科研反哺教學(xué)在《新能源技術(shù)》中的探索與實(shí)踐

＊蔣青青 胡軍成

（中南民族大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院 湖北 430074）

1.前言

民族高校建設(shè)要更好地助力國家重大戰(zhàn)略目標(biāo)實(shí)現(xiàn)、助力民族地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的質(zhì)量與水平提升。在國家“雙碳目標(biāo)”戰(zhàn)略的指引下，新能源技術(shù)相關(guān)產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展，少數(shù)民族地區(qū)新能源技術(shù)相關(guān)人才較為短缺，本校為民族院校，培養(yǎng)的一大批學(xué)生會選擇回到民族地區(qū)就業(yè)，新能源技術(shù)相關(guān)人才高質(zhì)量的培養(yǎng)，對于民族地區(qū)新能源相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展意義重大。

教育部于2019年10月份印發(fā)了《關(guān)于深化本科教育教學(xué)改革，全面提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的意見》，明確指出高校課堂應(yīng)滿足“兩性一度”的評價標(biāo)準(zhǔn)，即高階性、創(chuàng)新性、挑戰(zhàn)度。明確了要強(qiáng)化科研育人功能，實(shí)行科研反哺教學(xué)模式，推動高等院校及時將科學(xué)前沿以及最新科研成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)內(nèi)容，用于保證教學(xué)內(nèi)容的高階性、創(chuàng)新性。本論文立足中南民族大學(xué)化學(xué)與應(yīng)用化學(xué)專業(yè)的重要專業(yè)課程《新能源技術(shù)》，探索建立了以教材為主線，科研反哺教學(xué)為輔線，及時將最新科學(xué)前沿及科研成果融入課堂教學(xué)，對教材內(nèi)容進(jìn)行補(bǔ)充更新，有效增加教學(xué)信息量，引導(dǎo)學(xué)生主動提出問題，增加探索科學(xué)研究的興趣，進(jìn)而提升課程的高階性、創(chuàng)新性[1-4]。經(jīng)過5年實(shí)踐證明，學(xué)生科研及創(chuàng)新能力得到顯著提高，為民族地區(qū)培養(yǎng)了一批優(yōu)秀的新能源技術(shù)領(lǐng)域的創(chuàng)新型人才。接下來，將對科研反哺教學(xué)的具體實(shí)施措施、典型教學(xué)案例、實(shí)施效果進(jìn)行論述。

2.科研反哺教學(xué)具體實(shí)施方案

(1)強(qiáng)化頂層設(shè)計，完善教學(xué)目標(biāo)

我們強(qiáng)化課程頂層設(shè)計，優(yōu)化了人才培養(yǎng)方案，將《新能源技術(shù)》課程放在第三學(xué)年的上學(xué)期，同時在該學(xué)期設(shè)置了配套綜合實(shí)驗(yàn)，綜合實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容包含新型光催化制氫技術(shù)、鈣鈦礦類光伏電池材料的制備、鋰離子電池電極材料的制備、二氧化碳催化轉(zhuǎn)化制備太陽燃料等內(nèi)容。除了將科學(xué)前沿轉(zhuǎn)化為理論教學(xué)內(nèi)容外，基于科研平臺，將實(shí)踐內(nèi)容與《新能源技術(shù)》理論內(nèi)容匹配，學(xué)生能夠提前進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，體驗(yàn)科學(xué)研究，提高學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力，基礎(chǔ)理論與專業(yè)實(shí)驗(yàn)融合，可以更好地執(zhí)行科研反哺教學(xué)育人理念。此外，完善了教學(xué)目標(biāo)，在原教學(xué)目標(biāo)的基礎(chǔ)上（掌握課程知識要點(diǎn)，強(qiáng)化綠色低碳教育，樹立節(jié)能減排理念），新增加“激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新熱情，結(jié)合課程內(nèi)容激發(fā)學(xué)生追求科學(xué)的興趣”這一目標(biāo)。

(2)模塊化教學(xué)，高水平師資支撐科研反哺教學(xué)

高水平師資隊(duì)伍是保證高素質(zhì)創(chuàng)新人才培養(yǎng)的基礎(chǔ)[5-6]。在一個領(lǐng)域從事研究多年的學(xué)者，對學(xué)科前沿及發(fā)展趨勢把握準(zhǔn)確，可以做到對專業(yè)知識講解的深入淺出。中南民族大學(xué)化材學(xué)院有數(shù)十名從事新能源技術(shù)研究的教師，為充分利用上述人才資源，首先，對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行模塊化處理，根據(jù)各章節(jié)之間的內(nèi)在邏輯連貫性，將整個課程內(nèi)容重塑。將全部課程內(nèi)容分為兩大專題：低碳減排的化石能源替代技術(shù)以及二氧化碳資源化利用技術(shù)。將新型二次電池、光伏電池、燃料電池、生物質(zhì)能源、超級電容器等內(nèi)容納入第一專題中講解；將二氧化碳資源化利用技術(shù)與太陽燃料等內(nèi)容納入第二專題中講解。其次，我們根據(jù)模塊化的教學(xué)內(nèi)容，將師資進(jìn)行模塊化，任課教師做到術(shù)有專攻，能夠很大程度上提高教學(xué)質(zhì)量，做到“好鋼用到刀刃上”，保證科研反哺教學(xué)的準(zhǔn)確性以及教學(xué)深度。

(3)典型教學(xué)案例

大量的科學(xué)研究使得新能源技術(shù)的發(fā)展日新月異，科研反哺教學(xué)的過程可以對知識體系、學(xué)科前沿進(jìn)行有效補(bǔ)充[7-9]。以光伏電池章節(jié)為例，目前教科書主要介紹的光伏電池技術(shù)為：硅基光伏電池、薄膜型光伏電池、染料敏化光伏電池、有機(jī)光伏電池。在過去十年左右的時間內(nèi)，鈣鈦礦太陽能電池效率從不到4%提高到30%左右，成為太陽能行業(yè)中巨大潛力股。由于出現(xiàn)時間短，很多教材中并未出現(xiàn)該部分內(nèi)容，我們整理了該研究過程中最具有標(biāo)志性的文獻(xiàn)，將鈣鈦礦太陽能電池發(fā)展的關(guān)鍵內(nèi)容，以時間軸為順序，向同學(xué)們講述。例如，Miyasaka等人于2009年第一次制造出鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的太陽能電池；Park等人通過改善工藝，提升鈣鈦礦太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率至6.5%（2011年）；Snaith等人用Al2O3層將鈣鈦礦太陽能電池結(jié)構(gòu)中的TiO2層進(jìn)行替代，將電池能量效率提升至11%（2012年）；2013年，染料敏化電池之父Gratzel等人進(jìn)一步優(yōu)化工藝，制備了光電轉(zhuǎn)化效率為15%的鈣鈦礦太陽能電池，截至2021年11月，串聯(lián)鈣鈦礦電池的光電能量轉(zhuǎn)化效率已經(jīng)達(dá)到30%。該部分內(nèi)容講完以后，很多同學(xué)意猶未盡，又自己查閱文獻(xiàn)資料及學(xué)術(shù)報告，并提交了自己撰寫的相關(guān)綜述論文，還有數(shù)位同學(xué)在研究生階段從事鈣鈦礦太陽能電池相關(guān)的研究。

以燃料電池章節(jié)為例，燃料電池中涉及五個電催化反應(yīng)：氫氧化反應(yīng)、氧還原反應(yīng)、氫氣析出反應(yīng)、氧氣析出反應(yīng)、小分子的催化氧化反應(yīng)。燃料電池的發(fā)展與電催化技術(shù)突破密切相關(guān)。在過去十年左右的時間內(nèi)，從事上述電催化劑研究的人非常多，在講述燃料電池部分時，我們給學(xué)生補(bǔ)充了電催化劑的研究進(jìn)展，包含單原子催化劑、鎧甲催化等概念，擴(kuò)充了學(xué)生視野。在配套的綜合實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生完成了電催化分解水探索實(shí)驗(yàn)，嘗試了氫氣析出反應(yīng)、氧氣析出反應(yīng)，分析了線性掃描曲線、循環(huán)伏安曲線、阻抗測試等電化學(xué)數(shù)據(jù)，更深入地了解電催化過程存在的挑戰(zhàn)。

以二次電池章節(jié)為例，目前廣泛使用的二次電池為鋰離子電池與鉛酸電池、早于鋰離子電池廣泛使用的為鎳鉻電池、鎳氫電池。教材中目前主要介紹鋰離子電池的基本工作原理、常用正負(fù)極材料、電解液材料等，對于目前正在廣泛研究的鋰離子電池的替代體系并沒有太多介紹。授課人將目前廣泛研究的鋰離子電池替代體系分為兩大類：針對鋰資源的離子替代（如鈉離子電池、鉀離子電池、鎂離子電池、鋁離子電池等）與金屬鋰能源化學(xué)（鋰-空氣電池、鋰-硫電池、全固態(tài)電池等）相關(guān)的替代體系，將每一類替代體系的優(yōu)劣勢、重難點(diǎn)，通過重要文獻(xiàn)的形式進(jìn)行講解。授課時，學(xué)生討論激烈，提出了很多有意思的設(shè)想。在該部分的配套實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生動手合成了磷酸鐵鋰材料，刮涂了電極極片，并組裝了紐扣電池，測試了電池的電壓值、比容量等性能參數(shù)，極大地激發(fā)了學(xué)生的興趣。部分畢業(yè)學(xué)生就業(yè)時選擇了億緯動力、國科高軒、贛鋒鋰業(yè)等鋰電池相關(guān)企業(yè)，從事鋰電池相關(guān)的研發(fā)工作。還有部分學(xué)生繼續(xù)攻讀二次電池相關(guān)的研究生，繼續(xù)深造。

以二氧化碳資源化利用章節(jié)為例，碳達(dá)峰碳中和的目標(biāo)提出以后，科學(xué)界與工業(yè)界對于二氧化碳的關(guān)注度空前高漲，其中，液態(tài)陽光是最具前景的技術(shù)之一。液態(tài)陽光以太陽能作為能源來源，通過光伏電池、電催化分解水制氫、二氧化碳加氫制備液態(tài)甲醇串聯(lián)耦合的形式，同時實(shí)現(xiàn)太陽能的儲存與二氧化碳資源化利用。在該部分內(nèi)容的講解中，以蘭州新區(qū)的液態(tài)陽光示范工廠為課程導(dǎo)入視頻，以大連化物所李燦院士團(tuán)隊(duì)在液態(tài)陽光研究中的文獻(xiàn)為主線，向?qū)W生講述液態(tài)陽光從2018年概念提出，到2023年市場估值300億人民幣的快速發(fā)展歷程。在該部分的配套實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生動手合成了二氧化碳加氫制備甲醇的催化劑，極大地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

(4)引導(dǎo)學(xué)生參加競賽，以賽促教、以賽促學(xué)

科研反哺教學(xué)的另一個重要措施為加強(qiáng)對學(xué)生科研活動的指導(dǎo)，支持學(xué)生提前進(jìn)入科研實(shí)驗(yàn)室與科研平臺的建設(shè)，使得學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力得到切實(shí)提高[10-11]。近三年，先后有10名本科學(xué)生發(fā)表新能源技術(shù)相關(guān)的SCI論文，并進(jìn)入更高層次的高校學(xué)習(xí)深造，多名學(xué)生參加新能源技術(shù)相關(guān)的大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)、挑戰(zhàn)杯、湖北省大學(xué)生化學(xué)化工學(xué)術(shù)競賽等，達(dá)到了以賽促教、以賽促學(xué)的效果。

3.科研反哺教學(xué)的實(shí)踐效果

我們從學(xué)生評教、同行評議、自我建設(shè)、示范輻射的角度來評價課程改革成效。

（1）學(xué)生評教：本課程連續(xù)五年的評教結(jié)果均為優(yōu)秀。同學(xué)們非常喜歡科研反哺教學(xué)，學(xué)習(xí)興趣大增，部分同學(xué)對新能源材料的研究表現(xiàn)出來極大的興趣，主動要求加入教師課題組進(jìn)行相關(guān)研究。部分學(xué)生在攻讀研究生學(xué)位的時候，選擇新能源材料作為自己的研究方向。學(xué)生對任課教師的評語也顯示學(xué)生認(rèn)為這門課課堂氣氛活躍、生動有趣、內(nèi)容豐富多彩、有干貨、有收獲、視野被打開、了解到很多學(xué)科前沿、教學(xué)有特色等。這些充分說明了改革效果顯著，值得推廣。

（2）同行評議：教學(xué)督導(dǎo)在聽課的過程中，給出的評價為：課程內(nèi)容前沿，科研反哺教學(xué)補(bǔ)充內(nèi)容與教學(xué)內(nèi)容融合的恰到好處。

（3）自我建設(shè)：在本門課程的建設(shè)中，教師本人也積累了大量豐富的經(jīng)驗(yàn)與教學(xué)資源，申請人將這些內(nèi)容整理發(fā)表，并延伸到其他課程的教學(xué)中。

（4）示范輻射：課程視頻上線智慧樹學(xué)習(xí)平臺，有24所高等院校選擇該門課程。課程資源成功入選教育部雙碳資源建設(shè)平臺，可供其他兄弟院校參考。

4.結(jié)語

《新能源技術(shù)》課程自2015年開設(shè)以來，已經(jīng)實(shí)施了7年的“科研反哺教學(xué)”實(shí)踐，利用科學(xué)前沿、科研成果，對學(xué)科前沿內(nèi)容進(jìn)行教學(xué)設(shè)計，實(shí)現(xiàn)對教材的補(bǔ)充，解決教材內(nèi)容陳舊，無法滿足新能源技術(shù)突飛猛進(jìn)發(fā)展的問題。同時，設(shè)置了配套綜合實(shí)驗(yàn)，實(shí)踐內(nèi)容與《新能源技術(shù)》理論內(nèi)容匹配，基于科研平臺，讓學(xué)生能夠提前進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，體驗(yàn)科學(xué)研究，提高學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力，基礎(chǔ)理論與專業(yè)實(shí)驗(yàn)融合，可以更好地執(zhí)行科研反哺教學(xué)育人理念。此外，充分利用科研人才資源，將部分模塊化的教學(xué)內(nèi)容由資深研究人員講解。該教學(xué)建立了科研與教學(xué)相結(jié)合的協(xié)同育人體系，改革取得了明顯的效果，實(shí)現(xiàn)了教學(xué)與科研的融合發(fā)展。該教學(xué)改革提升了學(xué)生的科研創(chuàng)新意識和探索未知的科學(xué)精神，為民族地區(qū)培養(yǎng)了一批優(yōu)秀的新能源技術(shù)領(lǐng)域的創(chuàng)新型人才，有效支撐了民族院校應(yīng)用化學(xué)國家一流本科專業(yè)建設(shè)。此外，將課程內(nèi)容與國家雙碳理念糅合，以最新科學(xué)技術(shù)前沿與國家政策規(guī)劃相結(jié)合的形式，打造碳達(dá)峰碳中和領(lǐng)域的示范性課程。科研反哺教學(xué)也可以為其他課程提供借鑒，具有較強(qiáng)的推廣應(yīng)用價值。