以知識內容的內在聯系為主線構建“能源材料”課程教學新體系*

陸振歡 曾 強 彭 寧 溫玉清

（桂林理工大學化學與生物工程學院 廣西桂林 541004）

能源是促進經濟快速發展的關鍵因素，因此能源材料的發展代表著未來人類社會經濟發展趨勢。能源材料是能源、材料、化工等相關專業學生學習的一門重要技術基礎知識課程，是能源與材料學科的交叉分支和重要研究方向，屬于“新工科”建設內容，課程內容的前沿性特點突出。該課程內容涉及范圍非常廣，這就極大地提高了教學難度，難以取得較好教學質量。

“能源材料”課程內容主要包括：原子電子相關理論及其對能源相關材料性能的影響、能源相關材料的實際應用、各種能量轉換和儲能裝置的基本運作原理及影響其性能的因素和優化方法。這門課將化學物理基礎知識與生活中常見的能源裝置聯系起來，是由理論到實際的橋梁，在能源化工、材料、環境等“新工科”領域的人才培養體系中起到銜接作用。如此重要的課程，應如何把它建好，一直以來都是各高等院校和同行教師們所關注的重點。

該課程內容體現了“金課”三大特征：高階性、創新性和挑戰度。課程要求背景知識全面，縱向和橫向的跨度大，從微觀原子電子開始，擴展到宏觀材料、最后整合進行能源應用，體現了鮮明的高階性；課程涉及內容繁雜，各章節的獨立性非常強，需要學生具備一定的思考和想象能力才能理解，具有明顯的挑戰度；課程前沿性特點突出，新能源的研發日新月異，需要學生具備緊跟前沿、自主探索的能力，突出了創新性。

一言概之，“新工科”建設背景下，“能源材料”課程的最大現實問題是：如何將課程內容進行有機結合，提高教學效果，而有效地培養學生運用知識主動進行創新探索的能力。

一、研究現狀分析

經過調研，大部分設置能源與其他學科交叉專業的高校已經開設了能源材料專業核心課程。但是目前國內外的“能源材料”課程教學體系尚未完全成熟，還沒有受到普遍認可的教材，研究成果非常少，仍然屬于探索階段。

大部分院校開設的實際上是新能源材料及器件課程。課程內容比較簡單，或者僅僅集中一部分，要么主講材料，要么主講新能源器件制備技術。對于知識理論和學生能力培養的銜接并沒有太多深入，使得知識體系出現斷層，對學生優化能源相關器件的能力培養不足。

少部分重點院校將多門教材資源整合，探索構建體系較為完整的從微觀到宏觀、再到能源器件性能的“能源材料”課程。但課程涉及內容較多，前沿性特點突出，教學難度較大，如何將課程內容進行有機結合而有效地培養學生運用知識創新的能力，這一課題依然在探索和研究中。

模架預壓卸載標準壓重穩定標準為1 mm/d，預壓持荷時間不少于7 d或者連續3 d沉降量應小于1mm。當模架出現不均勻沉降、變形移位等異常情況時，應立即向專職安全管理人員匯報，馬上停止施工，讓施工人員盡快撤至安全地帶。

為了適應新時期、新形勢的需要，在“新工科”建設背景下，開展“能源材料”課程教學體系、理論與實踐教學方法和教學模式的教學改革勢在必行。

二、課程建設思路

為了以學生為中心，優化課程內容，提高教學效果，本文研究探討了通過一條形象化的主線“原子、電子移動”將課程的內容有機結合起來，圍繞學習為中心，構建出更加完備、科學合理的“能源材料”課程教學新體系；在此基礎上，可以充分采用多樣化的教學方法、教學手段和先進教學理念，將枯燥的理論原理圖案化形象化，使學生更易理解，從而提高教學效果和質量；圍繞主線解釋能源應用及影響因素，圍繞學生為中心，用激發引導的方式培養學生探索研究思維，有利于提高學生的創新能力培養質量。最終，為將該課程建設成為“新工科”一流課程提供一種思路。

三、主要研究內容

針對“新工科”建設中學科交叉專業課程“內容繁雜且獨立性強，教學難度大，而且前沿性強，須培養學生自主探索能力”的問題，課程建設研究需要深入發掘課程內容的內在聯系，利用其打破不同章節內容之間的壁壘，建立一個可視的圖案化動態化課程教學體系，探索形象化教學新模式，使學生掌握原理和應用背后的科學機制，為學生自主研究探索打下堅實的認知基礎，提高創新能力培養效果。

經過研究探討，“能源材料”課程所有內容都可以概括為“原子、電子移動狀態變化”，理解并掌握了這點就相當于學通了這門課程。本文以此為主線，研究探討重新整合課程內容構建教學新體系；探索通過形象化教學，培養學生對該主線（即課程內容的內在聯系）的認知；最后，引導學生根據“原子、電子移動狀態變化”去認知實際能源應用，培養自主研究探索能力。主要內容分以下三個部分：

（一）通過一條形象化的主線“原子、電子移動”將課程的內容有機結合起來，構建合理的“能源材料”課程教學新體系

本課程的所有內容可分為三個部分：原子電子、材料、能源應用。其中，原子電子相關原理描述了原子電子的移動狀態過程；原子電子的動與靜態過程決定了材料的性質；材料的性質決定能源裝置制備方法，原子電子移動狀態過程決定了能源裝置的運作原理和性能優劣。要培養學生在能源領域的研究創新能力，就相當于要求學生理解原子、電子的移動相關的原理，從而令他們掌握優化能源裝置性能的知識和技術，最終引導他們獨立思考并進行研究創新工作。因此，本文研究采用形象化的“原子、電子移動”作為主線將課程的內容有機結合起來，構建合理的“能源材料”課程教學新體系。

原子電子、材料、能源應用的相關理論知識非常多，講解和學習難度都很大。因此需要有所取舍，最科學的方法是將其中與能源相關聯的理論知識篩選出來，然后將這些知識根據關聯的緊密程度進行分級，再根據這個分級來構建課程教學體系。其中知識理論分為三級：（1）核心知識：直接描述原子、電子移動各種動和靜狀態的理論知識；（2）支撐知識：與核心知識互為支撐或引申，或是能得出核心知識的原始理論；（3）相關概念：一些對原子、電子移動有貢獻的效應或概念。

掌握了核心知識，就能在學生的思維中建立起一個類似世界觀的完整體系，猶如宇宙中各類星體的運行一樣，原子電子在其中的移動都符合相應的規則，從而使課程內容生動起來。支撐知識和相關概念將幫助學生理解影響這些規則的因素和調整優化方法，因此能培養學生研究創新的能力。

（二）探索將理論原理圖案化形象化，提高教學效果

上述研究建立課程教學體系，將核心主線確定為“原子、電子移動”這樣一個形象化的動態過程，目的就是將理論原理進行圖案化形象化。其中核心知識部分都直接對應著原子、電子移動的規則，因此這部分的知識能進行圖案化形象化的教學，使其成為一塊塊拼圖，最終拼成學生思維中的原子、電子移動世界觀體系。

本課程中，大部分原子電子和材料部分內容是學生在其他前置課程中學習過的，對相關理論已有一定的基礎，這是本文可以進行知識點篩選拆分重組的基礎。本文最主要的內容是篩選出這類核心知識，結合多種現代化的教學方式，探索將原理理論進行圖案化形象化的教學，從而使學生能將邏輯和想象力結合在一起用于學習，最終提高教學質量效果。

支撐知識是與核心知識緊密聯系的部分，這部分會涉及一些很難理解也很難教的理論。因學時有限，可以在保證使學生理解核心知識的基礎上，再引申擴展到支撐知識的學習，使學生有所了解，具備在需要應用這些理論時能進行自學的認知基礎。由此，降低學習難度，保障學生的學習興趣。

相關概念是比較零散，但是卻對能源應用過程有重要影響的效應或現象。這部分也需要進行對應于原子、電子移動的圖案化形象化教學探索，但在教學時需要與能源應用的微觀粒子移動過程結合起來，從而有利于學生理解影響能源裝置性能的因素。

（三）探索圍繞“原子、電子移動”主線展現能源應用原理及其影響因素的教學方式，培養學生研究創新能力

探索為學生構建了“原子、電子移動”的世界觀體系后，將光電轉換過程、充放電過程、光催化過程等能源裝置運作的機制用“原子、電子移動”形象化地展現給學生，再詳細分解這些過程，結合多種教學方式介紹影響每個過程的因素和調整方法。由此，培養學生未來在能源行業中進行研究創新的能力。

支撐知識是與核心知識互為支撐或引申，或是能得出核心知識的原始理論，即這部分是如何調整“原子、電子移動”過程的理論基礎。在教學過程中，需要進行合理的設計，引導學生思考如何進行調整而優化能源裝置運作的機制過程，從而引導學生自主回顧或自學支撐知識。由此，培養學生的思考探索能力。

四、課程內容分級教學模式

本文通過知識理論的篩選拆分重組，將課程內容分成原子電子、材料、能源應用這三大部分。將與能源相關聯的理論知識篩選出來，然后根據與主線“原子、電子移動”關聯的緊密程度進行分為三級：核心知識、支撐知識、相關概念。

核心知識均為直接描述原子、電子移動各種動和靜狀態的理論知識。這部分是課程重點學習內容，其每一個理論知識就像拼圖一樣，拼成一個完整的原子、電子移動世界觀體系。這些內容都可以用動畫的形式表述出來。因此在教學過程中，本文將結合多種現代教學手段，將其轉化為形象化的圖案和動畫，結合講解，大大提高了學習的趣味性，也更利于學生理解，提高教學效果。

支撐知識是與核心知識互為支撐或引申，或是能得出核心知識的原始理論。這部分是比較難理解也難講解的內容，繁多且雜。本文將在學生理解核心知識的基礎上，再引申擴展出支撐知識，用以點破面的方式，打破學習難度。但這部分并不會一一詳細地講解，達到學生具備一定的認知基礎即可，主要目的是使學生具備在須應用到這些理論時能進行自學的能力。由此，降低學習難度，保障學生的學習興趣和熱情。

相關概念是一些對原子、電子移動狀態有正或負面影響的效應，或與材料和能源應用性能相關的重要概念。這部分知識點可能會比較零散，但基本上都會跟原子、電子移動狀態或這些狀態改變造成的結果有關，而且普遍與能源裝置性能有關，因此本文可以將其與原子、電子移動的動態過程結合，進行圖案化形象化教學，從而提高教學效果。

在實際授課過程中，先為學生構建了“原子、電子移動”的世界觀體系后，將光電轉換過程、充放電過程、光催化過程等能源裝置運作的機制用“原子、電子移動”形象化地展現給學生；再詳細地分解這些過程，結合多種教學方式引導學生主動思考影響每個過程的因素，通過合理設計引導學生自主深入學習支撐知識和相關概念，從中尋找調整這些過程的方法；最后輔助學生探索優化能源裝置性能的技術。

這樣根據教學內容進行三段式教學，著重培養學生掌握課程內容的內在聯系；在此基礎上，才能以點破面地突破章節內容獨立性強的教學難點；再根據內在聯系引導學生引申理解實際應用，從而提高學生自主研究探索的能力。由此，優化課程內容的設置，突破教學難點，提高教學質量效果。最終，達到培養學生的思考和創新能力，大大提高學生未來在能源行業中的競爭力。

結語

本文研究探討了通過對學科交叉的“能源材料”課程教學體系進行合理的設計，構建圍繞形象化的主線“原子、電子移動”開展三段式教學的新模式。新課程教學體系將融合先進的教育技術，打破課程知識內容繁雜、教學過程枯燥無味，不利于學生理解學習的狀況；教學過程中，采用探究性互動式，引導學生將實際與微觀粒子運動有機結合，以培養他們發現問題解決問題的復雜思維能力，從而清除“知識到能力培養”的銜接斷層。

最終，建設“新工科”背景下的能源材料金課，通過該課程的學習，使學生掌握自主認知和思考的基礎，培養學生自主追蹤科學前沿的認知能力，以應對當今新時代日新月異的發展，達到提高培養學生思考研究探索能力的目的，有效地滿足社會對人才質量日益提高的要求。