“双碳”背景下“新型化学电源”课程递进式教学研究

［摘 要］ 化学电源技术作为绿色、低碳的储能技术，在能源、交通等领域有着重要作用，是实现“双碳”目标的关键技术。“新型化学电源”课程关系着化学工程与工艺（电化学方向）本科生的培养质量。通过对课程现状进行分析，发现课程教学中存在教学内容偏基础与抽象、教学方法单一、实践教学不足、考核手段单一等问题。为契合“双碳”背景下复合型人才培养的需求，提出了教学内容模块化、创新教学手段、丰富实践教学环节、整合资源平台、创新评价机制等方法，以培养学生的自主创新能力。另外，递进式教学方法对于新时代化工学科的课程教学以及“双碳”背景下复合型人才的培养具有一定的借鉴意义。

［关键词］ “双碳”；递进式教学；教学改革；人才培养

［基金项目］ 2023年度黑龙江省教育科学规划重点课题“‘双碳’背景下的电化学人才‘递进式’培养方法研究”（GJB1423128）

［作者简介］ 赵 磊（1989—），男，黑龙江哈尔滨人，博士，哈尔滨工业大学化工与化学学院副教授，主要从事电催化、电极材料研究；张云龙（1994—），男，黑龙江哈尔滨人，博士，哈尔滨工业大学化工与化学学院助理教授，主要从事燃料电池、电催化研究；王振波（1973—），男，辽宁沈阳人，博士，哈尔滨工业大学化工与化学学院教授，主要从事化学电源、电催化研究。

引言

（一）“双碳”背景下电化学人才需求对课程体系和教学方法提出的新要求

在全球气候变化的背景下，实现碳达峰、碳中和目标已成为各国应对气候挑战的重要战略部署。作为重要的绿色能源技术，电化学在碳中和目标的实现中扮演着关键角色。随着电化学技术在能源转型中的重要性不断提高，相关领域的人才需求呈现出显著增长趋势：（1）电化学研究人员缺乏：电化学作为应用和基础交叉的学科，要求研究者具备扎实的学科基础和跨学科知识。在现实中，相关专业培养存在一定的局限性，不能满足基础研究的需要。（2）电化学技术应用人才短缺：电动车、储能电站、燃料电池、电解水制氢等电化学技术的产业化和规模化，对工艺、设备、系统集成等相关应用技术人才提出了更高的要求。我国该领域专业人才培养难以满足需求，严重制约了电化学技术在“双碳”目标下的应用和推广。（3）电化学教学人员短缺：高校难以培养和引进电化学领域的优秀教学人才，制约了电化学人才培养体系的可持续健康发展。

为了适应“双碳”背景下电化学技术和人才培养的发展，高校应积极优化和调整电化学相关专业的课程体系及课程教学方法。加强电化学基础课程的前沿性及实践性，引入电化学原理、电化学测量、化学电源技术等前沿理论知识，为学生后续的专业学习和实际应用奠定坚实基础。

（二）递进式教学模式概念

为了更好地契合“新型化学电源”教学需要，提出了递进式教学模式。递进式教学模式是指循序渐进的教学方法，使学生充分掌握新型化学电源，如锂离子电池、燃料电池、钠硫电池等的工作原理、结构特点、关键材料、应用、研发及产业化现状等知识，培养学生的实践创新能力。教学内容须由浅入深。从回顾物理化学以及电极过程动力学的相关知识概念，为学生打好基础，逐步过渡到新型电源的教学，讲解各种新型化学电源的工作原理、结构组成、特点及应用，帮助学生逐步建立对新型化学电源的整体认识。从实验演示到学生自主实践的教学环节设计。在教授完新型化学电源的工作原理后，安排一些简单的实验演示，让学生体验电池的容量测试、充放电测试等，然后设计一些综合实验，要求学生独立完成电池材料制备、结构设计组装、性能测试等全过程，培养学生的实践能力。从教师指导向学生自主探究的教学模式转变。教师应发挥引导作用，帮助学生了解各种新型化学电源的基本知识，然后逐步减少教师的直接参与，鼓励学生自主查阅信息、思考问题、讨论交流，培养学生的自主学习和创新意识。

一、“新型化学电源”课程教学现状及存在的问题

（一）内容偏基础、抽象

“新型化学电源”课程教学内容偏基础和抽象，课程侧重于基础理论层面，难以与实际应用相结合。同时，教学内容过于理论化、概念化，主要授课方式为教师讲授，学生难以建立直观认知。实验仅限于简单的演示，不能充分培养学生的实践能力。“新型化学电源”课程旨在通过理论学习和实验操作，使学生掌握各种新型化学电源的基本原理、结构组成、特点及应用。课程侧重于基础理论概念的解释和新型电源技术的介绍，如电池原理、电极反应方程式以及各种化学电源的结构和制造工艺。尽管课程试图通过实践应用和研究性学习来提高学生的实践能力与创新思维，但总体来说课程内容仍然相对基础和抽象。

（二）教学方法单一

1.线上教学方法存在的问题。近年来，线上教学模式得到了广泛的应用，打破了时间和空间的限制，为学生提供了更灵活、个性化的学习方式，但在线教学也存在一些亟须解决的问题：（1）缺乏教学资源，化学电源的发展前沿内容讲授途径主要为知名教授的线上讲座，缺乏系统优质的相关数字化教学资源。（2）缺乏互动性，在线教学缺乏面对面的交流和讨论，师生互动有限，难以激发学生的学习热情。（3）实践环节薄弱，“新型化学电源”课程涉及动手实践，在线教学难以完全取代实验操作，学生也难以深入掌握相关实验技能。

2.线下教学方法存在的问题。（1）传统的线下教学仍是“新型化学电源”课程的主要教学方式。教学仍以教师讲授结合板书、PPT的方式为主，教学效率低，学生参与度、积极性不高，受上课时间的限制，教师很难照顾到每名学生的个人需求，学生的主体地位也不能得到充分发挥。（2）实践环节受限，受实验室设备和空间的限制，学生不能充分参与实验操作，不利于教学内容与实际应用相结合，实践能力的培养存在瓶颈。

3.实物教学方法存在的问题。实物教学是“新型化学电源”课程教学的重要组成部分，为学生提供了直观的学习体验，有利于理论知识的巩固和实践技能的培养。然而，实物教学也存在一些不足：（1）各种化学电源的实物和关键材料，以及实验设备的购置和维护需要大量的资金投入。（2）实验存在安全风险，化学电源的制造以及测试存在一定的安全风险，如氢氧燃料电池的阳极须要采用纯氢气，氢气的使用有着严格的规定，因此有必要制定严格的安全管理制度，加强对学生的安全教育。（3）实物教学效率较低，受实验室场地和设备数量的限制，如锂离子电池的组装须要使用手套箱，难以保证每名学生能充分参与实验操作，不能充分发挥学生自主学习的主动性。

（三）实践教学欠缺

（1）实践教学比例低。长期以来，“新型化学电源”教学主要注重理论知识教学，实践教学环节严重不足。现阶段课程仅安排了少量的实验操作，以演示实验为主。在这种教学模式下，学生很难将理论知识转化为解决实际问题的能力，无法满足化学电源行业对复合型创新实践人才的需求。（2）课程内容与实际应用相脱节。“新型化学电源”课程教学内容大多停留在对基础知识和基本原理的讲解上，很少涉及化学电源新技术发展和行业应用案例。

（四）考核手段单一

在“新型化学电源”课程教学过程中，考核方式是检验教学效果的重要环节。合理的评估不仅可以促进学生主动学习、深入理解知识，而且可以为教师改进教学方法提供依据。目前，考核方法存在一些问题：（1）考核方式相对简单。主要采取期末闭卷考试以及撰写课程报告的方式，考试内容侧重于考查对基础理论知识的掌握。尽管该考核方式可以更全面地测试学生对课堂知识的记忆和理解，但缺乏对实践能力和创新思维的检验。（2）过于注重期末考试，易使学生产生应付学习的心态。（3）考核内容缺乏针对性。尽管期末考试试题的设计试图涵盖课程的主要知识点，但考核不可避免地具有通用性和概括性，如涉及一些化学电源基础概念的解释、新型化学电源的主要特点及应用场景等，难以结合技术发展或当前热点有针对性地考查学生对课程知识点的深入理解，使得考核结果不能完全反映学生的实际学习效果。（4）考核反馈渠道单一。课程只依赖期末考试成绩或者课程报告作为学习评估的唯一依据，缺乏课后作业、实验报告和课堂表现等其他评估方式。这不仅限制了学生对学习过程的整体理解，也未能及时有效地向学生提供反馈和指导。

二、递进式教学的基本思路与方法

（一）教学内容模块化

化学电源作为一个前沿、跨学科的专业领域，涉及材料科学、化学、电工学、物理等多个学科。在有限的课时内将这些知识点有机整合，有效地培养学生的专业素质和创新能力，是“新型化学电源”教学亟须关注的问题。对“新型化学电源”教学内容进行模块化设计，分为基础知识模块、实践应用模块和创新研究模块。其中，基础知识模块主要包括物理化学的基础知识、电化学的基本理论、电池的工作原理、电极材料的性能、特点等，帮助学生夯实专业基础。实践应用模块侧重于电极材料的制备与测试技术、电池组装、制造与应用等实践技能的培训。创新研究模块重点关注化学电源前沿技术的发展趋势、制造工艺技术的优化创新等，培养学生的创新意识和科研能力。通过模块化的教学设计，有助于学生系统地掌握新型化学电源知识体系，为培养学生的实践操作能力和创新思维搭建有机平台。在实施过程中，根据学生的知识基础和接受能力，调整每个模块的教学重点和内容安排。通过循序渐进的学习过程，使学生夯实专业基础，锻炼实践能力和创新意识。

（二）教学手段创新

为了提高“新型化学电源”教学效果，在课程建设中积极探索线上线下相结合的教学模式。充分利用互联网信息技术，通过微课程、慕课、在线实验、云平台等方式，同时邀请行业资深教授及企业资深专家为学生开展线上讲座，为学生提供灵活的学习时间和空间，拓展知识传播的广度。保留线下的理论教学、实验操作、讨论和交流环节。通过教师指导、分组讨论、参观实践等方式，加强学生对所学知识技能的理解和运用。在具体实践中，把线上教学和线下教学有机结合。如在教授燃料电池催化剂性质时，学生可以先在网上学习相关理论知识及催化剂的种类及发展，然后在线下组织讨论交流，现场演示和测试几种催化剂的物理性质及电催化性能，帮助学生加深理解。在锂离子电池制造和测试实验中，可以引导学生先在线学习锂离子电池的组装制备过程，然后在实验室中亲手组装电池。这样既提高了课堂效率，又增强了学生的主动学习意识和实践能力。此外，要充分利用互联网技术，优化教学资源的共享与交换。新建“新型化学电源”课程资源库，整合各类教学视频、实验操作流程、案例分析等资料，方便师生随时查阅。设立课程讨论群或课程云平台，促使师生就相关问题进行互动，打破时间和空间的限制，增强教学的互动和延伸。

（三）丰富实践教学

“新型化学电源”课程教学必须注重实践教学环节的建设。增加电极材料的制备、电池组装、性能测试等实验内容，积极拓展学生实践能力的训练空间。充分利用学校现有的校内实验平台及系里的实验室等资源，为学生提供一个全面的实践培训平台，使学生不仅可以系统地掌握化学电源的制造和表征的基本技能，而且可以参与教师的科研项目，对化学电源前沿技术有更深入的了解。同时，可利用实践课程如“电化学初级实验”及“电化学中级实验”进行基本技能实验训练，然后通过“电化学工程实验”“化学电源设计”等进行工程项目训练。重视企业在实践教学中的重要作用。邀请行业资深教授及企业技术专家来校授课，为学生讲解化学电影行业的前沿技术和发展趋势。组织学生参观锂电池生产线，体验先进的锂离子电池制造工艺。与企业建立校外实践基地，为感兴趣的学生提供实习岗位，在实际工作中锻炼知识，培养实际操作经验。通过丰富多彩的实践教学活动，学生不仅可以掌握扎实的专业技能，还能积累宝贵的实践经验，对未来的职业发展产生更清晰的定位和规划［1］。

（四）整合资源平台

新型化学电源作为一门前沿交叉学科，其教学资源较为分散，须要整合和优化。整合学校内部的相关实验室和科研平台资源。电池制造实验室为电极材料的制备、电池组装制造和测试提供硬件支持；院校分析测试中心为学生制备的材料及电池进行测试表征提供丰富的仪器设备。通过教科融合，创建校级的工程创新实践基地，构建可培养学生实践创新能力的校内平台、校外实践基地及产业开发平台，实现能力的有效拓展。通过本学科的校友资源，搭建了高校和企业创新创业交流、科技成果转化、信息共享与交流合作的平台，并使开放、共享的创新平台有效服务于行业及学生创新能力和素养的培养。

（五）创新评价机制