“雙碳”背景下新能源化工技術(shù)案例教學(xué)探索與實踐

［摘 要］目前化工類專業(yè)課程更傾向于理論學(xué)習(xí)，教學(xué)方法和手段較為落后，忽視了實踐環(huán)節(jié)以及教學(xué)價值引導(dǎo)。在“雙碳”背景下，昆明理工大學(xué)根據(jù)化學(xué)工程與工藝專業(yè)的人才培養(yǎng)特點，結(jié)合云南新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，建立了基于“雙碳”目標(biāo)的新能源化工技術(shù)案例教學(xué)的資源庫。該案例教學(xué)將思政元素與化工新能源專業(yè)知識交叉融合，構(gòu)建了多環(huán)節(jié)的課程考核體系，采用探索、實踐、啟發(fā)式教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行探索式與個性化學(xué)習(xí)。改革后的新能源化工技術(shù)課程提高了化工專業(yè)學(xué)生的實踐能力、工程思想和創(chuàng)新意識，培養(yǎng)了適應(yīng)云南產(chǎn)業(yè)發(fā)展的人才，可為化工類專業(yè)教學(xué)改革提供借鑒。

［關(guān)鍵詞］“雙碳”目標(biāo)；新能源化工；案例庫；課程改革

［中圖分類號］G642 ［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］A ［文章編號］2095-3437（2024）11-0073-06

“碳達(dá)峰”和“碳中和”目標(biāo)倡導(dǎo)綠色、環(huán)保、低碳的生活方式，有利于提高我國產(chǎn)業(yè)和經(jīng)濟(jì)的全球競爭力[1]。2022年8月，科技部、國家發(fā)展改革委、工業(yè)和信息化部等9部門印發(fā)《科技支撐碳達(dá)峰碳中和實施方案（2022—2030年）》，統(tǒng)籌提出支撐2030年前實現(xiàn)“碳達(dá)峰”目標(biāo)的科技創(chuàng)新行動和保障舉措，并為2060年前實現(xiàn)碳中和目標(biāo)做好技術(shù)研發(fā)儲備[2]。在此目標(biāo)的指引下，國內(nèi)石化、新能源以及制造業(yè)都掀起了節(jié)能降碳的熱潮[3]。化工產(chǎn)業(yè)的調(diào)整和優(yōu)化升級是實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的因素之一。2022年4月，教育部印發(fā)了《加強碳達(dá)峰碳中和高等教育人才培養(yǎng)體系建設(shè)工作方案》，為我國高校工科人才培養(yǎng)和教育改革指明了方向，這也對化工科研人員和工程技術(shù)人員提出了新的挑戰(zhàn)[4-5]。因此，既掌握化工專業(yè)知識又掌握新能源技術(shù)的綜合型人才備受人才市場歡迎。

云南省礦產(chǎn)資源豐富，以有色金屬和磷礦著稱。但這些資源大都被用于生產(chǎn)附加值低且產(chǎn)能相對過剩的磷肥、磷酸鹽等基礎(chǔ)化工產(chǎn)品，一定程度上導(dǎo)致資源優(yōu)勢未轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)發(fā)展優(yōu)勢[6]。近年來，云南省大力發(fā)展風(fēng)電、光電等新能源產(chǎn)業(yè)，2023年9月，云南省工業(yè)和信息化廳、云南省發(fā)展和改革委員會等部門聯(lián)合印發(fā)了《云南省能源電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展實施方案（2023—2025年）》。該方案提出以構(gòu)建產(chǎn)業(yè)生態(tài)發(fā)展為目標(biāo)，充分發(fā)揮綠色能源、礦產(chǎn)資源等特色優(yōu)勢，繼續(xù)推進(jìn)光伏、新型儲能電池產(chǎn)業(yè)鏈，推動面向新能源的關(guān)鍵信息技術(shù)及產(chǎn)品加快發(fā)展，為綠色能源強省建設(shè)提供有力支撐。開展能源材料科研及教學(xué)工作有利于培養(yǎng)云南能源電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展急需的人才，解決云南省新能源領(lǐng)域人才緊缺的現(xiàn)狀，有利于促進(jìn)云南地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展。此外，如何通過教學(xué)改革提升學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力也是當(dāng)前化工專業(yè)教學(xué)急需解決的問題。

優(yōu)化人才培養(yǎng)模式是提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的載體和途徑[7]。完整的人才培養(yǎng)模式應(yīng)該是在先進(jìn)的教育思想指導(dǎo)下構(gòu)建人才培養(yǎng)目標(biāo)，根據(jù)人才培養(yǎng)目標(biāo)確定人才培養(yǎng)過程。目前，化工專業(yè)課程教學(xué)更傾向于培養(yǎng)學(xué)生對專業(yè)理論知識的學(xué)習(xí)和運用能力，而忽視了教書育人中的“育人”這一重要環(huán)節(jié)，忽視了專業(yè)課教學(xué)中的價值引導(dǎo)，導(dǎo)致學(xué)生不理解課程的行業(yè)價值和社會價值，不能明確課程學(xué)習(xí)的意義，從而缺乏學(xué)習(xí)積極性[8-9]。另外，傳統(tǒng)課程思政教學(xué)中教學(xué)情境的缺失，加之“填鴨式”說教方式，一定程度上扼殺了學(xué)生的創(chuàng)新思維能力，導(dǎo)致部分學(xué)生思維僵化，對思政教育產(chǎn)生抵觸心理。這與黨的十八大明確提出的“培養(yǎng)學(xué)生社會責(zé)任感，創(chuàng)新精神，實踐能力”的要求并不相符[10]。為了改變這種只注重培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)技能的傳統(tǒng)教學(xué)模式，課題組根據(jù)化工類專業(yè)課程特點，將專業(yè)課程和課程思政相結(jié)合，采取能調(diào)動學(xué)生自主學(xué)習(xí)積極性的教學(xué)模式——以學(xué)生為課堂主體，結(jié)合云南地方特色，將課程思政與專業(yè)課程緊密結(jié)合，開展新能源化工類課程建設(shè)工作，采用“理論知識+實踐教學(xué)”相結(jié)合的方法，制訂出系統(tǒng)完整、高度關(guān)聯(lián)的知識結(jié)構(gòu)體系的教學(xué)方案，建設(shè)新能源化工技術(shù)課程教學(xué)案例庫。通過論文寫作、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目、知識競賽等檢驗學(xué)生的學(xué)習(xí)效果及實踐創(chuàng)新能力，提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)、團(tuán)結(jié)協(xié)作和組織實施能力，培養(yǎng)學(xué)生以創(chuàng)新為靈魂、以實踐為基礎(chǔ)的科學(xué)精神和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度。

一、建立新能源化工技術(shù)教學(xué)案例庫

新能源化工技術(shù)是化工類基礎(chǔ)課的后續(xù)課程，主要包含化工技術(shù)與新能源統(tǒng)籌優(yōu)化、綜合利用的方法，以及高效、清潔儲能技術(shù)的開發(fā)等內(nèi)容。通過對新能源轉(zhuǎn)換、儲存及其應(yīng)用的理論探討、案例分析、實驗教學(xué)等形式，帶領(lǐng)學(xué)生掌握新能源化工技術(shù)的相關(guān)化工科學(xué)問題，旨在推動化工、材料和新能源的交叉融合，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和實踐能力，為云南地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展培養(yǎng)所需人才。新能源化工技術(shù)課程的主要內(nèi)容如表1所示。

案例教學(xué)是一種以實際案例為基礎(chǔ)的教學(xué)方法，教師在教學(xué)中扮演設(shè)計者和激勵者的角色，鼓勵學(xué)生參與討論[11]。案例教學(xué)可以通過生動真實的案例有效地串聯(lián)教學(xué)難點和重點，彌補傳統(tǒng)教學(xué)對實踐重視的不足。

案例教學(xué)最重要的就是案例庫的建設(shè)，案例庫的質(zhì)量是影響案例教學(xué)效果的關(guān)鍵因素。新能源化工技術(shù)課程是一門涉及多門學(xué)科的課程，以新能源、電化學(xué)、鋰離子電池、太陽能、儲能材料為主要內(nèi)容。所選案例應(yīng)該能夠反映課程的內(nèi)涵，能讓學(xué)生運用理論知識解決實際問題，提升學(xué)生看問題的高度。對選取好的案例進(jìn)行入庫管理、分類、確定關(guān)鍵詞，可方便任課教師檢索和查詢。

在新能源化工技術(shù)的授課過程中，課題組教師結(jié)合云南新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀以及自己的科研成果，開發(fā)了一系列教學(xué)案例，部分案例如下所示。

（一）黑磷的制備與應(yīng)用

二次電池是目前儲能效率最高的儲能裝置，而二次電池發(fā)展的關(guān)鍵在于高性能電池材料，磷基材料在二次電池領(lǐng)域具有很好的發(fā)展前景[12]。在教學(xué)過程中，教師結(jié)合云南地方特色及磷化工科研工作基礎(chǔ)，以“黑磷的制備與應(yīng)用”為例[13]，對相關(guān)理論知識進(jìn)行講解，同時引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)云南磷化工行業(yè)的發(fā)展歷史及現(xiàn)狀，培養(yǎng)學(xué)生的刻苦鉆研意識；并結(jié)合目前云南地區(qū)所面臨的新能源領(lǐng)域人才緊缺的機遇與挑戰(zhàn)，鼓勵學(xué)生學(xué)習(xí)專業(yè)知識，提升專業(yè)技能，為云南產(chǎn)業(yè)發(fā)展貢獻(xiàn)自己的力量。

（二）太陽能利用技術(shù)

太陽能光伏發(fā)電作為一種新興的清潔能源，受到了越來越多的關(guān)注。太陽能光伏發(fā)電是一種利用太陽能將光能轉(zhuǎn)化為電能的技術(shù)，是一種非常有發(fā)展前景的清潔能源[14]。云南省積極踐行綠色發(fā)展理念，加快新能源項目開發(fā)建設(shè)，推動資源開發(fā)與生態(tài)環(huán)境保護(hù)，印發(fā)了《云南省2023年第一批新能源項目開發(fā)建設(shè)方案》，工作目標(biāo)為投產(chǎn)并網(wǎng)新能源項目裝機1500萬千瓦，裝機1579.17萬千瓦。2023年以來，云南省能源局克服水電減少的影響，能源投資高速增長，使新能源成為僅次于水電的第二大能源。

（三）燃料電池

燃料電池是一種電化學(xué)能量轉(zhuǎn)換裝置，可以將反應(yīng)物的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能。燃料電池運行一般只產(chǎn)生熱量和水，具有環(huán)保、效率高、可持續(xù)發(fā)電的優(yōu)點，是解決當(dāng)前資源、環(huán)境危機的有效途徑之一[15]。教師以固體氧化物燃料電池為例，介紹國內(nèi)外固體氧化物燃料電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，分析產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景，讓學(xué)生通過查閱資料、閱讀最新的科技文獻(xiàn)，針對我國的固體氧化物燃料電池問題及發(fā)展提出解決辦法和建議。

（四）香煙過濾嘴基復(fù)合材料處理

我國煙草消費巨大，每年數(shù)以萬億計的過濾嘴被隨意丟棄。香煙過濾嘴對環(huán)境有害且不可降解。以香煙過濾嘴作為碳源，采用KOH為活化劑，結(jié)合高溫?zé)崽幚砗蜌庀喑练e法，可以制備香煙過濾嘴基多孔炭/紅磷復(fù)合材料。香煙過濾嘴基多孔炭具有豐富的微孔結(jié)構(gòu)，其作為載體能有效緩解紅磷在充放電過程中體積變化較大的問題，多孔炭材料的引入大大提高了充放電比容量和循環(huán)性能。此研究為香煙過濾嘴固體廢棄物的高價值化利用提供了新的途徑。

（五）風(fēng)力發(fā)電

風(fēng)力發(fā)電是指將風(fēng)的動能轉(zhuǎn)化為電能。風(fēng)力發(fā)電比較環(huán)保，日益受到人們的重視。風(fēng)電更易受地域和規(guī)模限制，風(fēng)力發(fā)電在與化工公用工程集成耦合方向的研究深度不如光伏發(fā)電，但在設(shè)備維護(hù)、能量轉(zhuǎn)換等方面，風(fēng)力發(fā)電較光伏發(fā)電更具優(yōu)勢[16]。在當(dāng)前的“雙碳”背景下，云南省能源投資集團(tuán)有限公司（以下簡稱云南能投）聚焦風(fēng)電等可再生能源電力生產(chǎn)項目的投資、開發(fā)、建設(shè)和運營管理。截至2023年7月，云南能投已投產(chǎn)發(fā)電的風(fēng)力總裝機容量達(dá)670兆瓦，預(yù)計通泉風(fēng)電場、金鐘風(fēng)電場、永寧風(fēng)電場及澗水塘梁子風(fēng)電場建廠投產(chǎn)后，將增加風(fēng)電裝機容量1620兆瓦。

二、案例教學(xué)中的課程思政

（一）課程思政建設(shè)的重要性

自從黨的十八大以來，我國高等教育立德樹人任務(wù)越來越清晰，不同學(xué)科的課程思政越來越受到重視。高校是人才教育的主要陣地，我國高校的思政教育應(yīng)該以人為本，探究新的教育方式，優(yōu)化思政教學(xué)內(nèi)容[17]，讓學(xué)生真正懂得做人、做事的基本道理。對于理工科來說，相關(guān)教師也需要深入挖掘思政元素，并融入理工科課程建設(shè)當(dāng)中。因為歷來理工科課程的教學(xué)大多強調(diào)對“技術(shù)”的掌握和運用，較少強調(diào)德育。隨著我國工業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整以及全球化工產(chǎn)業(yè)格局的變化，國內(nèi)更多的化工企業(yè)需要參與國際競爭，因此需要更多具備過硬化工專業(yè)技能以及優(yōu)秀道德品質(zhì)的高素質(zhì)人才?；ゎ悓I(yè)課程的思政建設(shè)符合立德樹人的要求，對高素質(zhì)化工類專業(yè)人才培養(yǎng)意義重大。

（二）新能源化工技術(shù)課程中的思政元素

在新能源化工技術(shù)課程教學(xué)中，教師要深入挖掘課程內(nèi)容中的社會主義核心價值觀、社會責(zé)任、創(chuàng)新意識、家國情懷等思政元素，結(jié)合昆明理工大學(xué)的“紅土精神”，激發(fā)學(xué)生的愛國奉獻(xiàn)精神，使學(xué)生樹立文化自信。在教學(xué)內(nèi)容中融入思政元素，需要找準(zhǔn)思政元素切入點，從課程內(nèi)在邏輯出發(fā)，找出能夠吸引學(xué)生興趣的內(nèi)容。如分享優(yōu)秀華人科學(xué)家的事跡，弘揚社會主義核心價值觀，在傳播知識的同時，實現(xiàn)價值塑造、能力培育等教育目標(biāo)，提高新時代高校育人質(zhì)量。表2列出了部分課程教學(xué)內(nèi)容及對應(yīng)的思政元素。

從實際效果上看，新能源化工技術(shù)的課程思政建設(shè)是值得肯定的，一方面，科學(xué)家的事跡生動有趣，有助于活躍課堂氣氛；另一方面，這種隱性教育是潛移默化的，有助于學(xué)生樹立崇高的科學(xué)思想和愛國精神。

三、教學(xué)實施與考核

（一）案例教學(xué)實施

具體的案例分析解決過程比較復(fù)雜，需要學(xué)生具備基本的理論知識，因此在案例教學(xué)實施過程中，教師要對涉及的基礎(chǔ)理論知識進(jìn)行回顧和講解，讓學(xué)生在接觸案例時可以聯(lián)想到有關(guān)知識點。

案例的教學(xué)過程包括案例導(dǎo)入、分析和討論。通過案例的細(xì)致講解，引導(dǎo)學(xué)生形成獨立思考問題的批判性思維，分析案例背后的科學(xué)問題。例如對于某一種新能源化工技術(shù)，教師可以根據(jù)學(xué)生興趣對學(xué)生進(jìn)行分組，讓學(xué)生查閱本領(lǐng)域著名專家的研究內(nèi)容、治學(xué)經(jīng)驗，充分準(zhǔn)備后以小論文或者PPT的方式進(jìn)行匯報交流，提出問題讓大家共同探討，教師可以和學(xué)生一起對問題進(jìn)行解答和總結(jié)。這種啟發(fā)式和互動式的課堂教學(xué)，不但能培養(yǎng)學(xué)生主動學(xué)習(xí)和思考的能力，還能豐富教學(xué)內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生分析問題和解決問題的能力。另外，將部分教學(xué)內(nèi)容從課堂轉(zhuǎn)移到實驗室，采用“理論知識+實踐教學(xué)”相結(jié)合的模式，讓學(xué)生邊學(xué)邊做，淡化實驗個數(shù)概念，能強化學(xué)生化工類課程的基礎(chǔ)知識，培養(yǎng)學(xué)生勇于探索的創(chuàng)新精神、善于解決問題的實踐能力。

新能源化工技術(shù)是當(dāng)前科學(xué)研究的熱點問題。一方面，教師可以通過這些熱點問題組織學(xué)生參加“挑戰(zhàn)杯”、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽等科研活動，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和科研興趣，為畢業(yè)設(shè)計以及進(jìn)一步深造奠定基礎(chǔ)。另一方面，引導(dǎo)學(xué)生參與到教師的科研項目中，這個過程能使學(xué)生更好地掌握專業(yè)基礎(chǔ)知識，了解專業(yè)的前沿科技。此外，邀請化工新能源行業(yè)的專家學(xué)者舉辦學(xué)術(shù)報告會，有助于學(xué)生了解新能源技術(shù)領(lǐng)域的最新研究成果和行業(yè)動態(tài)。

（二）案例教學(xué)考核

教學(xué)考核需要教師根據(jù)項目要求精心設(shè)計學(xué)習(xí)任務(wù)、制訂評價標(biāo)準(zhǔn)，以便學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中，有明確的學(xué)習(xí)目標(biāo)。評價時既要注意對技能和成果進(jìn)行評價，又要對學(xué)生的態(tài)度和方法進(jìn)行評價，最終制訂出旨在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識和實踐能力的教學(xué)考核標(biāo)準(zhǔn)。

對課程的考核方式呈現(xiàn)多元化，課題組針對課程目標(biāo)制訂了合理的支撐內(nèi)容，制訂了新能源化工技術(shù)課程的考核標(biāo)準(zhǔn)（見表3）。通過專題研討、實驗教學(xué)、以賽促教等環(huán)節(jié)，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行探究式與個性化學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生的表達(dá)能力、團(tuán)隊協(xié)作能力、創(chuàng)新能力、實踐能力和科研創(chuàng)新能力。這種考核方式能使學(xué)生意識到他們的平時表現(xiàn)也會體現(xiàn)在最終的期末成績中。

四、案例教學(xué)存在的不足與改進(jìn)措施

首先，案例教學(xué)可以培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐能力，但是現(xiàn)有的案例大多數(shù)只是文字?jǐn)⑹觯y以增強學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使得案例教學(xué)的作用達(dá)不到應(yīng)有效果。因此，隨著信息技術(shù)的不斷進(jìn)步，建立可視化案例庫是很有必要的[18]。通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)、仿真模擬技術(shù)等，可以將以前看不見、摸不著的工程內(nèi)容通過可視化案例庫呈現(xiàn)出來。其次，由于數(shù)量偏少、來源渠道有限，現(xiàn)有案例容易脫離企業(yè)生產(chǎn)實際，難以調(diào)動學(xué)生主動思考，不能充分發(fā)揮案例庫的作用。這需要鼓勵教師參與校企合作，在企業(yè)實踐中發(fā)掘、撰寫案例，更新案例庫資源，不斷深挖案例背后的知識聯(lián)系。最后，部分學(xué)生專業(yè)基礎(chǔ)知識薄弱、分析能力不足，對案例蘊含的理論知識分析不夠深入；還有一些學(xué)生主動性不夠，缺乏獨立思考能力和團(tuán)隊精神。這就需要教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行課前預(yù)習(xí)，讓學(xué)生對案例涉及的知識點有所了解，在討論的時候可以分組進(jìn)行，提高學(xué)生的參與程度。另外，案例可以選擇社會熱點問題以及學(xué)生感興趣的話題，比如新能源汽車等，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注社會問題，提高學(xué)生的工程實踐能力。

五、總結(jié)

低碳排放以及清潔能源的高效利用是我國的發(fā)展目標(biāo)之一。新能源化工技術(shù)課程是一門跨學(xué)科課程，本課程以學(xué)生為中心，確定了新能源、鈉離子電池、鋰離子電池、儲能等教學(xué)內(nèi)容，創(chuàng)新性地采用了探索式教學(xué)模式。通過建立新能源化工技術(shù)課程的案例庫，融入思政教育，培養(yǎng)學(xué)生為實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)解決實際問題的能力。

首先，通過對新能源轉(zhuǎn)換、儲存及其應(yīng)用的理論探討、案例分析、實驗教學(xué)等形式，帶領(lǐng)學(xué)生掌握新能源化工技術(shù)的相關(guān)化工科學(xué)問題，旨在推動化工、材料和新能源等知識的交叉融合，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和實踐能力，為云南地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展培養(yǎng)所需人才。

其次，建立了新能源化工技術(shù)課程案例庫。通過案例分析，解決了新能源化工技術(shù)課程專業(yè)教育與思政教育相脫節(jié)的問題，保證了學(xué)生知識的系統(tǒng)性、完整性和高度關(guān)聯(lián)性。通過創(chuàng)新基礎(chǔ)訓(xùn)練和賽教融合，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行探究式與個性化學(xué)習(xí)，增加新能源化工技術(shù)課程的學(xué)習(xí)深度。

最后，新能源化工技術(shù)課程案例庫的建設(shè)還需要加強，在培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)、環(huán)保節(jié)能意識、愛國情懷和工匠精神方面還需要不斷探索和改進(jìn)。

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［責(zé)任編輯：劉鳳華］