间段内接触和了解到更多的知识和研究案例，也需要借助e-learning平台，依靠互联网思维。为此，我们将课程内容按照章节划分了约170个三级知识点，并根据知识点进行微课视频录制和编辑。表一为其中一部分的课程结构设计。将完成的微课视频放在e-learning平台上并根据课程的总体内容，进行了线上教学模式的尝试。在2016级学生的教学活动中，采用了与孙辉等人[3]相类似的方法。将已经在本科教学中学习过的液相传质和电化学极化动力学的内容进行比对和分析，确定研究生阶段的任务是对已学过内容进行深化和拓展。因此本课题将这两章的教学内容通过“阅读自讲式”的教学形式把不同内容指定给学生，让学生通过预习，在课堂上将自己学习某个章节知识的心得和体会与大家分享。学生讲述完毕后，老师对每位同学所讲内容做出评价，特别是错误的观点给与纠正或讲解，达到解惑的目的。这对培养学生的自主学习能力以及积极探索多种解决问题的能力的确有效。而在组织学生进行自主研讨式学习的过程中，学生的确能够有效感知和理解教学内容，达到自主构建知识体系。例如，在讲述“循环伏安方法”的内容中，学生没有局限于课本知识，而是参考了其它相关的知识，在课堂上归纳了“完全可逆”、“准可逆”、“不可逆”三种情况的循环伏安图谱。在2017级学生的教学活动中，我们认为突出课程的启发性，以问题为导向使研究生在发现和探索问题中主动建构知识体系也是十分必要的[5]。因此进一步深化了线上教学模式，将“阅读自修”和“问题导向”结合在一起。在线上给学生们提出问题，在课堂上学生将自己对问题的理解和解答分享给大家。为此我们根据知识点的划分，构建了“问题题库”。例如在液相传质的内容中，提出“浓差极化动力学公式推导的思路是什么？”、“采用循环伏安曲线能够判断出哪些速度控制步骤？其判定依据是什么”等。这即能够夯实和拓宽本门课程的基础，又可以进一步提高了研究生研究和思维的能力。使课程教学在研究生创新研究能力的培养中更好地发挥作用。从学生的呼应程度和学习的态度来看，后一种教学模式对提高学生自主学习的能力是有益的。
表一 第四章知识点的划分

电化学步骤的动力学	4.1电极电势对电化学步骤反应速度的影响	4.1.1改变电极电势对电化学步骤活化能的影响
		4.1.2改变电极电势对电极反应速度的影响
		4.1.3电化学步骤基本动力学参数	4.1.3.1交换电流密度
			4.1.3.2电极反应速度常数
	4.2平衡电势与电极电势的“电化学极化”	4.2.1平衡电势
		4.2.2电极电势的电化学极化	4.2.2.1低过电位的近似公式
			4.2.2.2高过电位的近似公式
		4.2.3根据极化曲线测定电极反应动力学参数
		4.2.4如何建立平衡电极电势
	4.3浓度极化对电化学步骤反应速度和极化曲线的影响	4.3.1超电势产生的四点原因
		4.3.2极化曲线的三个区域
		4.3.3旋转圆盘电极的应用
	4.4测量电化学步骤动力学参数的暂态方法	4.4.1电流阶跃法
		4.4.2电位阶跃法
		4.4.3循环伏安法
	4.5相间电势分布对电化学步骤反应速度的影响-“ψ1”效应	4.5.1如何考虑∆ψ1的影响
		4.5.2∆ψ1对极化曲线的影响

 
4、考核方式的改革
一套科学的考核体系应该至少有两个主要作用：一是要能体现出课程的教学目标和教学要求，二是考核的结果应能明确反映出学生对课程各方面的掌握程度[6]。“电极过程动力学”以往的课程考核方式为开卷考试。秦海英认为[7，8]：这种传统的考核评价方式使得大多数学生对知识与技术的学习走进误区，认为只要记住书本中相关知识点即可，从而忽略了自身的批判性独立思考与深入理解，不利于认知结构的积极建构。而作者认为通过教学内容及教学模式的改革，其考核方式也应该体现出研究生的课堂互动、回答问题及阅读自讲的能力和积极性。因此在该课程中，我们对考核方式进行了多元化探索，由平时成绩（20%），口头报告（20%），开卷考试（60%）构成最终成绩。其中平时成绩主要包括课堂出勤和课后问题的解答及心得报告。口头报告是指学生的课堂讲述部分的评价。该部分可以锻炼学生自学知识时的归纳总结能力、制作ppt的课件制作能力以及在课堂上的语言表达能力。因此我们设计了打分表。该部分为听讲的所有学生打分后的平均值。在口头报告的实践中学生的表达能力得到相应的锻炼，为以后的学术报告和工作汇报奠定了基础。开卷考试的试题也分为三部分：由e-learning平台中的试题库、课本知识点及课堂教师拓展的案例或知识点构成，改变了一张试卷定水平的传统单一考核方式。
表二 课堂口头报告评分要素及权重

要素	权重
1、 课件制作质量； 2、 讲述的思路 3、 报告时的语言表达	10% 20% 10%
1. 内容的充实程度， 2. 重点与难点的突出， 3. 归纳总结能力 4. 学习的广度与深度 5. 是否超时	10% 15% 15% 10% 10%

 
四、结语
针对《电极过程动力学》课程，结合研究教育的特点从教学内容、教学方式和考核方式上进行了初步的教学改革探索。在探索中发现，通过混合式教学，能够使学生拓宽专业知识，了解学科前沿与所学知识的关联，增强学生的专业兴趣。这种方式对培养学生创新的科研素质和敏感的科研思维非常有益。而混合式教学也给授课教师的素质和水平提出了更高的要求，譬如，如何更新教学模式的理念和策略，如何通过科研活动及师生互动来提高自身的教学能力和教学水平等。另外在讲授过程中，笔者还发现需要加强案例课程建设，因为让研究生对各种案例进行分析、比较，将理论知识与科研及生产实际中产生的各种实际问题联系起来，可以更有效地提高学生对知识的使用度，更好地培养研究生独立思考的能力。