“雙碳”背景下新能源相關(guān)專業(yè)的物理化學(xué)課程改革探索

＊尹成杰

（安徽理工大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院 安徽 232001）

引言

近年，國(guó)家能源局提出了“雙碳計(jì)劃”，即中國(guó)力爭(zhēng)2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和，為實(shí)現(xiàn)此計(jì)劃，國(guó)家大力布局低碳排放、清潔的新型能源[1]。特別是電化學(xué)能源，得到飛躍式地發(fā)展，因此，國(guó)家對(duì)新能源相關(guān)的人才需求日益迫切。特別是對(duì)于通過(guò)大學(xué)學(xué)習(xí)，掌握新能源專門知識(shí)的高級(jí)人才的需求更為迫切[2]。因此，教育部在近十年里設(shè)置了一些與新能源有關(guān)的本科和研究生專業(yè)，如新能源材料與器件、新能源化學(xué)工程、新能源科學(xué)與工程專業(yè)、儲(chǔ)能科學(xué)與工程等[3]。

物理化學(xué)是新能源相關(guān)專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程。該課程是借助物理和數(shù)學(xué)的相關(guān)知識(shí)，探索化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中變化的一門學(xué)科。通過(guò)介紹化學(xué)反應(yīng)熱力學(xué)、化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、反應(yīng)歷程、電化學(xué)、膠體化學(xué)等內(nèi)容，探究化學(xué)反應(yīng)變化的基本規(guī)律，可以從理論的角度解決科學(xué)研究和生活生產(chǎn)中的問(wèn)題。近年來(lái)，高校開(kāi)設(shè)了與新能源有關(guān)的本科專業(yè)，物理化學(xué)是該類專業(yè)學(xué)生掌握新能源相關(guān)理論知識(shí)、材料制備及器件裝備的基礎(chǔ)[4]。因此，針對(duì)新能源專業(yè)需求，對(duì)物理化學(xué)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法等環(huán)節(jié)進(jìn)行改革，將有利于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，快速掌握物理化學(xué)相關(guān)知識(shí)。

1.物理化學(xué)教學(xué)在新能源交叉學(xué)科教學(xué)中存在的問(wèn)題

物理化學(xué)課程理論性強(qiáng)，公式多，知識(shí)點(diǎn)之間聯(lián)系強(qiáng)，計(jì)算復(fù)雜，需要教授的知識(shí)點(diǎn)多，實(shí)際課時(shí)非常少。因此，使該課程成為大學(xué)中有名的難懂、難學(xué)課程，且由于缺少課堂上的相關(guān)習(xí)題講解，使學(xué)生的考試通過(guò)率普遍偏低。使得他們?cè)趯W(xué)習(xí)過(guò)程中容易產(chǎn)生厭煩、抵觸的情緒。另外，學(xué)好物理化學(xué)需要的基礎(chǔ)較高，是基于大學(xué)化學(xué)、高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理等知識(shí)之上。由于各專業(yè)的課程培養(yǎng)方案和各課程之間的差異，各自為教，造成一些基礎(chǔ)課和專業(yè)選修課之間存在內(nèi)容重復(fù)不協(xié)調(diào)的現(xiàn)象。在沒(méi)有相關(guān)基礎(chǔ)下，進(jìn)行教學(xué)是違背了教學(xué)的循循漸進(jìn)原則[5]。

其次是考核方式過(guò)于單一、傳統(tǒng)，使學(xué)生的學(xué)習(xí)能動(dòng)性降低。首先，由于各個(gè)高校的主干課程和考試時(shí)間安排都集中于學(xué)期末的一周內(nèi)，使得學(xué)生沒(méi)有充分的復(fù)習(xí)時(shí)間。其次，傳統(tǒng)的卷面考試形式，不能更好地體現(xiàn)出學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握，尤其應(yīng)用程度，與新能源相關(guān)專業(yè)的要求有一定的差距。缺乏實(shí)踐性的考核內(nèi)容，學(xué)生的專業(yè)應(yīng)用能力柔和度差，缺乏創(chuàng)新性培養(yǎng)，學(xué)生實(shí)際掌握程度與目標(biāo)達(dá)成度有一定的差距[6]。

2.教學(xué)體系與教學(xué)內(nèi)容探索

在新能源相關(guān)專業(yè)課程培養(yǎng)方案中有明確要求學(xué)生要掌握一定的化學(xué)知識(shí)，要重點(diǎn)學(xué)習(xí)反應(yīng)熱力學(xué)與電化學(xué)相關(guān)的知識(shí)，是新能源專業(yè)學(xué)好后續(xù)的專業(yè)課的必要保障。如何將物理化學(xué)與新能源專業(yè)的培養(yǎng)有機(jī)結(jié)合，形成特色的教學(xué)體系與教學(xué)內(nèi)容是十分必要的，也是對(duì)專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)和畢業(yè)要求達(dá)成的有力支撐。根據(jù)新能源專業(yè)學(xué)生的自身需要，對(duì)現(xiàn)有教學(xué)體系和教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化，使學(xué)生在掌握基礎(chǔ)知識(shí)的同時(shí)，也能夠指導(dǎo)解決實(shí)際問(wèn)題和實(shí)踐，提高學(xué)生對(duì)新材料新器件的創(chuàng)造力。不同的專業(yè)和學(xué)科在對(duì)學(xué)生的教學(xué)內(nèi)容上側(cè)重點(diǎn)不同，教師在教學(xué)中也可根據(jù)培養(yǎng)目標(biāo)和方案進(jìn)行取舍和調(diào)整，獲取適合專業(yè)的課程體系。教學(xué)體系安排與學(xué)生的學(xué)習(xí)接受能力、學(xué)習(xí)興趣與主動(dòng)性、知識(shí)的系統(tǒng)性能夠緊密地結(jié)合起來(lái)，將為新能源專業(yè)的物理化學(xué)課程改革提供實(shí)踐教學(xué)的載體[7]。

從一個(gè)化學(xué)反應(yīng)的系統(tǒng)性來(lái)看，要了解反應(yīng)過(guò)程，首先要利用熱力學(xué)知識(shí)了解其反應(yīng)可能性與方向，及必要的熱力學(xué)數(shù)據(jù)，然后分析其動(dòng)力學(xué)反應(yīng)歷程，利用電化學(xué)的知識(shí)判斷其在新能源中的應(yīng)用前景等。這些知識(shí)點(diǎn)既是物理化學(xué)的基本教學(xué)內(nèi)容，也是新能源專業(yè)的理論知識(shí)儲(chǔ)備需要，可以為制備新材料及器件提供相關(guān)的理論技術(shù)支撐，因此，在物理化學(xué)課程的教學(xué)體系安排中，應(yīng)將新能源與各個(gè)體系知識(shí)之間串聯(lián)起來(lái)。在化學(xué)反應(yīng)熱力學(xué)知識(shí)點(diǎn)時(shí)，加入新能源器件如電池中的熱力學(xué)參數(shù)獲取及與性能之間的關(guān)系，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。在化學(xué)動(dòng)力學(xué)上，加入電化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)等知識(shí)，與電化學(xué)知識(shí)聯(lián)合，與鋰離子電池、燃料電池、水系儲(chǔ)能電池、超級(jí)電容器等關(guān)聯(lián)。在教師的引導(dǎo)下，安排學(xué)生計(jì)算其中一種新能源器件的熱力學(xué)、電化學(xué)和動(dòng)力學(xué)參數(shù)，使物理化學(xué)知識(shí)滲透到新能源專業(yè)的材料制備、器件組裝等專業(yè)研究中，增強(qiáng)學(xué)生的專業(yè)歸屬感、認(rèn)同感。

目前物理化學(xué)課程的理論學(xué)時(shí)一般在60～80時(shí)之間，因此，根據(jù)學(xué)時(shí)可以選擇天津大學(xué)物理化學(xué)教研室和清華大學(xué)朱文濤教授等分別出版的《物理化學(xué)簡(jiǎn)明教程》，該書將復(fù)雜難懂的統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)和量子力學(xué)等章節(jié)刪除，內(nèi)容也淺顯易懂、較為系統(tǒng)化，適合工科專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)?？偟膶?nèi)容分成膠體與界面、化學(xué)熱力/動(dòng)力學(xué)、相圖與電化學(xué)、氣體與化學(xué)勢(shì)四個(gè)模塊，可以減少內(nèi)容的重復(fù)教學(xué)、知識(shí)點(diǎn)之間聯(lián)系加強(qiáng)，有利于學(xué)生更好地學(xué)習(xí)。以建立新能源專業(yè)的物理化學(xué)課程教學(xué)體系與內(nèi)容，并與相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合，使學(xué)生學(xué)習(xí)情況與培養(yǎng)方案達(dá)成一致性[8]。

3.教學(xué)方式、方法改革

為了充分發(fā)揮教師的主導(dǎo)地位，要求授課教師必須具有扎實(shí)的專業(yè)素養(yǎng)和良好的職業(yè)道德，具備對(duì)教學(xué)內(nèi)容的深入研究和靈活使用各種教學(xué)手段的能力。在教學(xué)方式和方法的選擇上也需要根據(jù)不同的專業(yè)要求及學(xué)生基本情況，進(jìn)行實(shí)時(shí)的調(diào)整，轉(zhuǎn)變單一課堂的教學(xué)方式。教學(xué)方式和方法改革主要有以下幾點(diǎn)體會(huì)：

(1)重視課堂導(dǎo)入，激發(fā)學(xué)生興趣

課程的導(dǎo)入在傳統(tǒng)教學(xué)中所占的比例非常小，或者不講。但課程的導(dǎo)入可以凝練出課程的問(wèn)題點(diǎn)、應(yīng)用領(lǐng)域、課程特點(diǎn)等，可以極大地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。物理化學(xué)是一門理論性強(qiáng)的課程，很多內(nèi)容原理都比較抽象、枯燥乏味，如果按照傳統(tǒng)的教學(xué)方式進(jìn)行組織教學(xué)，很難達(dá)到理想的教學(xué)效果。在課堂導(dǎo)入部分，可以采用生活及工業(yè)中的實(shí)例，作為知識(shí)的切入點(diǎn)，讓學(xué)生了解知識(shí)的實(shí)用性，及在相關(guān)應(yīng)用中存在的問(wèn)題，帶著這些問(wèn)題，培養(yǎng)學(xué)生的啟發(fā)性教育。通過(guò)這些的行業(yè)背景及問(wèn)題的導(dǎo)入，將極大地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，開(kāi)拓學(xué)生的專業(yè)視野，及對(duì)該課程的理解程度，為后續(xù)的理論學(xué)習(xí)打下良好的教學(xué)基礎(chǔ)。

(2)改進(jìn)教學(xué)方法，鼓勵(lì)學(xué)生參與

教學(xué)方法的改革主要是將傳統(tǒng)的滿堂灌、教師一個(gè)人表演的方式打破，要充分發(fā)揮學(xué)生的積極性、參與度、多啟發(fā)性教學(xué)等。一方面課堂教學(xué)多用啟發(fā)式教學(xué)法，通過(guò)問(wèn)答的形式，引入教學(xué)目標(biāo)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、提高課堂參與度。因此，要求授課教師在備課時(shí)，設(shè)置一些合適的問(wèn)題，通過(guò)實(shí)時(shí)的向?qū)W生提問(wèn)，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考和主動(dòng)學(xué)習(xí)的能力。實(shí)現(xiàn)教師為主導(dǎo)、學(xué)生為教學(xué)主體的互動(dòng)模式，促進(jìn)教學(xué)質(zhì)量的提高；在充分發(fā)揮學(xué)生的參與度上，可以將“翻轉(zhuǎn)課堂”引入教學(xué)中，通過(guò)讓學(xué)生查閱相關(guān)課題的最新研究成果，并讓其上臺(tái)講解，分組討論，最后教師對(duì)學(xué)生的匯報(bào)情況進(jìn)行點(diǎn)評(píng)，并對(duì)重要的知識(shí)進(jìn)行補(bǔ)充，使學(xué)生真正的參與到教學(xué)過(guò)程中；用好第二課堂的學(xué)習(xí)，將無(wú)法在課堂上講授的知識(shí)，放入第二課堂中。讓學(xué)生自主學(xué)習(xí)，然后教師通過(guò)微信、QQ群及課間時(shí)間等，對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況和遇到的問(wèn)題進(jìn)行詳細(xì)地解答，作為課堂教學(xué)的重要補(bǔ)充，以解決課時(shí)不足的問(wèn)題及培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)性[9]。

(3)多種教學(xué)手段相結(jié)合，幫助學(xué)生好學(xué)

多媒體教學(xué)可以很好地與第二課堂進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，借助一些網(wǎng)絡(luò)在線學(xué)習(xí)平臺(tái)，將多媒體課件上傳，供學(xué)生自主學(xué)習(xí)，是對(duì)課堂教學(xué)的補(bǔ)充；另外，可以將重要的例題進(jìn)行上傳，讓學(xué)生對(duì)自己的知識(shí)掌握情況進(jìn)行測(cè)試和鞏固。但多媒體教學(xué)也具有信息量大、色彩豐富、速度快等弊端，使學(xué)生的學(xué)習(xí)注意力難以集中。因此，在多媒體教學(xué)過(guò)程，遇到重要的理論知識(shí)概念和公式，一定要結(jié)合板書，在黑板上對(duì)推理過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)地講解。形成以多媒體教學(xué)為主體，板書作為補(bǔ)充的教學(xué)手段，是物理化學(xué)教學(xué)改革的重要內(nèi)容?？傊?，多媒體可以借助各種科技手段，豐富教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式、形象生動(dòng)的組織教學(xué)，但也有自己的弊端，因此，如何將多媒體教學(xué)與傳統(tǒng)板書進(jìn)行有機(jī)的結(jié)合，是理論型課程教學(xué)手段改革的重要方向[10]。

(4)課程內(nèi)容教學(xué)與教師科研相結(jié)合

傳統(tǒng)的物理化學(xué)課程內(nèi)容比較晦澀難懂，學(xué)生在聽(tīng)課時(shí)候，會(huì)感到枯燥乏味，且與實(shí)際應(yīng)用難以聯(lián)系。在教學(xué)改革中，教師可以將自己以及相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的最新科研成果穿插到課堂內(nèi)容教學(xué)中，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和熱情，同時(shí)也可以了解最新的研究成果。比如在電化學(xué)部分，可以將我國(guó)的能源戰(zhàn)略需求及電化學(xué)儲(chǔ)能與動(dòng)力汽車電池等知識(shí)融入到課程內(nèi)容中，不但可以讓學(xué)生知道國(guó)家的發(fā)展方向，還能將知識(shí)帶入到生活中。這也是我國(guó)教育部對(duì)教師的最新要求，要有機(jī)的將自己的科研成果與教學(xué)相融合。

4.參核評(píng)價(jià)體系改革

合理有效的評(píng)價(jià)體系可以幫助教師，反饋教學(xué)效果和學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，有利于對(duì)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式進(jìn)行適時(shí)的調(diào)整和改革。傳統(tǒng)的考核評(píng)價(jià)體系主體是學(xué)生，主要針對(duì)學(xué)生的知識(shí)掌握情況往往結(jié)果是比較片面的，所得的結(jié)果也無(wú)法準(zhǔn)確的反饋教學(xué)效果。我們嘗試通過(guò)三個(gè)方面對(duì)考核評(píng)價(jià)體系進(jìn)行改革，以獲得全面、準(zhǔn)確的考核結(jié)果。首先，改變考核方式，以期末考試為主體，在平時(shí)成績(jī)中增加第二課堂學(xué)習(xí)情況、小組討論與翻轉(zhuǎn)課堂表現(xiàn)等，增加學(xué)生關(guān)注相關(guān)行業(yè)的前沿動(dòng)態(tài)、發(fā)現(xiàn)問(wèn)題與解決問(wèn)題的能力等，加大對(duì)學(xué)生的平時(shí)學(xué)習(xí)表現(xiàn)考核力度。其次，增加對(duì)任課教師的考核，主要從兩個(gè)方面，一是增加學(xué)生對(duì)教師的教學(xué)進(jìn)行匿名評(píng)價(jià)，并提出改進(jìn)建議；二是每學(xué)期組織學(xué)院教學(xué)經(jīng)驗(yàn)豐富的教師聽(tīng)課，從任課教師的多媒體課件、任課態(tài)度、教案設(shè)計(jì)、教學(xué)過(guò)程、教學(xué)達(dá)成度等方面進(jìn)行點(diǎn)評(píng)，并將意見(jiàn)反饋給教師，提出改進(jìn)建議。最后，對(duì)期末考試的內(nèi)容進(jìn)行改革，在知識(shí)點(diǎn)的掌握情況上，分為了解、識(shí)記、掌握和綜合應(yīng)用四個(gè)層次，并與試題的難易程度聯(lián)系起來(lái)[11]。

5.結(jié)語(yǔ)

物理化學(xué)是一門重要的基礎(chǔ)課程，對(duì)學(xué)生后面相關(guān)專業(yè)課的學(xué)習(xí)起到承上啟下的作用，可以培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)歸屬感和認(rèn)同感。在實(shí)際的教學(xué)過(guò)程中，要緊扣“化學(xué)反應(yīng)熱力學(xué)-化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)-電化學(xué)-相圖-界面與膠體化學(xué)在新能源領(lǐng)域的應(yīng)用”教學(xué)體系，充分體現(xiàn)專業(yè)要求、特色、教學(xué)內(nèi)容的科學(xué)性、系統(tǒng)性和實(shí)用性等。通過(guò)教學(xué)改革與教學(xué)實(shí)踐，總結(jié)出符合新能源專業(yè)的物理化學(xué)課程，提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題、及創(chuàng)新實(shí)踐等專業(yè)水平素養(yǎng)，以取得良好的教書育人效果。