新工科背景下新能源专业大学化学教学的思考

［摘 要］ 化学教育是新能源专业人才培养的重要组成部分，可以帮助学生构建完善的知识体系，以获得分析问题和解决问题的能力。在新工科背景下，应根据新能源类人才必备的基础知识，按化学学科的内容将知识引入、延伸与融合。结合教学实际，就如何自上而下地改革大学化学的教学观念与内容、自下而上地改进教学方式与方法等进行了思考，期望能够为解决当前工科基础化学教学中存在的一些问题，达到加强基础、培养能力、突出创新、提高质量的培养要求提供一些有益思路，助力我国新能源产业的人才培养与发展。

［关键词］ 大学化学；新能源专业；教学

［基金项目］ 2022年度厦门大学校级大学生创新创业训练计划项目“锂二次电池功能隔膜开发”（S202210384606）

［作者简介］ 张 鹏（1982—），男，陕西西安人，博士，厦门大学能源学院副教授，主要从事电化学能源存储与转化研究；李水荣（1981—），男，福建厦门人，博士，厦门大学能源学院助理教授，主要从事能源储存与转化研究；李君涛（1979—），男，四川渠县人，博士，厦门大学能源学院教授（通信作者），主要从事储能材料与技术研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2023）07-0137-04 ［收稿日期］ 2022-05-12

两次获得诺贝尔奖的莱纳斯·卡尔·鲍林曾说过，经过良好训练的化学家，拥有机会可以为科学领域之间的融合做出贡献。化学作为一门科学，不仅是世界通用的工具，而且能够联合各门科学服务于科学的统一［1］。化学教育是工科相关专业人才培养中素质教育和业务教育相结合的一个环节，是专业化人才整体培养目标方案中的一个重要组成部分。当前，化学发展迅速，研究的内涵和外延都在不断扩展，并与其他领域相互渗透，产生了一些前沿的新学科，如材料化学、化学生物学、能源化学等。这也从侧面印证了鲍林关于化学作为跨学科交叉桥梁的基础性作用。应看到的是，这些新兴学科虽然成为研究前沿和产业热点，但尚未形成系统的学科知识体系，应借助物理、化学等中心科学的基础理论和学习方法，帮助学生构建相对完善的知识体系，以获得分析问题和解决问题的工具与视角。

“化而生万物，学以至无穷”。化学作为一门中心科学，与化学工业一起为近代人类的科学发展和社会进步做出了巨大的贡献。当前，应重视其在工科人才培养过程中发挥的作用。对于新能源专业的学生，应注重培养通过化学视角认识世界、思考能源问题的能力。例如，化学变化伴随着物质变化和能量变化，在传统化学中，我们应关注物质变化，注重新物质的生成。但在能源学科中，能源的使用实质是能量形式的转化过程，而化学反应正是能量转化的重要载体，因此，可以充分利用化学和化工的理论与技术，研究和解决能量转换、存储和传输环节中的各个问题［2］。

在这种形势下，需要对工科基础化学课程体系进行整体优化，以建立合理的知识结构，达到加强基础、培养能力、突出创新、提高质量的人才培养要求。根据新能源类人才必备的基础知识，对“四大化学”（无机化学、有机化学、分析化学、物理化学）进行整合，按化学学科的内容将知识引入、延伸与融合，自上而下地改革大学化学的教学观念与内容，自下而上地改进大学化学的教学方式与方法，解决当前工科基础化学存在的教学模式和内容针对性较差、导致学生因不理解学习的实际意义而被动学习等问题，为我国加快培养新能源领域“高精尖缺”人才、增强产业关键核心技术攻关和自主创新能力提供了强有力的保障。

一、自上而下地改革大学化学的教学观念与内容

化学课程在化学类相关学院和专业中有非常完善、明确的培养方案和课程体系，包括“物理化学”“分析化学”“化工原理”等主干基础课及其相关实验，结合“量子化学”“工业化学”“现代化学专题”等课程，帮助学生打下扎实的基础，并拓展化学研究的前沿。但在新工科专业中，一方面，化学仅是工科学生需要学习的基础课程之一，课时和学分有限，不可能面面俱到；另一方面，化学是工科学生解决问题的重要工具，必须使学生具备通过化学基础理论认识问题、分析问题的能力，必须重视基础理论和知识的掌握。因此，新工科的大学化学不是化学专业“四大化学”的缩略版，面面俱到却又点到为止，而是需要有针对性进行知识点的重新组合和交叉融合，以适应工科学习的需要，尤其需要考虑专业的特点，在形式和内容上做有效的结合。

化学关注微观尺度分子内部、分子之间带电荷粒子之间的作用关系及其对介观、宏观尺度物理化学性质的影响规律。因此电子—原子核、电子—电子、原子核—原子核之间的作用规律是统一各种化学过程的根本。例如，离子的极化能力、共价键的极性、电子结合能等，本质上都取决于电子与原子核之间的作用，进而会对物质的化学性质和化学反应过程产生决定性影响。对这一认识的深入理解有助于学生明确化学学习的底层逻辑。毋庸置疑，物理化学是整个化学学科的理论基础，是整个化学的核心以及定量化程度最高的部分，也是学生用化学理论视角审视能源问题的基本依据，这个基础需要打牢、打实。但与传统物理化学课程中，从热力学定律到化学平衡与相平衡，从量子力学基础和原子结构到共价键理论及双（多）原子分子结构，从分子对称性到晶体结构，从宏观反应动力学到分子反应动力学和表面化学，进而到光化学、电化学的框架不同，工科化学需要构筑更加简明扼要、高度精练的物理化学基础框架。彭笑刚教授编著的《物理化学讲义》在这方面做出了有益探索。他从量子力学的分子能级出发，通过统计热力学建立“能量”“熵”和“温度”三个核心概念，从而构建了宏观物理化学知识体系，用以阐释化学宏观现象的本质，而当将“时间”概念引入形成非平衡态热力学时，解释了物质输运、反应过程等动力学问题［3-4］。这种一致性的物理化学理论系统，有助于学生建立较为深入的基于化学理论思考问题的范式，这是十分重要的。

对于无机和有机化学部分，大部分基础化学类教材仍然按照化学专业中相应的“无机化学”课程与“有机化学”课程的缩略版进行章节设置，而部分工科普通化学或工科大学化学则在《物质结构基础》章节之后按照金属元素及材料、非金属元素及材料、高分子化合物及材料设置相应的教学内容。笔者认为，工科学生学习化学的目的一方面是构建化学理论的基础，具备通过现象看清本质的能力，认知分析问题的一般规律；另一方面是掌握化学合成与分析的工具，能够理论指导实践，处理未来工作中遇到的问题。而无机化学和有机化学的内容是物理化学理论基础的实践，且各有侧重。传统有机化学在工科化学中似乎可有可无，而高分子材料才更加重要。但是笔者认为，有机化学所强调的结构决定性质既是化学键理论内涵的形象诠释，又是化学反应过程的生动演绎，可以帮助学生更加具象地理解化学基础理论。其内容框架不能按照以官能团设置章节的方式，而是通过反应类型（加成反应、取代反应、消除反应等）结合价键特征（极性键与非极性键、定域键与离域体系）的形式加以介绍，注重各反应类型的区别与联系。比如，芳香烃与烯烃同样具有不饱和的π键，但是芳香烃发生的芳香取代反应与烯烃发生的加成反应类型完全不同，主要区别在于离域分子体系的能量特征；而卤代烃的亲核取代反应与烷烃的自由基取代反应又是共价键极性不同所导致的反应过程差异。这些内容都是化学键理论在实际体系中的生动案例，有益于学生理解抽象的化学理论，也可以启发学生跳出书本、举一反三，了解科学发展的过程，培养钻研的心态和动力。

分析化学统一于物理化学的基本理论，以无机化学、有机化学物质分析与反应过程的探究为实践，是探索化学世界的重要工具，不可谓不重要。但对于工科化学而言，更需要把分散在物理化学中的分析方法的原理、无机化学与有机化学中分子结构分析的应用抽提出来，形成新的体系，引导学生掌握分析测试方法的基本原理和应用方法。打破原有框架，例如将原无机化学中的溶液平衡理论与分析化学中的有关平衡体系融合在一起，将原理、方法中的共性问题集中讨论，有利于培养学生概括、思辨的能力［5］。而关于具体测试方法及其应用的部分，则可以形成一系列补充阅读材料，培养学生的自学能力。

二、自下而上地改进大学化学的教学方式与方法

（一）基于实际问题展开的教学方法

学生不明白学习课程的实际意义，就容易缺乏学习的动力。好的问题是一切的开始，因此在授课过程中，根据具体的教学内容，联系新能源科学与技术的实际，以问题为导向巧设疑问，引导学生进入实际问题的情境，让学生渴望得到问题的答案，激发主动思考的积极性。例如，在讲到电极电势时，可以用问题引入：电池已发明了200余年，为什么锂离子电池的出现改变了人们的生活方式乃至能源系统？是什么原因让锂离子电池与众不同的？从而引出电极电势对电池能量密度的重要性，再进一步引导学生思考锂离子电池在构建清洁高效的能源系统中的价值和发展方向。而在讲述电解质溶液时，可以向学生发问：你们知道×孚电池一节更比六节强的说法从何而来吗？从而引出不同电解质溶液的解离度等对电池反应过程的影响。在答案处理方面，有些问题可以在课堂即问即答，有些问题可以引导学生在课下探索学习，还有一些问题可以为后置专业课程的学习埋下伏笔，以化学等基础理论认识问题本质的思维和问题为导向，贯穿学生学习的全过程。

（二）基于案例教学运用的教学方式

案例教学（Case Based Learning， CBL）起源于哈佛大学法学院，最早是由于法律本身的发展性导致的法律文献激增，而传统的教学方法无法适应这种变化，从而兴起的通过对典型案例的分析进行教学的方法，通过师生互动使学生从具体情境中掌握相关的概念和理论，培养学生综合分析问题的能力。案例教学一方面可以使学生更容易地掌握知识点，另一方面可以引导学生从注重知识变为注重能力，通过在案例情境中的学习举一反三、总结发散，提高发现问题、分析问题和解决问题的能力以及自主学习的能力。化学与各种工科场景的融合也大大拓展了化学研究自身的内涵与外延，这种发展性更需要利用开放式的案例教学方法。比如，在讲到分子结构时，可以引导学生发散思考两个或更多分子通过非共价键形成的有一定结构特征的络合物时，会产生哪些变化和特征。而能源利用领域中的天然气水合物与锂离子电池“嵌入—脱嵌”的反应机制都涉及主客体化学这一类化学新结构的认识，从而大大推动了人类对于化石能源资源以及电极反应过程的理解。化学动力学基础中的反应级数问题在传统物理化学中是比较抽象的，卤代烃的亲核取代反应与消除反应的竞争关系则是基元反应与反应级数的最佳案例。案例教学的引入，还可以有效改变传统化学课程描述性过多的特征，有利于课程质量的提高。

（三）优化实验方案设置

相对于传统的工科人才，未来新兴产业和新经济需要的是实践能力强、创新能力强、具备国际竞争力的高素质复合型新工科人才。通过化学实验提高学生的动手能力，使其养成严谨准确的科学作风，对促进学生创新性思维发展具有十分重要的意义。工科大学化学实验可以通过导向性的模块化设置，诸如基础训练模块、探索提高模块等，有针对性地设计实验内容并注重将某些训练实验与新能源科学相关内容有效结合。比如，基础训练模块中的“酸碱滴定”“金属离子联合滴定”等传统普通化学实验可以加深学生对有效数字和标准偏差的理解，训练求真的科学素养；探索提高模块可以引入现代仪器方法与技术，有利于学生了解当今化学的发展形势与学科交融的状态，并注意将较为成熟、经典的实验与新能源专业有机结合，例如“差热分析法测定Pb-Sn的金属相图”是比较经典的物理化学实验，考虑与新能源科学的结合，可以利用差热分析研究碳酸锂与二氧化锰混合的热量变化和温度的关系，进而讨论锂离子电池正极材料锰酸锂的制备温度，也可以将科研信息融于实验教学，激发学生的兴趣与好奇心，培养科学思维与探索精神。

三、充分认识授课学生的学习特点

工科化学的开课一般是在第一学年，需要着重关注大学一年级学生的学习特点。大一是衔接高中阶段与大学阶段的重要时期，高中学习注重表象与定性的认知基本概念与原理，以达到获得快速准确的解题能力和解题技能为目标，关注“是什么”而非“为什么”。而大学阶段则注重对原理的本质理解与探究，并将其运用于实际体系，思考和解决实际问题。考虑学生的实际情况，将“四大化学”中的主要内容组合在一起，真正融合为工科化学的教学内容，理论难度适当，使大一新生能够接受，在教学方式上还应尽量结合实际问题的案例教学，使学生能顺利衔接高中阶段的学习过程、方法和特点。

在课堂教学中，由于知识容量发生了根本性的变化，大学教师无法像中学教师那样将所有知识点讲细、讲透，需要学生花大量时间进行自学。在这个过程中，通过补充材料的阅读等逐步引导学生开展自主学习，使其尽快适应大学的学习方式，掌握科学的学习方法。明确了“主干”，学生才能具有综观全局的视野和能力，也可能在“主干”思维下丰富“枝干”内容，形成自己的“知识树”。高中与本科的衔接过程，是一个“以内容和形式培养学习能力，通过学习能力完整建构知识体系”的“实—虚—实”螺旋上升的过程，教师既是授业者，又是引路人。

人类面临空前的能源与资源危机、生态与环境危机、气候变化危机等多重挑战，新能源科学与技术被赋予了推动经济和人类发展发生深刻变革的使命，其学科边界和实践范围大大扩展。但是，新能源学科是一个具有很强交叉特征的学科，学科体系还在逐步完善，化学、物理等中心科学基础理论的学习至关重要。“学什么”“如何教”“怎么学”是回答如何培养未来行业所需人才的关键问题，需要从顶层设计和底层实施充分考虑，并在实践中尽快找到问题的答案，以助力我国全面协调可持续发展和“双碳”目标的实现。