“雙碳”背景下新能源相關專業的物理化學課程改革探索

＊尹成杰

（安徽理工大學 化學工程學院 安徽 232001）

引言

近年，國家能源局提出了“雙碳計劃”，即中國力爭2030年前實現碳達峰，2060年前實現碳中和，為實現此計劃，國家大力布局低碳排放、清潔的新型能源[1]。特別是電化學能源，得到飛躍式地發展，因此，國家對新能源相關的人才需求日益迫切。特別是對于通過大學學習，掌握新能源專門知識的高級人才的需求更為迫切[2]。因此，教育部在近十年里設置了一些與新能源有關的本科和研究生專業，如新能源材料與器件、新能源化學工程、新能源科學與工程專業、儲能科學與工程等[3]。

物理化學是新能源相關專業的一門專業基礎課程。該課程是借助物理和數學的相關知識，探索化學反應過程中變化的一門學科。通過介紹化學反應熱力學、化學反應動力學、反應歷程、電化學、膠體化學等內容，探究化學反應變化的基本規律，可以從理論的角度解決科學研究和生活生產中的問題。近年來，高校開設了與新能源有關的本科專業，物理化學是該類專業學生掌握新能源相關理論知識、材料制備及器件裝備的基礎[4]。因此，針對新能源專業需求，對物理化學教學內容、教學方法等環節進行改革，將有利于提高學生的學習積極性，快速掌握物理化學相關知識。

1.物理化學教學在新能源交叉學科教學中存在的問題

物理化學課程理論性強，公式多，知識點之間聯系強，計算復雜，需要教授的知識點多，實際課時非常少。因此，使該課程成為大學中有名的難懂、難學課程，且由于缺少課堂上的相關習題講解，使學生的考試通過率普遍偏低。使得他們在學習過程中容易產生厭煩、抵觸的情緒。另外，學好物理化學需要的基礎較高，是基于大學化學、高等數學、大學物理等知識之上。由于各專業的課程培養方案和各課程之間的差異，各自為教，造成一些基礎課和專業選修課之間存在內容重復不協調的現象。在沒有相關基礎下，進行教學是違背了教學的循循漸進原則[5]。

其次是考核方式過于單一、傳統，使學生的學習能動性降低。首先，由于各個高校的主干課程和考試時間安排都集中于學期末的一周內，使得學生沒有充分的復習時間。其次，傳統的卷面考試形式，不能更好地體現出學生對知識的掌握，尤其應用程度，與新能源相關專業的要求有一定的差距。缺乏實踐性的考核內容，學生的專業應用能力柔和度差，缺乏創新性培養，學生實際掌握程度與目標達成度有一定的差距[6]。

2.教學體系與教學內容探索

在新能源相關專業課程培養方案中有明確要求學生要掌握一定的化學知識，要重點學習反應熱力學與電化學相關的知識，是新能源專業學好后續的專業課的必要保障。如何將物理化學與新能源專業的培養有機結合，形成特色的教學體系與教學內容是十分必要的，也是對專業培養目標和畢業要求達成的有力支撐。根據新能源專業學生的自身需要，對現有教學體系和教學內容進行優化，使學生在掌握基礎知識的同時，也能夠指導解決實際問題和實踐，提高學生對新材料新器件的創造力。不同的專業和學科在對學生的教學內容上側重點不同，教師在教學中也可根據培養目標和方案進行取舍和調整，獲取適合專業的課程體系。教學體系安排與學生的學習接受能力、學習興趣與主動性、知識的系統性能夠緊密地結合起來，將為新能源專業的物理化學課程改革提供實踐教學的載體[7]。

從一個化學反應的系統性來看，要了解反應過程，首先要利用熱力學知識了解其反應可能性與方向，及必要的熱力學數據，然后分析其動力學反應歷程，利用電化學的知識判斷其在新能源中的應用前景等。這些知識點既是物理化學的基本教學內容，也是新能源專業的理論知識儲備需要，可以為制備新材料及器件提供相關的理論技術支撐，因此，在物理化學課程的教學體系安排中，應將新能源與各個體系知識之間串聯起來。在化學反應熱力學知識點時，加入新能源器件如電池中的熱力學參數獲取及與性能之間的關系，提高學生的學習興趣。在化學動力學上，加入電化學反應動力學等知識，與電化學知識聯合，與鋰離子電池、燃料電池、水系儲能電池、超級電容器等關聯。在教師的引導下，安排學生計算其中一種新能源器件的熱力學、電化學和動力學參數，使物理化學知識滲透到新能源專業的材料制備、器件組裝等專業研究中，增強學生的專業歸屬感、認同感。

目前物理化學課程的理論學時一般在60～80時之間，因此，根據學時可以選擇天津大學物理化學教研室和清華大學朱文濤教授等分別出版的《物理化學簡明教程》，該書將復雜難懂的統計熱力學和量子力學等章節刪除，內容也淺顯易懂、較為系統化，適合工科專業學生學習?？偟膶热莘殖赡z體與界面、化學熱力/動力學、相圖與電化學、氣體與化學勢四個模塊，可以減少內容的重復教學、知識點之間聯系加強，有利于學生更好地學習。以建立新能源專業的物理化學課程教學體系與內容，并與相應的實驗教學相結合，使學生學習情況與培養方案達成一致性[8]。

3.教學方式、方法改革

為了充分發揮教師的主導地位，要求授課教師必須具有扎實的專業素養和良好的職業道德，具備對教學內容的深入研究和靈活使用各種教學手段的能力。在教學方式和方法的選擇上也需要根據不同的專業要求及學生基本情況，進行實時的調整，轉變單一課堂的教學方式。教學方式和方法改革主要有以下幾點體會：

(1)重視課堂導入，激發學生興趣

課程的導入在傳統教學中所占的比例非常小，或者不講。但課程的導入可以凝練出課程的問題點、應用領域、課程特點等，可以極大地提高學生的學習積極性。物理化學是一門理論性強的課程，很多內容原理都比較抽象、枯燥乏味，如果按照傳統的教學方式進行組織教學，很難達到理想的教學效果。在課堂導入部分，可以采用生活及工業中的實例，作為知識的切入點，讓學生了解知識的實用性，及在相關應用中存在的問題，帶著這些問題，培養學生的啟發性教育。通過這些的行業背景及問題的導入，將極大地提高學生的學習興趣，開拓學生的專業視野，及對該課程的理解程度，為后續的理論學習打下良好的教學基礎。

(2)改進教學方法，鼓勵學生參與

教學方法的改革主要是將傳統的滿堂灌、教師一個人表演的方式打破，要充分發揮學生的積極性、參與度、多啟發性教學等。一方面課堂教學多用啟發式教學法，通過問答的形式，引入教學目標，激發學生學習興趣、提高課堂參與度。因此，要求授課教師在備課時，設置一些合適的問題，通過實時的向學生提問，培養學生獨立思考和主動學習的能力。實現教師為主導、學生為教學主體的互動模式，促進教學質量的提高；在充分發揮學生的參與度上，可以將“翻轉課堂”引入教學中，通過讓學生查閱相關課題的最新研究成果，并讓其上臺講解，分組討論，最后教師對學生的匯報情況進行點評，并對重要的知識進行補充，使學生真正的參與到教學過程中；用好第二課堂的學習，將無法在課堂上講授的知識，放入第二課堂中。讓學生自主學習，然后教師通過微信、QQ群及課間時間等，對學生的學習情況和遇到的問題進行詳細地解答，作為課堂教學的重要補充，以解決課時不足的問題及培養學生的自主學習性[9]。

(3)多種教學手段相結合，幫助學生好學

多媒體教學可以很好地與第二課堂進行有機結合，借助一些網絡在線學習平臺，將多媒體課件上傳，供學生自主學習，是對課堂教學的補充；另外，可以將重要的例題進行上傳，讓學生對自己的知識掌握情況進行測試和鞏固。但多媒體教學也具有信息量大、色彩豐富、速度快等弊端，使學生的學習注意力難以集中。因此，在多媒體教學過程，遇到重要的理論知識概念和公式，一定要結合板書，在黑板上對推理過程進行詳細地講解。形成以多媒體教學為主體，板書作為補充的教學手段，是物理化學教學改革的重要內容。總之，多媒體可以借助各種科技手段，豐富教學內容、教學方式、形象生動的組織教學，但也有自己的弊端，因此，如何將多媒體教學與傳統板書進行有機的結合，是理論型課程教學手段改革的重要方向[10]。

(4)課程內容教學與教師科研相結合

傳統的物理化學課程內容比較晦澀難懂，學生在聽課時候，會感到枯燥乏味，且與實際應用難以聯系。在教學改革中，教師可以將自己以及相關知識點的最新科研成果穿插到課堂內容教學中，激發學生的學習興趣和熱情，同時也可以了解最新的研究成果。比如在電化學部分，可以將我國的能源戰略需求及電化學儲能與動力汽車電池等知識融入到課程內容中，不但可以讓學生知道國家的發展方向，還能將知識帶入到生活中。這也是我國教育部對教師的最新要求，要有機的將自己的科研成果與教學相融合。

4.參核評價體系改革

合理有效的評價體系可以幫助教師，反饋教學效果和學生的學習情況，有利于對教學內容和教學方式進行適時的調整和改革。傳統的考核評價體系主體是學生，主要針對學生的知識掌握情況往往結果是比較片面的，所得的結果也無法準確的反饋教學效果。我們嘗試通過三個方面對考核評價體系進行改革，以獲得全面、準確的考核結果。首先，改變考核方式，以期末考試為主體，在平時成績中增加第二課堂學習情況、小組討論與翻轉課堂表現等，增加學生關注相關行業的前沿動態、發現問題與解決問題的能力等，加大對學生的平時學習表現考核力度。其次，增加對任課教師的考核，主要從兩個方面，一是增加學生對教師的教學進行匿名評價，并提出改進建議；二是每學期組織學院教學經驗豐富的教師聽課，從任課教師的多媒體課件、任課態度、教案設計、教學過程、教學達成度等方面進行點評，并將意見反饋給教師，提出改進建議。最后，對期末考試的內容進行改革，在知識點的掌握情況上，分為了解、識記、掌握和綜合應用四個層次，并與試題的難易程度聯系起來[11]。

5.結語

物理化學是一門重要的基礎課程，對學生后面相關專業課的學習起到承上啟下的作用，可以培養學生的專業歸屬感和認同感。在實際的教學過程中，要緊扣“化學反應熱力學-化學反應動力學-電化學-相圖-界面與膠體化學在新能源領域的應用”教學體系，充分體現專業要求、特色、教學內容的科學性、系統性和實用性等。通過教學改革與教學實踐，總結出符合新能源專業的物理化學課程，提高學生發現問題、解決問題、及創新實踐等專業水平素養，以取得良好的教書育人效果。