以知識內(nèi)容的內(nèi)在聯(lián)系為主線構建“能源材料”課程教學新體系*

陸振歡 曾 強 彭 寧 溫玉清

（桂林理工大學化學與生物工程學院 廣西桂林 541004）

能源是促進經(jīng)濟快速發(fā)展的關鍵因素，因此能源材料的發(fā)展代表著未來人類社會經(jīng)濟發(fā)展趨勢。能源材料是能源、材料、化工等相關專業(yè)學生學習的一門重要技術基礎知識課程，是能源與材料學科的交叉分支和重要研究方向，屬于“新工科”建設內(nèi)容，課程內(nèi)容的前沿性特點突出。該課程內(nèi)容涉及范圍非常廣，這就極大地提高了教學難度，難以取得較好教學質量。

“能源材料”課程內(nèi)容主要包括：原子電子相關理論及其對能源相關材料性能的影響、能源相關材料的實際應用、各種能量轉換和儲能裝置的基本運作原理及影響其性能的因素和優(yōu)化方法。這門課將化學物理基礎知識與生活中常見的能源裝置聯(lián)系起來，是由理論到實際的橋梁，在能源化工、材料、環(huán)境等“新工科”領域的人才培養(yǎng)體系中起到銜接作用。如此重要的課程，應如何把它建好，一直以來都是各高等院校和同行教師們所關注的重點。

該課程內(nèi)容體現(xiàn)了“金課”三大特征：高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度。課程要求背景知識全面，縱向和橫向的跨度大，從微觀原子電子開始，擴展到宏觀材料、最后整合進行能源應用，體現(xiàn)了鮮明的高階性；課程涉及內(nèi)容繁雜，各章節(jié)的獨立性非常強，需要學生具備一定的思考和想象能力才能理解，具有明顯的挑戰(zhàn)度；課程前沿性特點突出，新能源的研發(fā)日新月異，需要學生具備緊跟前沿、自主探索的能力，突出了創(chuàng)新性。

一言概之，“新工科”建設背景下，“能源材料”課程的最大現(xiàn)實問題是：如何將課程內(nèi)容進行有機結合，提高教學效果，而有效地培養(yǎng)學生運用知識主動進行創(chuàng)新探索的能力。

一、研究現(xiàn)狀分析

經(jīng)過調研，大部分設置能源與其他學科交叉專業(yè)的高校已經(jīng)開設了能源材料專業(yè)核心課程。但是目前國內(nèi)外的“能源材料”課程教學體系尚未完全成熟，還沒有受到普遍認可的教材，研究成果非常少，仍然屬于探索階段。

大部分院校開設的實際上是新能源材料及器件課程。課程內(nèi)容比較簡單，或者僅僅集中一部分，要么主講材料，要么主講新能源器件制備技術。對于知識理論和學生能力培養(yǎng)的銜接并沒有太多深入，使得知識體系出現(xiàn)斷層，對學生優(yōu)化能源相關器件的能力培養(yǎng)不足。

少部分重點院校將多門教材資源整合，探索構建體系較為完整的從微觀到宏觀、再到能源器件性能的“能源材料”課程。但課程涉及內(nèi)容較多，前沿性特點突出，教學難度較大，如何將課程內(nèi)容進行有機結合而有效地培養(yǎng)學生運用知識創(chuàng)新的能力，這一課題依然在探索和研究中。

模架預壓卸載標準壓重穩(wěn)定標準為1 mm/d，預壓持荷時間不少于7 d或者連續(xù)3 d沉降量應小于1mm。當模架出現(xiàn)不均勻沉降、變形移位等異常情況時，應立即向專職安全管理人員匯報，馬上停止施工，讓施工人員盡快撤至安全地帶。

為了適應新時期、新形勢的需要，在“新工科”建設背景下，開展“能源材料”課程教學體系、理論與實踐教學方法和教學模式的教學改革勢在必行。

二、課程建設思路

為了以學生為中心，優(yōu)化課程內(nèi)容，提高教學效果，本文研究探討了通過一條形象化的主線“原子、電子移動”將課程的內(nèi)容有機結合起來，圍繞學習為中心，構建出更加完備、科學合理的“能源材料”課程教學新體系；在此基礎上，可以充分采用多樣化的教學方法、教學手段和先進教學理念，將枯燥的理論原理圖案化形象化，使學生更易理解，從而提高教學效果和質量；圍繞主線解釋能源應用及影響因素，圍繞學生為中心，用激發(fā)引導的方式培養(yǎng)學生探索研究思維，有利于提高學生的創(chuàng)新能力培養(yǎng)質量。最終，為將該課程建設成為“新工科”一流課程提供一種思路。

三、主要研究內(nèi)容

針對“新工科”建設中學科交叉專業(yè)課程“內(nèi)容繁雜且獨立性強，教學難度大，而且前沿性強，須培養(yǎng)學生自主探索能力”的問題，課程建設研究需要深入發(fā)掘課程內(nèi)容的內(nèi)在聯(lián)系，利用其打破不同章節(jié)內(nèi)容之間的壁壘，建立一個可視的圖案化動態(tài)化課程教學體系，探索形象化教學新模式，使學生掌握原理和應用背后的科學機制，為學生自主研究探索打下堅實的認知基礎，提高創(chuàng)新能力培養(yǎng)效果。

經(jīng)過研究探討，“能源材料”課程所有內(nèi)容都可以概括為“原子、電子移動狀態(tài)變化”，理解并掌握了這點就相當于學通了這門課程。本文以此為主線，研究探討重新整合課程內(nèi)容構建教學新體系；探索通過形象化教學，培養(yǎng)學生對該主線（即課程內(nèi)容的內(nèi)在聯(lián)系）的認知；最后，引導學生根據(jù)“原子、電子移動狀態(tài)變化”去認知實際能源應用，培養(yǎng)自主研究探索能力。主要內(nèi)容分以下三個部分：

（一）通過一條形象化的主線“原子、電子移動”將課程的內(nèi)容有機結合起來，構建合理的“能源材料”課程教學新體系

本課程的所有內(nèi)容可分為三個部分：原子電子、材料、能源應用。其中，原子電子相關原理描述了原子電子的移動狀態(tài)過程；原子電子的動與靜態(tài)過程決定了材料的性質；材料的性質決定能源裝置制備方法，原子電子移動狀態(tài)過程決定了能源裝置的運作原理和性能優(yōu)劣。要培養(yǎng)學生在能源領域的研究創(chuàng)新能力，就相當于要求學生理解原子、電子的移動相關的原理，從而令他們掌握優(yōu)化能源裝置性能的知識和技術，最終引導他們獨立思考并進行研究創(chuàng)新工作。因此，本文研究采用形象化的“原子、電子移動”作為主線將課程的內(nèi)容有機結合起來，構建合理的“能源材料”課程教學新體系。

原子電子、材料、能源應用的相關理論知識非常多，講解和學習難度都很大。因此需要有所取舍，最科學的方法是將其中與能源相關聯(lián)的理論知識篩選出來，然后將這些知識根據(jù)關聯(lián)的緊密程度進行分級，再根據(jù)這個分級來構建課程教學體系。其中知識理論分為三級：（1）核心知識：直接描述原子、電子移動各種動和靜狀態(tài)的理論知識；（2）支撐知識：與核心知識互為支撐或引申，或是能得出核心知識的原始理論；（3）相關概念：一些對原子、電子移動有貢獻的效應或概念。

掌握了核心知識，就能在學生的思維中建立起一個類似世界觀的完整體系，猶如宇宙中各類星體的運行一樣，原子電子在其中的移動都符合相應的規(guī)則，從而使課程內(nèi)容生動起來。支撐知識和相關概念將幫助學生理解影響這些規(guī)則的因素和調整優(yōu)化方法，因此能培養(yǎng)學生研究創(chuàng)新的能力。

（二）探索將理論原理圖案化形象化，提高教學效果

上述研究建立課程教學體系，將核心主線確定為“原子、電子移動”這樣一個形象化的動態(tài)過程，目的就是將理論原理進行圖案化形象化。其中核心知識部分都直接對應著原子、電子移動的規(guī)則，因此這部分的知識能進行圖案化形象化的教學，使其成為一塊塊拼圖，最終拼成學生思維中的原子、電子移動世界觀體系。

本課程中，大部分原子電子和材料部分內(nèi)容是學生在其他前置課程中學習過的，對相關理論已有一定的基礎，這是本文可以進行知識點篩選拆分重組的基礎。本文最主要的內(nèi)容是篩選出這類核心知識，結合多種現(xiàn)代化的教學方式，探索將原理理論進行圖案化形象化的教學，從而使學生能將邏輯和想象力結合在一起用于學習，最終提高教學質量效果。

支撐知識是與核心知識緊密聯(lián)系的部分，這部分會涉及一些很難理解也很難教的理論。因學時有限，可以在保證使學生理解核心知識的基礎上，再引申擴展到支撐知識的學習，使學生有所了解，具備在需要應用這些理論時能進行自學的認知基礎。由此，降低學習難度，保障學生的學習興趣。

相關概念是比較零散，但是卻對能源應用過程有重要影響的效應或現(xiàn)象。這部分也需要進行對應于原子、電子移動的圖案化形象化教學探索，但在教學時需要與能源應用的微觀粒子移動過程結合起來，從而有利于學生理解影響能源裝置性能的因素。

（三）探索圍繞“原子、電子移動”主線展現(xiàn)能源應用原理及其影響因素的教學方式，培養(yǎng)學生研究創(chuàng)新能力

探索為學生構建了“原子、電子移動”的世界觀體系后，將光電轉換過程、充放電過程、光催化過程等能源裝置運作的機制用“原子、電子移動”形象化地展現(xiàn)給學生，再詳細分解這些過程，結合多種教學方式介紹影響每個過程的因素和調整方法。由此，培養(yǎng)學生未來在能源行業(yè)中進行研究創(chuàng)新的能力。

支撐知識是與核心知識互為支撐或引申，或是能得出核心知識的原始理論，即這部分是如何調整“原子、電子移動”過程的理論基礎。在教學過程中，需要進行合理的設計，引導學生思考如何進行調整而優(yōu)化能源裝置運作的機制過程，從而引導學生自主回顧或自學支撐知識。由此，培養(yǎng)學生的思考探索能力。

四、課程內(nèi)容分級教學模式

本文通過知識理論的篩選拆分重組，將課程內(nèi)容分成原子電子、材料、能源應用這三大部分。將與能源相關聯(lián)的理論知識篩選出來，然后根據(jù)與主線“原子、電子移動”關聯(lián)的緊密程度進行分為三級：核心知識、支撐知識、相關概念。

核心知識均為直接描述原子、電子移動各種動和靜狀態(tài)的理論知識。這部分是課程重點學習內(nèi)容，其每一個理論知識就像拼圖一樣，拼成一個完整的原子、電子移動世界觀體系。這些內(nèi)容都可以用動畫的形式表述出來。因此在教學過程中，本文將結合多種現(xiàn)代教學手段，將其轉化為形象化的圖案和動畫，結合講解，大大提高了學習的趣味性，也更利于學生理解，提高教學效果。

支撐知識是與核心知識互為支撐或引申，或是能得出核心知識的原始理論。這部分是比較難理解也難講解的內(nèi)容，繁多且雜。本文將在學生理解核心知識的基礎上，再引申擴展出支撐知識，用以點破面的方式，打破學習難度。但這部分并不會一一詳細地講解，達到學生具備一定的認知基礎即可，主要目的是使學生具備在須應用到這些理論時能進行自學的能力。由此，降低學習難度，保障學生的學習興趣和熱情。

相關概念是一些對原子、電子移動狀態(tài)有正或負面影響的效應，或與材料和能源應用性能相關的重要概念。這部分知識點可能會比較零散，但基本上都會跟原子、電子移動狀態(tài)或這些狀態(tài)改變造成的結果有關，而且普遍與能源裝置性能有關，因此本文可以將其與原子、電子移動的動態(tài)過程結合，進行圖案化形象化教學，從而提高教學效果。

在實際授課過程中，先為學生構建了“原子、電子移動”的世界觀體系后，將光電轉換過程、充放電過程、光催化過程等能源裝置運作的機制用“原子、電子移動”形象化地展現(xiàn)給學生；再詳細地分解這些過程，結合多種教學方式引導學生主動思考影響每個過程的因素，通過合理設計引導學生自主深入學習支撐知識和相關概念，從中尋找調整這些過程的方法；最后輔助學生探索優(yōu)化能源裝置性能的技術。

這樣根據(jù)教學內(nèi)容進行三段式教學，著重培養(yǎng)學生掌握課程內(nèi)容的內(nèi)在聯(lián)系；在此基礎上，才能以點破面地突破章節(jié)內(nèi)容獨立性強的教學難點；再根據(jù)內(nèi)在聯(lián)系引導學生引申理解實際應用，從而提高學生自主研究探索的能力。由此，優(yōu)化課程內(nèi)容的設置，突破教學難點，提高教學質量效果。最終，達到培養(yǎng)學生的思考和創(chuàng)新能力，大大提高學生未來在能源行業(yè)中的競爭力。

結語

本文研究探討了通過對學科交叉的“能源材料”課程教學體系進行合理的設計，構建圍繞形象化的主線“原子、電子移動”開展三段式教學的新模式。新課程教學體系將融合先進的教育技術，打破課程知識內(nèi)容繁雜、教學過程枯燥無味，不利于學生理解學習的狀況；教學過程中，采用探究性互動式，引導學生將實際與微觀粒子運動有機結合，以培養(yǎng)他們發(fā)現(xiàn)問題解決問題的復雜思維能力，從而清除“知識到能力培養(yǎng)”的銜接斷層。

最終，建設“新工科”背景下的能源材料金課，通過該課程的學習，使學生掌握自主認知和思考的基礎，培養(yǎng)學生自主追蹤科學前沿的認知能力，以應對當今新時代日新月異的發(fā)展，達到提高培養(yǎng)學生思考研究探索能力的目的，有效地滿足社會對人才質量日益提高的要求。