黃國勇，屈辰瑋，王春霞

摘? ?要：基于新工科和素質(zhì)教育理念的大背景，文章對“新能源材料設(shè)計與制備”這門研究生課程的教改情況進行分析，并主要從課程建設(shè)、教育教學模式及課程評價體系三個部分展開討論。通過優(yōu)化課程教學目標，完善課程教學資源，采用多媒體輔助式教學、研討式教學、案例教學和翻轉(zhuǎn)課堂等多種方式相結(jié)合的教學新模式，開發(fā)多元化的教學評價體系，為激發(fā)學生的學習興趣、提高學生的實踐創(chuàng)新能力、取得良好的實踐教學效果奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：新工科;混合式教學;新能源材料設(shè)計與制備課程;教學改革

中圖分類號：G642.0? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? 文章編號：1002-4107（2022）04-0001-03

基于國家戰(zhàn)略發(fā)展新需求、國際競爭新形式、立德樹人新要求而提出的“新工科”概念，是我國高等工程教育改革的重要方向[1-2]?，F(xiàn)代工科教育教學改革要圍繞“新理念、新結(jié)構(gòu)、新模式、新質(zhì)量、新體系”開展[3]。當下，人類生產(chǎn)生活和經(jīng)濟發(fā)展都離不開能源，能源消耗正高速增長，能源危機已迫在眉睫，新能源與新能源材料的出現(xiàn)則是破解能源危機和資源短缺問題的金鑰匙[4]。我國自2011年開始設(shè)立新能源專業(yè)，研究開發(fā)新能源材料、加工技術(shù)及其相關(guān)新能源器件，培養(yǎng)新能源領(lǐng)域的專業(yè)人才。新能源材料是一個內(nèi)容廣泛，與材料學、化學、能源動力等多學科交叉融合的學科，此專業(yè)的開設(shè)既是對這些傳統(tǒng)學科的資源整合，又給新能源材料領(lǐng)域?qū)I(yè)人才培養(yǎng)提出了新的挑戰(zhàn)。

一、課程介紹

“新能源材料設(shè)計與制備”是材料科學與工程、新能源科學與工程學科及儲能科學與工程領(lǐng)域的重要基礎(chǔ)課程，其主要是研究在氫能、太陽能、核能等新能源的轉(zhuǎn)化利用過程中所使用的關(guān)鍵材料、器件的設(shè)計與制造的一門課程，重點介紹了新一代高性能綠色能源材料的設(shè)計制備，包括動力電池材料、太陽能電池材

料、鋰離子電池材料、燃料電池材料等。隨著時代的快速發(fā)展以及國家對新能源領(lǐng)域高素質(zhì)人才需求的快速增長，“新能源材料設(shè)計與制備”課程引起了教育工作者的高度關(guān)注和重視，對應(yīng)課程的教學改革也在火熱開展。

二、“新能源材料設(shè)計與制備”課程體系優(yōu)化

“新能源材料設(shè)計與制備”是一門理論性和實踐性都很強的基礎(chǔ)課程，教學過程應(yīng)結(jié)合學科專業(yè)特點與發(fā)展前沿，豐富完善課程內(nèi)容，激發(fā)學生對此課程的學習熱情，使學生掌握新能源材料的基礎(chǔ)知識、設(shè)計結(jié)構(gòu)和基本制備方法，培養(yǎng)學生掌握鋰離子電池、燃料電池以及其他新能源材料設(shè)計制備所需的專業(yè)技能。在“新工科建設(shè)”理念大背景下，為了促進多學科交叉交融、多主體參與，適應(yīng)新能源產(chǎn)業(yè)所需復合型優(yōu)秀創(chuàng)新人才培養(yǎng)需求，“新能源材料設(shè)計與制備”課程的課程設(shè)置、知識構(gòu)架、教學方法和課程評價等方面均需進行新的調(diào)整、新的探索和新的變革。

（一）優(yōu)化教學目標

“新能源材料設(shè)計與制備”課程主要涉及材料、新能源、儲能和化學等學科，面向材料加工、新能源材料、儲能等專業(yè)的學生授課。課程改革的建設(shè)目標始終與中國石油大學（北京）“培養(yǎng)厚基礎(chǔ)、寬專業(yè)、強能力、高素質(zhì)的優(yōu)秀專門人才和創(chuàng)新人才”的培養(yǎng)目標相呼應(yīng)：一是讓學生扎實掌握各種新能源材料設(shè)計與制備的基礎(chǔ)知識，更好地了解新能源、新材料領(lǐng)域的發(fā)展趨勢，為將來解決實際工程問題奠定基礎(chǔ)。二是提高學生的實踐能力和分析、解決問題的能力，通過課程改革調(diào)動學生的學習自主性和積極性，加強其理論聯(lián)系實際的能力，為新能源材料行業(yè)培養(yǎng)和輸送基礎(chǔ)扎實、動手能力強的高水平專業(yè)型人才。三是培養(yǎng)學生創(chuàng)新精神和科學探究能力，拓寬學生視野和知識面，為國家和社會培養(yǎng)視野開闊、勇于探索且富有創(chuàng)新精神的研究型人才。

（二）豐富教學內(nèi)容

教學內(nèi)容建設(shè)是進行課程改革的基礎(chǔ)，要求精簡和更新課程內(nèi)容、設(shè)計優(yōu)化課程組織構(gòu)架，授課過程應(yīng)緊密結(jié)合現(xiàn)代社會和科技發(fā)展趨勢，在夯實學生理論基礎(chǔ)的同時切實提高實踐能力?！靶履茉床牧显O(shè)計與制備”課程主要講授太陽能電池材料、鋰離子電池材料、燃料電池材料及其他新能源材料等內(nèi)容，宏觀來說主要包括新能源材料、器件設(shè)計與制備兩部分。前一部分是各種新能源材料的基本結(jié)構(gòu)、 儲能機理以及相關(guān)器件工作原理等理論知識，在課程內(nèi)容設(shè)置過程，要考慮到學生前期學習的基礎(chǔ)，若學生認為學起來枯燥，應(yīng)適當縮減涉及交叉學科專業(yè)內(nèi)容。例如：在講授太陽能電池材料時，考慮到學生個體差異性，教師可詳細講述太陽能電池材料的結(jié)構(gòu)和類型、太陽能電池材料產(chǎn)業(yè)分布現(xiàn)狀以及我國光伏發(fā)電技術(shù)發(fā)展和面臨的難題，而對于光伏發(fā)電技術(shù)所涉及到的光學、半導體物理、固體物理等專業(yè)性比較強的知識，則可只做簡單介紹，不進行深入探討。后一部分主要講授各類新能源材料器件的設(shè)計、制備過程，具有較強的實踐性，傳統(tǒng)書本教學原理生產(chǎn)實踐不便學生理解，在課程設(shè)置時應(yīng)充分利用互聯(lián)網(wǎng)課程資源及高校實驗室教學條件，增加必要的實踐環(huán)節(jié)。例如：在講授鋰離子電池材料選擇與制備時，結(jié)合筆者在鋰離子電池方面的課題研究，鼓勵學生到實驗室參觀甚至參與到相關(guān)課題的研究中，使學生能夠直觀地感受電池材料的制備過程，對課程內(nèi)容有更深入的理解。

（三）新增教材編訂

新能源作為一個新興專業(yè)，未來的發(fā)展趨勢一片向好，我國已有不少高校開設(shè)了新能源專業(yè)，而與此同時，相關(guān)教學課程建設(shè)以及相關(guān)教學參考書滯后等問題亟須解決。在以往的“新能源材料設(shè)計與制備”授課中發(fā)現(xiàn)：現(xiàn)有的相關(guān)教材和專業(yè)書籍一般都側(cè)重于基本原理的介紹，缺乏對相關(guān)技術(shù)具體應(yīng)用的深入探討，該領(lǐng)域的學術(shù)前沿和研究熱點問題的探討更是匱乏，與課程匹配度較低，不足以讓學生掌握所學內(nèi)容的來源和適用邊界，這無疑增加了“新能源材料設(shè)計與制備”課程建設(shè)的難度。為了契合“新能源材料設(shè)計與制備”的授課，筆者根據(jù)多年授課經(jīng)驗，在課程講義的基礎(chǔ)上，結(jié)合近年來的新能源材料領(lǐng)域前沿熱點問題，通過教學實踐反饋，完成了相關(guān)參考教材的編寫工作。筆者在不改變傳統(tǒng)授課邏輯和知識結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，重點補充了對典型案例的分析，增加了對領(lǐng)域前沿研究熱點的介紹。

三、“新能源材料設(shè)計與制備”課程教學方式的改革探索

“新能源材料設(shè)計與制備”課程涉及的領(lǐng)域廣泛、教學知識點較多，且課程內(nèi)容難度適當，更適合靈活多樣的教學方法。在教學過程中，除了傳統(tǒng)的課堂講授方法外，還結(jié)合了多媒體輔助式、案例式、研討式、翻轉(zhuǎn)課堂等多種授課方式。

（一）課程教學新模式的應(yīng)用

1.智慧教學。在“互聯(lián)網(wǎng)+”的時代潮流下，引入多媒體輔助教學是進行課程建設(shè)的重要手段。在課程建設(shè)中，探索并實施了基于云平臺和精品資源共享的新型開放互動式教學模式[5]。筆者以多年授課經(jīng)驗、豐富教學資源為基礎(chǔ)，依托網(wǎng)絡(luò)平臺技術(shù)構(gòu)建了一個集數(shù)字化、多元化、立體化于一身的線上學習空間，通過技術(shù)手段進行知識點優(yōu)化，并實現(xiàn)了模塊化建設(shè)。網(wǎng)絡(luò)教學資源的使用實現(xiàn)了課堂上的圖、文、聲、視頻并茂，開發(fā)了豐富的多媒體課件，使學生可隨時進入網(wǎng)絡(luò)課堂進行在線自主學習，有助于深入了解教學內(nèi)容。

2.引入案例式教學。案例式教學旨在打破教學之間“你講我聽”的模式，教師通過對典型案例的分析，引導學生獨立思考、互動或討論，從而開闊思路、學以致用。筆者在講授氫燃料電池章節(jié)時，重點講授燃料電池的發(fā)展、類型、工作原理等基礎(chǔ)知識，并結(jié)合科研前沿引入氫燃料電池汽車的案例，從燃料電池汽車工作原理展開，重點介紹燃料電池汽車的重要部件及關(guān)鍵技術(shù)，再引出氫氣加注站、氫燃料電池汽車的優(yōu)勢及氫燃料電池汽車的發(fā)展難點問題，通過理論聯(lián)系實際，開闊學生視野，引導學生將所學基礎(chǔ)知識運用到實際工業(yè)生產(chǎn)中，培養(yǎng)其工程意識，提高學生發(fā)現(xiàn)問題、思考問題和解決問題的能力。

3.研討式互動教學。改變以往“教師教、學生學”的被動灌輸式學習方式，采用研討式的教學方式，搭建以學生為中心，教師為主導的課堂。具體的執(zhí)行方式是專題講座訓練。查閱文獻、撰寫研究報告、學術(shù)匯報是研究生培養(yǎng)過程中的必要環(huán)節(jié)。筆者根據(jù)課程重點內(nèi)容結(jié)合領(lǐng)域內(nèi)前沿熱點問題設(shè)置了系列專題，學生可以結(jié)合自己的研究方向和興趣進行選擇，完成綜述并進行分享，同時對完成質(zhì)量做一定要求：要求學生查閱調(diào)研近五年內(nèi)發(fā)表的高水平文章，報告內(nèi)容須體現(xiàn)學生自己的思考與見解;對報告格式做明確詳細的規(guī)范要求，如中英文摘要和關(guān)鍵詞、引文標注、圖表規(guī)范等，以培養(yǎng)其科學嚴謹?shù)目蒲兴仞B(yǎng);根據(jù)報告與授課內(nèi)容的匹配，讓學生在對應(yīng)章節(jié)授課時進行專題分享，如在鋰離子電池材料章節(jié)，應(yīng)詳細講出鋰離子電池的發(fā)展現(xiàn)狀、基本原理及相關(guān)產(chǎn)業(yè)技術(shù)概況，然后圍繞當前鋰離子電池材料研究的重難點問題（如鋰離子電池新型正極材料的開發(fā)、電解液及負極材料的發(fā)展等）做探討，活躍學生思維。

4.翻轉(zhuǎn)課堂。翻轉(zhuǎn)課堂即把課堂交給學生，顛覆?“課上學習、課后消化”的傳統(tǒng)教學模式，采用“課前學習、課上內(nèi)化”的新方式，教師在課前準備豐富合理的教學資源，讓學生得以在課前進行充分的學習，課堂上教師不再進行基礎(chǔ)知識的講授，而是通過師生互動解答學生在學習過程中遇到的重難點問題，對學生進行針對性輔導，激發(fā)他們的主觀能動性，提高學習效率。這種授課方式對于教學內(nèi)容難度不大、知識點繁多的課程尤為適用，比如：二次電池章節(jié)內(nèi)容，所授內(nèi)容多與學生本科階段所學習的電化學知識相關(guān)聯(lián)，學習難度較低。筆者在講授時采用翻轉(zhuǎn)課堂模式，構(gòu)建課程資源庫，督促學生進行充分的課前自主學習，課上僅對重難點知識進行點撥并對學生學習過程中遇到的問題進行解答。實踐效果表明學生的學習效果良好，對該章節(jié)內(nèi)容的掌握也達到了課程預期目標。但是翻轉(zhuǎn)課堂也有其限制性，實現(xiàn)翻轉(zhuǎn)課堂的前提是有能力進行翻轉(zhuǎn)。一是要求教師付出更多的精力和時間去構(gòu)建完善的課程資源庫，充分了解學生的前期學習情況，并根據(jù)學生整體情況合理調(diào)整課程資源，基礎(chǔ)詳盡又突出重點。對于太陽能電池材料、鋰離子電池材料、燃料電池材料等涉及前沿領(lǐng)域、課程內(nèi)容難度較高的章節(jié)則不適用這種模式。二是要求學生有能力，翻轉(zhuǎn)課堂中更多的是學生自主學習，要求學生有主動學習的自律能力和會學習的自主能力。實踐表明大多數(shù)學生可以很好地完成課前學習內(nèi)容，但仍有部分學生未養(yǎng)成良好的學習習慣，這需要教師在翻轉(zhuǎn)課堂“課前學習”階段進行適當?shù)母深A，督促輔助學生認真完成課前學習內(nèi)容。

5.實踐教學。探索從理論到實踐、以實踐促研究的“三位一體”的授課方式。課堂知識講授難以實現(xiàn)培養(yǎng)基礎(chǔ)堅實、動手能力強的高水平專業(yè)型人才的教學改革目標。必須加強課程的教學實踐環(huán)節(jié)，筆者嘗試從加強實驗教學到加強實踐教學：為學生提供教學實驗室，在當前的課堂授課環(huán)節(jié)中設(shè)置開放性實驗題目并給出參考資料，讓學生自主選擇，一般4～6人為一組，由學生合作完成設(shè)計方法和技術(shù)路線，并開展實驗，包括極片制備、電解液調(diào)配、電池組裝、電化學測試等，實驗結(jié)束后，學生對數(shù)據(jù)進行分析處理并撰寫實驗報告。這種授課方式使學生的學習不再局限于書本知識，有利于激發(fā)學生的科研興趣，提高學生的動手能力和團隊協(xié)作能力，極大地培養(yǎng)了學生的設(shè)計創(chuàng)新能力。

（二）課程考核方法的改革

培養(yǎng)符合“新工科建設(shè)”所需的優(yōu)秀創(chuàng)新復合型人才，課程考核評價機制也應(yīng)與時俱進，采用多元化的考核評價體系。以考核課程大綱內(nèi)容、核心知識點為前提，注重對學生學習過程的評價，融入對學生課程知識的運用能力以及科技創(chuàng)新能力的考察，筆者主要從兩方面改革：一是在平時的作業(yè)、期末考試的試卷中，適當縮減客觀題的比例，設(shè)計更多可展現(xiàn)學生思考和知識運用能力的綜合性題目。二是調(diào)整考核比重，多元化考核體系更能調(diào)動學生學習的主動性和積極性，更符合素質(zhì)教育的要求。筆者在考核實踐中，采用“平時成績+期中（實踐）成績+期末成績”的模式進行考核，比重分配為30%、20%、50%。其中，平時成績由60%出勤率、20%課程互動、20%課后作業(yè)組成。期中（實踐）成績有文獻調(diào)研進行課堂展示和綜合實驗撰寫實驗報告兩種方式，學生可以根據(jù)自己的時間和興趣進行自主選擇。文獻調(diào)研進行課堂展示要求學生參考不少于15篇中英文高水平文章，完成研究報告并進行PPT匯報，此方法可以有效鍛煉學生的文獻調(diào)研和語言表達能力。綜合實驗撰寫實驗報告要求學生根據(jù)命題調(diào)研設(shè)計合理實驗方案并獨立進行實驗、數(shù)據(jù)處理與分析和完成實驗報告，此方法可以鍛煉學生的創(chuàng)新設(shè)計和動手能力。采用這種考核評價機制貫穿整個教學流程，可以對學生實現(xiàn)公正、客觀和科學的評價，夯實學生理論基礎(chǔ)知識的同時提高學生的科學研究素養(yǎng)。

“新能源材料設(shè)計與制備”課程注重理論聯(lián)系實際，響應(yīng)“新工科建設(shè)”和素質(zhì)教育理念，致力于培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和實踐能力的優(yōu)秀復合型人才，教學改革初步探索中完善優(yōu)化了課程教學目標及內(nèi)容，采用智慧教學、翻轉(zhuǎn)課堂、案例式、研討式等多種教學形式相結(jié)合的教學模式，構(gòu)建了多元化教學評價體系，并取得了良好的實踐反饋?！靶履茉床牧显O(shè)計與制備”課程將在現(xiàn)有的改革成果和實施路線的基礎(chǔ)上，進一步深入優(yōu)化課程教學改革，力求打造一門高質(zhì)量、高標準、高水平的課程，為后續(xù)新工科課程教學改革提供經(jīng)驗。

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