黃 洋，徐航天，雷 文

(南京林業(yè)大學(xué)理學(xué)院，江蘇 南京 210037)

進(jìn)入21世紀(jì)，以煤炭、石油、天然氣為代表的化石能源在推動(dòng)社會(huì)迅速發(fā)展的同時(shí)也給人類賴以生存的自然生態(tài)環(huán)境帶來了嚴(yán)重的危害。作為不可再生資源，化石能源儲(chǔ)量有限且日漸枯竭[1]。國際上圍繞化石資源的地緣政治博弈錯(cuò)綜復(fù)雜，資源輸送通道存在隱患。發(fā)展清潔可再生的新能源、培養(yǎng)新能源領(lǐng)域的技術(shù)型人才，是我國實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展和人才強(qiáng)國戰(zhàn)略的重要舉措。

在各種能量存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)化過程中，將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的系統(tǒng)被稱為電化學(xué)能源系統(tǒng)。這種新的能源體系具有高效率、低污染、長壽命、安全可靠等特征[2]。由于其符合可持續(xù)的高效能源發(fā)展模式，因此部分新能源系統(tǒng)業(yè)已在人類生產(chǎn)和生活中發(fā)揮關(guān)鍵作用。2019年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)?lì)C發(fā)給了對(duì)鋰電池開發(fā)和應(yīng)用做出杰出貢獻(xiàn)的三位科學(xué)家，這是對(duì)電化學(xué)新能源最充分的肯定。

研究表明，基于材料學(xué)的設(shè)計(jì)和制造對(duì)于顯著提升新能源體系性能起到了極為關(guān)鍵的作用。因此，立足于高等學(xué)校，培養(yǎng)大批具有新能源材料基礎(chǔ)和實(shí)踐能力的人才對(duì)于加速我國掌握能源核心技術(shù)、推動(dòng)能源產(chǎn)業(yè)自主創(chuàng)新、維護(hù)國家能源戰(zhàn)略安全等具有十分重要的意義。

本校所開設(shè)的《先進(jìn)電化學(xué)能源材料》課程涉及材料物理、材料化學(xué)、電化學(xué)等眾多學(xué)科，是一門多學(xué)科交叉型專業(yè)課程。由于課程知識(shí)覆蓋面廣、基本概念眾多，因此如何能在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)將課程內(nèi)容完整、清晰地向?qū)W生講授，讓學(xué)生感受到學(xué)習(xí)的意義和興趣，成為了擺在任課教師面前亟待解決的關(guān)鍵難題。

基于上述課程教學(xué)中出現(xiàn)的問題，本文結(jié)合筆者教學(xué)團(tuán)隊(duì)對(duì)《先進(jìn)電化學(xué)能源材料》課程教學(xué)改革的研究和實(shí)施，初步探討了該課程的理論教學(xué)方法、實(shí)踐學(xué)習(xí)方案、科研探索路徑、綜合考核辦法。結(jié)合本課程特色研究并制定了符合課程目標(biāo)計(jì)劃、面向工程研發(fā)應(yīng)用、聚焦科學(xué)前沿發(fā)展的教學(xué)改革實(shí)施方案。

1 理論教學(xué)

1.1 科學(xué)發(fā)展規(guī)律探索

在課程起始階段，任課教師應(yīng)緊密依據(jù)課程主題將新能源和電化學(xué)的發(fā)展簡史、應(yīng)用領(lǐng)域、學(xué)習(xí)方法等向?qū)W生進(jìn)行概述性的介紹。以關(guān)鍵人物為支點(diǎn)，以關(guān)鍵歷史事件為標(biāo)志，向?qū)W生介紹該學(xué)科領(lǐng)域的發(fā)展脈絡(luò)，讓學(xué)生領(lǐng)略電化學(xué)能源在推動(dòng)技術(shù)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步等方面所發(fā)揮的重要作用。從電化學(xué)開創(chuàng)者伽伐尼的“動(dòng)物電”事例作為起點(diǎn)，介紹電化學(xué)中電流、電解液、電極等基本概念；借助意大利物理學(xué)家伏打的電堆試驗(yàn)闡述電極電位、電位差、電壓等重要物理意義；通過戴維制備金屬鉀、鈉的實(shí)驗(yàn)介紹電解法在氧化/還原反應(yīng)中所占據(jù)的重要地位；在介紹法拉第的歷史貢獻(xiàn)時(shí)，可以將電解質(zhì)、離子、陰極、陽極等電化學(xué)儲(chǔ)能基本要素融入進(jìn)來。進(jìn)入20世紀(jì)，又可以穩(wěn)態(tài)/暫態(tài)電化學(xué)技術(shù)為分界點(diǎn)分成上、下兩個(gè)50年來介紹。20世紀(jì)上半葉德拜和休克爾提出了電解質(zhì)稀溶液理論和海洛夫斯基創(chuàng)立的極譜技術(shù)極大促進(jìn)了電化學(xué)在理論和實(shí)驗(yàn)技術(shù)上的發(fā)展。而20世紀(jì)下半頁古迪納夫和吉野彰關(guān)于鋰離子電池電極材料的設(shè)計(jì)工作則直接推動(dòng)了電化學(xué)新能源技術(shù)的市場化應(yīng)用。進(jìn)入新世紀(jì)，隨著資源和環(huán)境問題日漸嚴(yán)峻，科研人員把目光投向具有更高理論容量的電極材料和豐度較高的鈉離子/鉀離子儲(chǔ)能體系。而以燃料電池為代表的高能量轉(zhuǎn)化效率、低污染物排放能量轉(zhuǎn)化體系也獲得了極高的關(guān)注。

該階段授課過程應(yīng)該充分借助多媒體教學(xué)手段，利用圖片、視頻、演示動(dòng)畫等豐富的授課形式講述電化學(xué)能源在各個(gè)發(fā)展階段的重要人物和標(biāo)志性成果，同時(shí)注重調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。在電化學(xué)發(fā)展簡史的介紹中應(yīng)該重點(diǎn)突出該學(xué)科發(fā)展的規(guī)律性、階段性、必然性等。在對(duì)科學(xué)巨匠的介紹中應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)他們執(zhí)著于科學(xué)的精神、學(xué)習(xí)勇于創(chuàng)新的膽識(shí)，為培養(yǎng)學(xué)生養(yǎng)成良好的科研素養(yǎng)奠定基礎(chǔ)[3]。

1.2 課上-課下互補(bǔ)式教學(xué)

進(jìn)入真正的理論學(xué)習(xí)階段，按照教學(xué)大綱將每部分內(nèi)容以整體框架的形式依據(jù)教學(xué)計(jì)劃向?qū)W生進(jìn)行介紹。由于課時(shí)的限制，課堂中難以面面俱到地介紹所有知識(shí)點(diǎn)。在此，筆者采取課上-課下互補(bǔ)式的教學(xué)模式，將部分教學(xué)內(nèi)容留給學(xué)生課后自主學(xué)習(xí)。學(xué)生課后自學(xué)內(nèi)容并非隨意指定，而應(yīng)該與課堂學(xué)習(xí)內(nèi)容形成互補(bǔ)關(guān)系。一般可選擇兩次課程中的承上啟下部分。這樣既培養(yǎng)了學(xué)生的自學(xué)能力，同時(shí)督促學(xué)生養(yǎng)成課后復(fù)習(xí)和課前預(yù)習(xí)的好習(xí)慣。筆者在每次上課伊始會(huì)針對(duì)學(xué)生課后學(xué)習(xí)內(nèi)容進(jìn)行提問，并將結(jié)果列入考核范圍之中。將課后活動(dòng)作為課堂教學(xué)的延續(xù)，確保教學(xué)任務(wù)順利完成。

1.3 課堂教學(xué)形式豐富多樣

在理論教學(xué)過程中要注重將傳統(tǒng)教學(xué)手段與具有本課程特色的教學(xué)方法相互融合。盡管目前高校課堂教學(xué)中普遍采用播放課件幻燈片的形式，但是筆者認(rèn)為板書作為最為傳統(tǒng)的教學(xué)方式，有助于理清課堂教學(xué)的思路、有助于教師對(duì)授課內(nèi)容進(jìn)行提煉、有助于調(diào)整教學(xué)節(jié)奏并吸引學(xué)生的注意力。電化學(xué)和能源化學(xué)涉及眾多理論計(jì)算和公式推導(dǎo)，教師應(yīng)當(dāng)將重要的公式通過板書的形式進(jìn)行現(xiàn)場推導(dǎo)。這樣有助于學(xué)生理清計(jì)算公式的來龍去脈和物理內(nèi)涵，從而有助于學(xué)生在理解的基礎(chǔ)上加深記憶。在課堂教學(xué)中應(yīng)該將現(xiàn)代多媒體技術(shù)和傳統(tǒng)的板書教學(xué)模式交互使用，以實(shí)現(xiàn)最佳教學(xué)效果。

由于電化學(xué)新能源已經(jīng)廣泛應(yīng)用到日常生活中，因此理論教學(xué)環(huán)節(jié)還應(yīng)該與現(xiàn)實(shí)生活密切聯(lián)系。比如在講授鋰離子電池技術(shù)時(shí)，應(yīng)該聯(lián)系我們生活中的手機(jī)、筆記本電腦、電動(dòng)汽車等應(yīng)用實(shí)例[4]。讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到目前鋰離子電池容量問題是導(dǎo)致上述用電設(shè)備續(xù)航能力不足的主要原因。此外，將儲(chǔ)能技術(shù)中電流密度的概念同手機(jī)待機(jī)和打游戲過程進(jìn)行關(guān)聯(lián)、將冬季電動(dòng)車頻繁充電與離子低溫傳導(dǎo)動(dòng)力學(xué)相互聯(lián)系、將特斯拉電動(dòng)汽車自燃與電池組安全性相關(guān)聯(lián)等，這些生動(dòng)的案例有助于學(xué)生輕松理解并記憶課程基本概念，同時(shí)使學(xué)生認(rèn)識(shí)到該領(lǐng)域目前所面臨的現(xiàn)實(shí)困境及進(jìn)一步發(fā)展的重要意義。

2 產(chǎn)教融合

在產(chǎn)教融合、協(xié)同培養(yǎng)過程中應(yīng)根據(jù)新能源企業(yè)和高校雙方實(shí)際需求擬定合作開發(fā)課程。雙方互派專職人員成立課程組，校企應(yīng)給參與人以必要的政策傾斜保障其參與熱情。按照實(shí)踐教學(xué)計(jì)劃開展產(chǎn)教融合協(xié)同育人。校企雙方協(xié)商建章立制、規(guī)范管理，最終共享產(chǎn)教合作成果。該部分總體思路如圖1所示。

圖1 產(chǎn)教融合實(shí)施框架圖Fig.1 Framework graphic of the implementation ofproduction-education fusion

《先進(jìn)電化學(xué)能源材料》是一門與現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)和生活聯(lián)系極為密切的專業(yè)課程。因此，在實(shí)際教學(xué)過程中我們開創(chuàng)性的實(shí)施了產(chǎn)教融合、協(xié)同育人的教育教學(xué)模式。在向?qū)W生傳授知識(shí)的同時(shí)注重技能培養(yǎng)和創(chuàng)新意識(shí)的養(yǎng)成，同時(shí)助力人才培養(yǎng)鏈和產(chǎn)業(yè)鏈無縫對(duì)接，為企業(yè)發(fā)展提供人才保障[5]。

3 科研探索

考慮到本校相當(dāng)一部分本科生畢業(yè)后選擇進(jìn)入研究生階段繼續(xù)深造學(xué)習(xí)，加之新能源材料在基礎(chǔ)科研領(lǐng)域的發(fā)展日新月異[6]。筆者將新能源領(lǐng)域前沿學(xué)術(shù)探索融入到課程教學(xué)之中，以培養(yǎng)學(xué)生對(duì)關(guān)鍵科學(xué)問題的捕捉能力并初步培養(yǎng)其建立科學(xué)的思維方式。我們將根據(jù)不同新能源類型擬定若干研究主題，將學(xué)生分成幾個(gè)小組，每組任選一個(gè)主題。任課教師向每個(gè)小組發(fā)布前沿文獻(xiàn)資料。學(xué)生課后認(rèn)真研讀文獻(xiàn)，全面搜索相關(guān)領(lǐng)域的前沿進(jìn)展、科學(xué)難題、解決路徑等。最后以PPT的形式通過小型報(bào)告會(huì)向大家介紹自己的調(diào)研成果，并融合課程知識(shí)、結(jié)合個(gè)人見解進(jìn)行討論。這種教學(xué)形式使學(xué)生從講臺(tái)下走到講臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)了“教”與“學(xué)”角色上的互換。文獻(xiàn)閱讀能力和信息搜集與歸納總結(jié)恰恰是科研工作者最為基本的科研素養(yǎng)。該種教學(xué)模式突出了對(duì)學(xué)生自主探索能力的培養(yǎng)，同時(shí)也是對(duì)該課程理論教學(xué)的鞏固和升華[7]。

4 綜合考核

考核是檢驗(yàn)教學(xué)效果，評(píng)價(jià)課程目標(biāo)完成情況的重要手段。合理的考核方式不僅能夠充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，而且也是教學(xué)改革不可或缺的重要組成部分[8]。根據(jù)本課程的教學(xué)改革實(shí)施方案，筆者將綜合如下幾個(gè)方面對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)成效進(jìn)行考核評(píng)定。

4.1 期末理論成績

本課程采取以閉卷筆試答題作為主要的考核手段。筆試成績能夠最為直接的反映學(xué)生對(duì)于基本理論知識(shí)的掌握能力。此外，應(yīng)該將企業(yè)實(shí)踐活動(dòng)中所涉及的相關(guān)技術(shù)工藝、器件裝配等實(shí)訓(xùn)技能反映在考題之中。該部分以期末考試的形式進(jìn)行，約占總成績的40%。

4.2 平時(shí)表現(xiàn)成績

平時(shí)成績主要包含課堂出勤、課后作業(yè)、課堂提問作答等。該部分成績是學(xué)生學(xué)習(xí)態(tài)度和精神面貌的集中體現(xiàn)。該部分約占總成績的10%。

4.3 實(shí)踐教學(xué)成績

由校企雙方代表共同考察學(xué)生的實(shí)踐學(xué)習(xí)成效，主要以學(xué)習(xí)的過程性和結(jié)果性為考核內(nèi)容?？己藨?yīng)該涵蓋學(xué)生對(duì)企業(yè)規(guī)章制度的遵守、對(duì)基本原理的理解、對(duì)實(shí)踐技能的掌握、對(duì)研發(fā)項(xiàng)目的參與度和貢獻(xiàn)度等。該部分約占總成績的40%。

4.4 科研前沿探索成績

主要考察學(xué)生分小組科研探索的表現(xiàn)情況。通過PPT匯報(bào)考察學(xué)生對(duì)于文獻(xiàn)的閱讀理解能力和對(duì)于關(guān)鍵科學(xué)問題的捕捉和分析能力。重點(diǎn)考察學(xué)生結(jié)合課程理論知識(shí)對(duì)相關(guān)問題所發(fā)表的個(gè)人見解，及討論環(huán)節(jié)中是否條理清晰、邏輯嚴(yán)密。這部分考察環(huán)節(jié)是建立在基礎(chǔ)理論之上的科學(xué)探索和科學(xué)思維活動(dòng)，反映學(xué)生對(duì)課程知識(shí)的運(yùn)用能力和縝密思辨的能力。該部分約占總成績的10%。

5 結(jié) 語

《先進(jìn)電化學(xué)能源材料》這門課程的開設(shè)旨在為我國新能源材料開發(fā)、能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)調(diào)整、健全能源保障體系培養(yǎng)具備扎實(shí)理論功底、擁有豐富實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)、能夠獨(dú)立創(chuàng)新思考的新時(shí)代工程技術(shù)人員和科學(xué)研究人員。筆者系統(tǒng)調(diào)研了國內(nèi)高校相關(guān)課程教學(xué)的經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合本校專業(yè)設(shè)置和學(xué)生培養(yǎng)的特色，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)模式、教學(xué)理念等若干層面對(duì)本課程進(jìn)行了教育教學(xué)改革的初步嘗試。教學(xué)改革的目的在于提高學(xué)生掌握知識(shí)、運(yùn)用知識(shí)、整合知識(shí)、更新知識(shí)的能力。在未來的教學(xué)實(shí)踐中，筆者將繼續(xù)在教程編排、校外實(shí)訓(xùn)基地建設(shè)、科技查新等環(huán)節(jié)上進(jìn)一步探索和實(shí)踐，通過本課程教學(xué)讓學(xué)生在知識(shí)和能力上獲得全面提升。