提升教育功能的“氧化还原反应与电化学应用”教学新策略

doi:10.3866/PKU.DXHX202212072

Abstract

Abstract:

In view of the insufficient educational function in the previous teaching design for "redox reaction and electrochemical application" in inorganic chemistry, we reconstructed the teaching content, which kept the previous framework and highlighted the core content and cutting-edge development of redox reaction and electrochemical applications. Assisted by online and traditional teaching modes, a new teaching strategy was established, which can well infiltrate innovative thinking and scientific research methods to the students. In such a new system, the new teaching strategy can hopefully realize "Two properties and One Degree" of the first class curriculum standards and achieve the essential value of education in casting people and souls.

Key words: Redox reaction, Electrochemical application, Improvement in educational function, Two properties and one degree, New teaching strategy, Content re-construction

Hongyan Wang, Jiquan Liu, Chengbo Li, Zhihong Liu. New Teaching Strategy for Promoting Educational Function in "Redox Reaction and Electrochemical Application"[J].University Chemistry, 2023, 38(10): 150-161.

Figures/Tables 8

模块名称	内容(总学时10)	讲授设计策略	主要设计特点
1. 氧化还原的基础知识 (0.5学时)	1.1 对氧化还原反应本质认识的演变 1.1.1 认识在逐步明确 1.1.2 氧化还原反应的定义 1.2 氧化还原反应的相关基本概念 1.2.1 化合价与氧化数 1.2.2 氧化还原电对 1.2.3 氧化还原反应发生的基本规律 1.2.4 氧化还原反应的离子方程式	(1) 线上Blackboard教学平台提供氧化还原反应概念的发展历史以及与氧化数相关的教学论文 (2) 1.2节内容是重点，采用线下课堂讲授。通过对比和类比法，重点讲解化合价与氧化数的区别和联系，揭示氧化还原反应的本质和规律，以及自氧化还原反应和歧化反应的异同点 (3) 其他内容通过布置相关问题和任务引导学生自主探究，在辅导课上探讨	(1) 回顾了氧化还原反应发展的几个阶段 (2) 梳理了化合价、氧化数概念发展的历程及确定规则
1. 氧化还原的基础知识 (0.5学时)	专题讲座与沙龙1：形式电荷的概念与应用	线上Blackboard平台提供素材，自学。辅导课上重点讲解	(1) 完善知识体系，扩大内容覆盖面，利于提高学生自主学习能力 (2) 引入形式电荷，深入探究化合价、氧化数和形式电荷的区别与联系，系统分析电荷概念的三个层次
2. 氧化还原反应方程式的配平 (1学时)	2.1 氧化还原反应配平的基本方法 2.1.1 氧化还原反应配平的基本原则 2.1.2 氧化数法 2.1.3 离子-电子法 2.2 氧化还原反应方程式的配平技巧 2.2.1 加和法 2.2.2 氧化数差值法 2.2.3 奇偶数配平法 2.2.4 待定系数法 2.2.5 左右同时配平法 2.2.6 元素消去法 2.2.7 平均氧化数法 2.2.8 逆向配平法 2.2.9 零数法 2.2.10 矩阵法	(1) 氧化数法在中学有一定基础，可通过3个有难度的举例进行复习 (2) 重点讲解离子-电子法，指出该方法只适用于溶液体系^[20]，且是原电池电极反应和电池反应的基础。配平时对非氧化还原组分，通过观察法先配平H、O以外的原子数，然后再配平H、O原子数并提出在酸性或碱性介质中配平H、O的技巧 (2) 布置课后任务：针对反应类型，总结其他配平方法和技巧	(1) 完善了氧化数法和离子-电子法的配平思路和具体步骤，特别针对不同介质的配平提出了具体步骤 (2) 详细归纳了多种常用的氧化还原反应配平技巧，如加和法^[21]、氧化数差值法^[22]、奇偶数配平法^[23]、待定系数法^[24]、左右同时配平法^[25]、元素消去法^[26]、平均氧化数法^[27]、逆向配平法^[28]和零数法^[29]等，通过比较各种配平技巧的特点，总结其优缺点及适用范围 (3) 引出了矩阵法配平^{[30, 31]}，作为扩充知识，引导学生自主查阅相关资料
3. 氧化还原反应与原电池(5学时)	3.1 原电池 3.1.1 原电池的原理 3.1.2 电极反应与电池反应 3.1.3 电极的分类 3.1.4 原电池的表示方法 3.1.5 电极电势与电池的电动势 3.2 电池反应的热力学 3.2.1 可逆电池电动势与电池反应吉布斯自由能的关系 3.2.2 能斯特方程 3.2.3 电动势与电池反应平衡常数的关系 3.2.4 通过电动势E及其温度系数计算反应的Δ_rH_m和Δ_rS_m 3.2.5 可逆电池的热效应 3.2.6 影响电极电势和电动势的因素 3.2.7 电极电势的应用 3.2.8 标准电极电势表的适用范围 3.3 电极电势的图解法表示 3.3.1 Latimer图 3.3.2 Froster图 3.3.3 Pourbaix图	(1) 线上Blackboard平台提供学习视频：原电池的工作原理；原电池相关教学论文 (2) 线下课堂：鉴于高中已学习原电池定义、构成、原理、电极反应与电池反应，可通过提问方式复习。详细讲解原电池的表示方法、盐桥作用、电极类型、电极电势与电池的电动势及其应用，能斯特方程及其应用，并进行举例和课堂练习 (3) 电池反应的热力学是本章的重点和难点内容。详讲 (4) 三大电极电势图属于知识扩充，有一定难度。建议线下课堂重点讲解三大图的概念及应用，重点掌握Latimer图。至于相关绘图在本课程中不要求掌握，主要供有兴趣的同学拓展自学	(1) 在电池反应热力学部分增加了标准电极电势的热力学说明^[32]及适用范围^{[33, 34]}，避免了不适当的扩大其应用范围导致的某些问题 (2) 详述Latimer图^[35]、Froster图^[36]及Pourbaix图^{[37, 38]}三大电极电势图的绘制、特点和应用，展示了Froster图在解释同族或同周期元素氧化还原性递变规律中的作用，特别介绍了利用广义氧化还原反应绘制Pourbaix图的方法^[39] (3) 结合最新研究成果、科学发展和理论知识，介绍了电化学热力学知识在能源、环境、生物医药等方面的应用
4. 电解与电分析法简介 (1学时)	4.1 电解与电镀 4.1.1 电解 4.1.2 电镀 4.2 电分析方法简介 4.2.1 电解分析法 4.2.2 电解定律和电流效率 4.2.3 库仑分析法	(1) 线上Blackboard平台提供电解和电镀方面的示例和应用场景学习视频。针对于高中阶段电解和电镀方面的基础，可通过提问方式复习 (2) 重点：电解定律和电流效率 (3) 详细讲解放电顺序、分解电压、超电势及电解的相关计算等	(1) 增加了电解相关的研究进展和应用中存在的问题 (2) 渗透了将动力学因素表征为热力学数据校正值的思想^[40]
5. 化学电源简介 (1学时)	5.1 化学电源基本概念 5.1.1 化学电源的工作原理和组成 5.1.2 化学电源的分类 5.1.3 化学电源的性能指标 5.2 锌-锰电池 5.2.1 概述 5.2.2 锌-锰电池的电极反应 5.2.3 碱性锌-锰电池 5.2.4 锌-锰电池研究进展 5.3 铅酸电池 5.3.1 概述 5.3.2 铅酸电池的电极反应 5.3.3 铅酸电池研究进展 5.4 H₂-Ni电池 5.4.1 概述 5.4.2 H₂-Ni电池的电极反应 5.4.3 H₂-Ni电池的结构特点 5.4.4 H₂-Ni电池研究现状 5.5 锂离子电池 5.5.1 锂离子电池的工作原理及性能特点 5.5.2 锂离子电池的结构及材料 5.5.3 聚合物锂离子电池 5.6 燃料电池 5.6.1 燃料电池概述 5.6.2 燃料电池的特点及分类 5.6.3 燃料电池的关键材料与部件 5.6.4 质子交换膜燃料电池 5.6.5 其他燃料电池体系简介 5.6.6 燃料电池新研究	(1) 线上Blackboard平台提供若干实用电池介绍相关的视频 (2) 熟悉化学电源的基本原理，了解化学电源的分类 (3) 线下课堂重点讲解锂离子电池和燃料电池 (4) 本部分内容整体属于知识扩充。课后安排引导学生自主学习，并在辅导课上汇报进行问题研讨和交流展示	(1) 系统阐述了实现化学能向电能转变必须满足的条件以及如何按照工作性质和储存方式对化学电源进行分类 (2) 注重归纳整合，从化学电源的各性能参数诸如电池内阻、开路电压、工作电压、电池容量、电池功率、储存性能、电池寿命等有序介绍各种电池^[41]，帮助学生了解电池的性能和指标，便于类比和对比，明确每种电池的优缺点 (3) 集结了电池材料的最新研究成果，特别突出了我国科学家的贡献
	专题讲座与沙龙2： “解密”2019年诺贝尔化学奖——锂电池与锂离子电池的前世今生	(1) 线上Blackboard平台提供素材自学。可作为学生课后研究小论文的选题素材：新能源与锂离子电池 (2) 课堂适当融入	(1) 完善知识体系，扩大学生的知识面 (2) 凸显最新前沿
6. 电化学应用简介 (1.5学时)	6.1 元素的电化学提取 6.1.1 非金属元素的提取 6.1.2 金属元素的提取 6.2 电化学腐蚀与防护 6.2.1 腐蚀的倾向和腐蚀电池 6.2.2 电化学保护和应用 6.3 电化学有机合成 6.3.1 电化学有机合成的反应 6.3.2 电化学有机合成的技术 6.4 电催化和光电催化基础 6.4.1 电催化基础 6.4 2光电催化基础	(1) 线上Blackboard平台提供学习视频：电催化分解水、电化学提取元素、电化学腐蚀与防护的示例和应用场景 (2) 线下课堂：电催化和光电催化属于知识扩充，知识范围跨度宽。重点讲授相关概念，电化学在元素提取、防腐和电催化分解水的应用等原理和应用举例 (3) 课后安排与基本概念有关的问题，引导学生自主学习。并在辅导课上进行交流展示	(1) 扩充电解在工业领域应用中存在的问题，并在此基础上归纳其共性问题 (2) 增加了金属纯化和富集 (3) 加固了电化学腐蚀和防腐的基础知识，增加了应用场景和案例 (4) 在电催化有机合成的反应基础上^[42]，增加了合成技术和思路(此部分涉及有机化学知识，可供感兴趣的学生课外阅读) (5) 将光电催化和电催化^{[43, 44]}的知识进行融合讲解
	专题讲座与沙龙3：电解水析氢反应的原理、测试和性能	线上Blackboard平台提供参考资料，课堂融入原理。辅导课上重点讲解测试和性能描述	结合电催化和光电催化相关内容阐述“碳达峰”和“碳中和”的时代背景、指导意义和未来框架
其他教学环节	实验：原电池的组装以及电极电势的影响因素(Mlabs移动虚拟实验室+线下) 辅导课第1学时：重点讲解形式电荷的概念与应用辅导课第2学时：氢燃料电池发展与研究进展、常见电池电极材料的发展等进行问题研讨和交流展示辅导课第3学时：学生分组进行课程小论文“新能源与锂离子电池”汇报展示辅导课第4学时：专题讲座与沙龙：电催化水分解析氢反应的原理、测试和性能辅导课第5学时：课后习题处理、问题分析与研讨课外要求：绘制本章思维导图

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