工業(yè)4.0背景下“化學(xué)電源工藝學(xué)”課程基于研究能力訓(xùn)練為目標(biāo)的調(diào)研式學(xué)習(xí)實(shí)踐與創(chuàng)新

葛 翔

（貴州大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，貴州 貴陽 550025）

引言

工業(yè)4.0是以智能傳感系統(tǒng)及物聯(lián)網(wǎng)為技術(shù)基礎(chǔ)，以制造業(yè)的信息化、數(shù)字化及智能化為特征的工業(yè)革命過程［1-2］，其發(fā)展推動(dòng)力在于一系列廣泛的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)及生產(chǎn)需求演化，其應(yīng)用方面的需求特征包括縮短開發(fā)周期、個(gè)人按需定制化、生產(chǎn)柔性化、為快速滿足需求而去中心化、資源利用高效化等。在此背景下，新能源技術(shù)（尤其是電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)）的硬件和軟件快速迭代，對從業(yè)人員的研究能力提出了較高的要求［3-4］。以國內(nèi)鋰離子電池的龍頭企業(yè)“寧德時(shí)代”為例，其包括工藝工程師在內(nèi)的研發(fā)崗招聘要求應(yīng)聘者擁有碩士學(xué)位，同時(shí)國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域頂尖高校課題組在研究生招生復(fù)試方面也相當(dāng)注重考查學(xué)生的研究背景及潛力。

“化學(xué)電源工藝學(xué)”課程是筆者在貴州大學(xué)材料與冶金學(xué)院新能源系開設(shè)的本科生專業(yè)課程，該課程圍繞電化學(xué)能源器件及系統(tǒng)開展教學(xué)，其內(nèi)容包括電化學(xué)、熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)方面的理論基礎(chǔ)，以及一次及二次電池、燃料電池、超級(jí)電容器、液流電池等化學(xué)電源工作機(jī)制及制作方法等知識(shí)。盡管化學(xué)電源應(yīng)用廣泛，但工業(yè)4.0背景下該領(lǐng)域技術(shù)快速發(fā)展，傳統(tǒng)教學(xué)方法及教材內(nèi)容難以為學(xué)生在畢業(yè)升學(xué)及就業(yè)方面提供足夠的競爭力［5］，進(jìn)一步致使學(xué)生對課程學(xué)習(xí)缺乏興趣。因此，在“化學(xué)電源工藝學(xué)”課程中以訓(xùn)練學(xué)生對新能源領(lǐng)域的研究能力為目標(biāo)進(jìn)行教學(xué)改革具有相當(dāng)?shù)谋匾院途o迫性。本文介紹筆者在貴州大學(xué)新能源系開展的以學(xué)生研究能力訓(xùn)練為目標(biāo)，以調(diào)研式學(xué)習(xí)方式為主的教學(xué)改革實(shí)踐，其主要方法是以三人為小組擬定課題展開調(diào)研，以課堂PPT展示及論文寫作為主要評(píng)分依據(jù)。該翻轉(zhuǎn)課堂式教學(xué)方法的順利推進(jìn)依賴于有序的課前準(zhǔn)備，包括最初兩周課程教師需對學(xué)生進(jìn)行的數(shù)據(jù)調(diào)研及整理的教學(xué)訓(xùn)練，提供明確的日程表，以及翻轉(zhuǎn)課堂后的分析反饋。該教學(xué)改革得到學(xué)生較多的反饋，其對本科生的研究能力提升明顯，以2019年入學(xué)的能科191班學(xué)生為例，該班學(xué)生基于課程學(xué)習(xí)初步掌握了新能源領(lǐng)域的研究方法，在后續(xù)校內(nèi)科研訓(xùn)練項(xiàng)目中表現(xiàn)優(yōu)異。2022年該班學(xué)生預(yù)期可產(chǎn)出4篇新能源領(lǐng)域的SCI論文，其中兩篇論文已發(fā)表且影響因子均在4以上［6-7］，屬于較為優(yōu)秀的研究成果，而本校往屆新能源系本科生均未曾有SCI論文發(fā)表經(jīng)歷。該成績說明“化學(xué)電源工藝學(xué)”基于研究能力訓(xùn)練為目標(biāo)的教學(xué)改革成效顯著，為本科生升學(xué)及就業(yè)提供了較強(qiáng)的競爭力。

一、學(xué)科前沿快速迭代與“化學(xué)電源工藝學(xué)”課程目前教學(xué)體系的矛盾

（一）工業(yè)4.0背景下新能源技術(shù)的快速迭代對從業(yè)人員的研究能力提出更高要求

以智能傳感系統(tǒng)及物聯(lián)網(wǎng)為技術(shù)基礎(chǔ)的工業(yè)4.0產(chǎn)業(yè)革命帶動(dòng)了一系列生產(chǎn)過程的自動(dòng)化和定制化。我國近年來推行了包括“新工科”等教育改革舉措，以主動(dòng)應(yīng)對新一輪科技革命［8］。以電池為代表的化學(xué)電源作為生產(chǎn)生活中廣泛應(yīng)用的能源技術(shù)，在近年來技術(shù)迭代迅猛，其中動(dòng)力電池技術(shù)指標(biāo)中包括的能量密度、循環(huán)壽命、充放電倍率等快速提升，電池技術(shù)進(jìn)步為以電動(dòng)車為代表的高端應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，這些電池技術(shù)指標(biāo)的快速提升主要依賴于電池材料科學(xué)的發(fā)展。以鋰離子電池技術(shù)為例，早在20世紀(jì)90年代初第一代以鈷酸鋰作為正極的鋰離子電池就實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化并迅速占領(lǐng)了移動(dòng)電子市場，至今30年的發(fā)展過程中，涌現(xiàn)出了以三元層狀氧化物為代表的新材料技術(shù)及以比亞迪“刀片電池”為代表的封裝技術(shù)，化學(xué)電源行業(yè)發(fā)展過程中要求從業(yè)者解決一系列研究類問題，技術(shù)研發(fā)過程不僅需要從業(yè)者掌握相關(guān)的化學(xué)、材料、電力電子、機(jī)械的基礎(chǔ)知識(shí)，同時(shí)需要具備解決未知問題所需的調(diào)研、研究計(jì)劃、實(shí)驗(yàn)執(zhí)行及數(shù)據(jù)分析的能力。對于本科生課堂教學(xué)，其內(nèi)容對學(xué)生未來競爭力提升程度極大地決定了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動(dòng)性，因此“化學(xué)電源工藝學(xué)”的課程設(shè)置中引入研究能力訓(xùn)練環(huán)節(jié)具有必要性和鮮明的時(shí)代背景。

（二）當(dāng)前教學(xué)大綱知識(shí)體系及教學(xué)模式陳舊

“化學(xué)電源工藝學(xué)”課程的內(nèi)容主要包括電化學(xué)理論基礎(chǔ)，以及多種類型化學(xué)電源的工作機(jī)制及制作工藝等內(nèi)容。在大多數(shù)教材中，不同類型的電池工藝部分占據(jù)了高于80%的篇幅。然而，由于該領(lǐng)域的快速發(fā)展，大部分類型的電池已逐漸被淘汰，傳統(tǒng)的課堂基于教師講授的教學(xué)方式對于學(xué)生來說吸引力匱乏，學(xué)生普遍認(rèn)為這部分知識(shí)應(yīng)用概率較小，即使未來有所需要，通過查詢的方式補(bǔ)充相關(guān)知識(shí)更為合適。因此，課堂教學(xué)質(zhì)量欠佳。此外，對于不同教師而言，因受限于教師本人的研究經(jīng)驗(yàn)和經(jīng)歷，其對部分教學(xué)內(nèi)容的理解未必深刻獨(dú)到，在該部分內(nèi)容的講授過程中僅能做到按照教材教授，導(dǎo)致課堂教學(xué)質(zhì)量良莠不齊。在互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代眾多優(yōu)質(zhì)網(wǎng)課的競爭下，學(xué)生容易對課程意義產(chǎn)生懷疑，進(jìn)而在課堂上難以集中注意力，進(jìn)一步降低了教學(xué)質(zhì)量。因此，“化學(xué)電源工藝學(xué)”課程有必要進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容和模式的改革以使得課程教學(xué)更加科學(xué)和高效，尤其是針對該課程教學(xué)大綱中大部分關(guān)于較為過時(shí)的電池技術(shù)工藝流程及技術(shù)細(xì)節(jié)部分內(nèi)容，不宜通過教師講授這一單一的教學(xué)途徑開展教學(xué)，該部分內(nèi)容通過學(xué)生調(diào)研并形成綜述論文及學(xué)術(shù)匯報(bào)等成果，預(yù)期可取得更好的教學(xué)成效。

（三）缺失合理的考核評(píng)分機(jī)制

“化學(xué)電源工藝學(xué)”課程的教學(xué)質(zhì)量成效在部分院校仍然缺乏科學(xué)有效的評(píng)估手段，多數(shù)開設(shè)“化學(xué)電源工藝學(xué)”課程的教師仍然依賴于期末卷面筆試的方式對學(xué)生進(jìn)行評(píng)估。盡管考試分?jǐn)?shù)可以在一定程度上反映學(xué)生的理論知識(shí)掌握程度，但仍然較難反映學(xué)生對專業(yè)知識(shí)和技術(shù)能力的綜合理解及掌握程度，尤其是難以考查學(xué)生在該領(lǐng)域技術(shù)快速迭代的背景下的對前沿知識(shí)的研究能力?？紤]到該課程教材內(nèi)容大部分篇幅著重于介紹不同類型的化學(xué)電源工藝細(xì)節(jié)，試卷設(shè)置上難免會(huì)出現(xiàn)過多的機(jī)械記憶內(nèi)容，如考查名詞解釋、過時(shí)技術(shù)的細(xì)節(jié)參數(shù)等。考試形式容易影響學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，并進(jìn)一步阻礙學(xué)生自主學(xué)習(xí)以及在后續(xù)課程中的順利銜接?；诖爽F(xiàn)狀，有必要設(shè)立更加科學(xué)的考核評(píng)估機(jī)制，充分展現(xiàn)學(xué)生對該專業(yè)的掌握程度及應(yīng)用能力。

二、“化學(xué)電源工藝學(xué)”調(diào)研式學(xué)習(xí)實(shí)踐方式與成效

（一）基于研究能力訓(xùn)練為目的的調(diào)研式學(xué)習(xí)實(shí)踐

為應(yīng)對工業(yè)4.0背景下產(chǎn)業(yè)智能化趨勢對新能源專業(yè)培養(yǎng)學(xué)生提出的研究素質(zhì)需求，本課程針對“化學(xué)電源工藝學(xué)”內(nèi)容中不同種類的化學(xué)電源部分知識(shí)內(nèi)容設(shè)置了分組調(diào)研的學(xué)習(xí)形式。經(jīng)過教學(xué)實(shí)踐，教師應(yīng)當(dāng)注重以下教學(xué)環(huán)節(jié)，以確保該教學(xué)形式高效開展。首先在開學(xué)前建立班級(jí)群通知學(xué)生以三人為一組組隊(duì)，提前醞釀組隊(duì)意向，開學(xué)第一節(jié)課著重介紹行業(yè)發(fā)展趨勢，同時(shí)強(qiáng)調(diào)就業(yè)及升學(xué)過程中研究能力的重要性，在課堂上凝聚共識(shí)提高學(xué)生對分組調(diào)研式學(xué)習(xí)的認(rèn)同度和積極性，同時(shí)根據(jù)當(dāng)年班級(jí)規(guī)模公布14至18個(gè)調(diào)研課題供學(xué)生分組選擇。對于選題過程，采用學(xué)生優(yōu)先選擇，后續(xù)課代表搖隨機(jī)數(shù)進(jìn)一步匹配課題的方式，提高學(xué)生的參與度與積極性。在三人一組的分組中，一人擔(dān)任隊(duì)長，同時(shí)設(shè)置了“匯報(bào)人”“寫作者”及“數(shù)據(jù)檢索”三項(xiàng)任務(wù)，由組員分別承擔(dān)，其中隊(duì)長需兼任三項(xiàng)任務(wù)中的一項(xiàng)而非僅承擔(dān)小組領(lǐng)導(dǎo)工作。該設(shè)置的主要目的在于提高學(xué)生的普遍參與度，防止分組學(xué)習(xí)過程中出現(xiàn)一人承擔(dān)所有工作而其余組員搭便車的情況。對于“數(shù)據(jù)檢索”任務(wù)，要求學(xué)生通過查閱專業(yè)文獻(xiàn)，尤其是近五年的外文文獻(xiàn)，了解學(xué)科前沿；對于“匯報(bào)人”，每組預(yù)留20分鐘以翻轉(zhuǎn)課堂的形式進(jìn)行調(diào)研結(jié)果匯報(bào)；對于“寫作者”，需以綜述類研究論文標(biāo)準(zhǔn)撰寫調(diào)研論文。調(diào)研成績的打分將考慮各種因素進(jìn)行賦分（圖1），既考慮團(tuán)隊(duì)調(diào)研結(jié)果質(zhì)量的綜合評(píng)定，又根據(jù)學(xué)生在調(diào)研過程中承擔(dān)的任務(wù)不同而對各類調(diào)研成果給予不同的賦分權(quán)重。此外，考慮到本科生研究經(jīng)驗(yàn)較為薄弱，第一組進(jìn)行匯報(bào)的學(xué)生通常調(diào)研質(zhì)量較低，因此為第一組進(jìn)行少量的難度系數(shù)加分。

圖2 2021年度“化學(xué)電源工藝學(xué)”各匯報(bào)小組成績

為使分組調(diào)研有序高效地進(jìn)行，在教學(xué)日程設(shè)計(jì)上，首先需要將第一組匯報(bào)的時(shí)間點(diǎn)安排在第三教學(xué)周以后，讓學(xué)生有至少兩周的時(shí)間開展調(diào)研及準(zhǔn)備，同時(shí)在前兩周的課程內(nèi)容上，除了第一節(jié)課通過介紹學(xué)科發(fā)展凝聚同學(xué)對調(diào)研式學(xué)習(xí)方式的認(rèn)可，后續(xù)需用約六個(gè)課時(shí)的時(shí)間分別介紹學(xué)術(shù)調(diào)研方法、學(xué)術(shù)寫作及學(xué)術(shù)匯報(bào)技巧，該部分的學(xué)習(xí)應(yīng)讓學(xué)生了解學(xué)術(shù)期刊及學(xué)術(shù)論文發(fā)表的科技史、學(xué)術(shù)論文檢索方法、采集數(shù)據(jù)及圖表設(shè)計(jì)、學(xué)術(shù)論文管理軟件、演講技巧等內(nèi)容，為學(xué)生調(diào)研式學(xué)習(xí)提供有序推進(jìn)學(xué)習(xí)進(jìn)度的方法。

（二）調(diào)研匯報(bào)質(zhì)量反饋及成效評(píng)估

考慮到本科生參與調(diào)研式學(xué)習(xí)的經(jīng)驗(yàn)不足，在學(xué)習(xí)過程中，針對學(xué)生調(diào)研整理的寫作及匯報(bào)資料及時(shí)進(jìn)行評(píng)估反饋及案例分析尤為重要，準(zhǔn)確的調(diào)研質(zhì)量分析對后續(xù)學(xué)生的調(diào)研式學(xué)習(xí)過程具有極大的幫助。根據(jù)2021年度“化學(xué)電源工藝學(xué)”分組調(diào)研成績記錄顯示，每周課堂時(shí)間可允許兩組學(xué)生匯報(bào)課題調(diào)研結(jié)果，在第一周的兩組學(xué)生完成匯報(bào)后，教師匯總學(xué)生調(diào)研匯報(bào)過程中出現(xiàn)的問題，并在第二周的課堂上為全班展示案例分析結(jié)果，對調(diào)研過程中出現(xiàn)的檢索資料不夠前沿、寫作過程中存在抄襲、匯報(bào)過程中存在圖表繪制質(zhì)量不佳等問題進(jìn)行展示。第三周起始的匯報(bào)小組調(diào)研成績明顯提高，學(xué)生認(rèn)識(shí)到了前面小組匯報(bào)的錯(cuò)誤并加以修正。因此，在調(diào)研式學(xué)習(xí)的過程中，教師及時(shí)準(zhǔn)確地匯總、分析，并展示學(xué)生調(diào)研匯報(bào)中存在的問題，對后續(xù)學(xué)生的學(xué)習(xí)質(zhì)量提升有明顯的效果。

目前，基于研究能力訓(xùn)練為目標(biāo)的“化學(xué)電源工藝學(xué)”調(diào)研式學(xué)習(xí)方式在學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力方面提升明顯，學(xué)生課堂參與度及學(xué)習(xí)興趣相比傳統(tǒng)教師講授方式明顯提高，在后續(xù)學(xué)生參與學(xué)校的學(xué)術(shù)競賽等活動(dòng)中，指導(dǎo)教師均反映學(xué)生研究基礎(chǔ)較好，尤其是2019年入學(xué)的能科191班學(xué)生在2022年已取得較好的研究成果，并撰寫和發(fā)表了學(xué)術(shù)論文，為即將面臨的升學(xué)和就業(yè)提升了競爭力。

結(jié)語

工業(yè)4.0背景下化學(xué)電源技術(shù)快速迭代對專業(yè)學(xué)生的研究能力提出了較高的要求，針對本科生研究能力訓(xùn)練的目標(biāo)，本文介紹了“化學(xué)電源工藝學(xué)”調(diào)研式學(xué)習(xí)的實(shí)踐與探索。為實(shí)現(xiàn)調(diào)研式學(xué)習(xí)的有序高效進(jìn)行，教師需在教學(xué)日程安排上為學(xué)生進(jìn)行充分的文獻(xiàn)調(diào)研，學(xué)術(shù)寫作及學(xué)術(shù)匯報(bào)訓(xùn)練，并及時(shí)對學(xué)生的調(diào)研成果進(jìn)行匯總、分析及問題指正。該教學(xué)方式對學(xué)生學(xué)術(shù)研究能力訓(xùn)練成效明顯，學(xué)生在后續(xù)的學(xué)術(shù)競賽及科研訓(xùn)練中成果豐碩。因此，調(diào)研式學(xué)習(xí)模式有望在其他類似課程中得到推廣并實(shí)踐。