“雙碳”背景下“新型化學電源”課程遞進式教學研究

［摘 要］ 化學電源技術作為綠色、低碳的儲能技術，在能源、交通等領域有著重要作用，是實現“雙碳”目標的關鍵技術。“新型化學電源”課程關系著化學工程與工藝（電化學方向）本科生的培養質量。通過對課程現狀進行分析，發現課程教學中存在教學內容偏基礎與抽象、教學方法單一、實踐教學不足、考核手段單一等問題。為契合“雙碳”背景下復合型人才培養的需求，提出了教學內容模塊化、創新教學手段、豐富實踐教學環節、整合資源平臺、創新評價機制等方法，以培養學生的自主創新能力。另外，遞進式教學方法對于新時代化工學科的課程教學以及“雙碳”背景下復合型人才的培養具有一定的借鑒意義。

［關鍵詞］ “雙碳”；遞進式教學；教學改革；人才培養

［基金項目］ 2023年度黑龍江省教育科學規劃重點課題“‘雙碳’背景下的電化學人才‘遞進式’培養方法研究”（GJB1423128）

［作者簡介］ 趙 磊（1989—），男，黑龍江哈爾濱人，博士，哈爾濱工業大學化工與化學學院副教授，主要從事電催化、電極材料研究；張云龍（1994—），男，黑龍江哈爾濱人，博士，哈爾濱工業大學化工與化學學院助理教授，主要從事燃料電池、電催化研究；王振波（1973—），男，遼寧沈陽人，博士，哈爾濱工業大學化工與化學學院教授，主要從事化學電源、電催化研究。

引言

（一）“雙碳”背景下電化學人才需求對課程體系和教學方法提出的新要求

在全球氣候變化的背景下，實現碳達峰、碳中和目標已成為各國應對氣候挑戰的重要戰略部署。作為重要的綠色能源技術，電化學在碳中和目標的實現中扮演著關鍵角色。隨著電化學技術在能源轉型中的重要性不斷提高，相關領域的人才需求呈現出顯著增長趨勢：（1）電化學研究人員缺乏：電化學作為應用和基礎交叉的學科，要求研究者具備扎實的學科基礎和跨學科知識。在現實中，相關專業培養存在一定的局限性，不能滿足基礎研究的需要。（2）電化學技術應用人才短缺：電動車、儲能電站、燃料電池、電解水制氫等電化學技術的產業化和規模化，對工藝、設備、系統集成等相關應用技術人才提出了更高的要求。我國該領域專業人才培養難以滿足需求，嚴重制約了電化學技術在“雙碳”目標下的應用和推廣。（3）電化學教學人員短缺：高校難以培養和引進電化學領域的優秀教學人才，制約了電化學人才培養體系的可持續健康發展。

為了適應“雙碳”背景下電化學技術和人才培養的發展，高校應積極優化和調整電化學相關專業的課程體系及課程教學方法。加強電化學基礎課程的前沿性及實踐性，引入電化學原理、電化學測量、化學電源技術等前沿理論知識，為學生后續的專業學習和實際應用奠定堅實基礎。

（二）遞進式教學模式概念

為了更好地契合“新型化學電源”教學需要，提出了遞進式教學模式。遞進式教學模式是指循序漸進的教學方法，使學生充分掌握新型化學電源，如鋰離子電池、燃料電池、鈉硫電池等的工作原理、結構特點、關鍵材料、應用、研發及產業化現狀等知識，培養學生的實踐創新能力。教學內容須由淺入深。從回顧物理化學以及電極過程動力學的相關知識概念，為學生打好基礎，逐步過渡到新型電源的教學，講解各種新型化學電源的工作原理、結構組成、特點及應用，幫助學生逐步建立對新型化學電源的整體認識。從實驗演示到學生自主實踐的教學環節設計。在教授完新型化學電源的工作原理后，安排一些簡單的實驗演示，讓學生體驗電池的容量測試、充放電測試等，然后設計一些綜合實驗，要求學生獨立完成電池材料制備、結構設計組裝、性能測試等全過程，培養學生的實踐能力。從教師指導向學生自主探究的教學模式轉變。教師應發揮引導作用，幫助學生了解各種新型化學電源的基本知識，然后逐步減少教師的直接參與，鼓勵學生自主查閱信息、思考問題、討論交流，培養學生的自主學習和創新意識。

一、“新型化學電源”課程教學現狀及存在的問題

（一）內容偏基礎、抽象

“新型化學電源”課程教學內容偏基礎和抽象，課程側重于基礎理論層面，難以與實際應用相結合。同時，教學內容過于理論化、概念化，主要授課方式為教師講授，學生難以建立直觀認知。實驗僅限于簡單的演示，不能充分培養學生的實踐能力。“新型化學電源”課程旨在通過理論學習和實驗操作，使學生掌握各種新型化學電源的基本原理、結構組成、特點及應用。課程側重于基礎理論概念的解釋和新型電源技術的介紹，如電池原理、電極反應方程式以及各種化學電源的結構和制造工藝。盡管課程試圖通過實踐應用和研究性學習來提高學生的實踐能力與創新思維，但總體來說課程內容仍然相對基礎和抽象。

（二）教學方法單一

1.線上教學方法存在的問題。近年來，線上教學模式得到了廣泛的應用，打破了時間和空間的限制，為學生提供了更靈活、個性化的學習方式，但在線教學也存在一些亟須解決的問題：（1）缺乏教學資源，化學電源的發展前沿內容講授途徑主要為知名教授的線上講座，缺乏系統優質的相關數字化教學資源。（2）缺乏互動性，在線教學缺乏面對面的交流和討論，師生互動有限，難以激發學生的學習熱情。（3）實踐環節薄弱，“新型化學電源”課程涉及動手實踐，在線教學難以完全取代實驗操作，學生也難以深入掌握相關實驗技能。

2.線下教學方法存在的問題。（1）傳統的線下教學仍是“新型化學電源”課程的主要教學方式。教學仍以教師講授結合板書、PPT的方式為主，教學效率低，學生參與度、積極性不高，受上課時間的限制，教師很難照顧到每名學生的個人需求，學生的主體地位也不能得到充分發揮。（2）實踐環節受限，受實驗室設備和空間的限制，學生不能充分參與實驗操作，不利于教學內容與實際應用相結合，實踐能力的培養存在瓶頸。

3.實物教學方法存在的問題。實物教學是“新型化學電源”課程教學的重要組成部分，為學生提供了直觀的學習體驗，有利于理論知識的鞏固和實踐技能的培養。然而，實物教學也存在一些不足：（1）各種化學電源的實物和關鍵材料，以及實驗設備的購置和維護需要大量的資金投入。（2）實驗存在安全風險，化學電源的制造以及測試存在一定的安全風險，如氫氧燃料電池的陽極須要采用純氫氣，氫氣的使用有著嚴格的規定，因此有必要制定嚴格的安全管理制度，加強對學生的安全教育。（3）實物教學效率較低，受實驗室場地和設備數量的限制，如鋰離子電池的組裝須要使用手套箱，難以保證每名學生能充分參與實驗操作，不能充分發揮學生自主學習的主動性。

（三）實踐教學欠缺

（1）實踐教學比例低。長期以來，“新型化學電源”教學主要注重理論知識教學，實踐教學環節嚴重不足。現階段課程僅安排了少量的實驗操作，以演示實驗為主。在這種教學模式下，學生很難將理論知識轉化為解決實際問題的能力，無法滿足化學電源行業對復合型創新實踐人才的需求。（2）課程內容與實際應用相脫節。“新型化學電源”課程教學內容大多停留在對基礎知識和基本原理的講解上，很少涉及化學電源新技術發展和行業應用案例。

（四）考核手段單一

在“新型化學電源”課程教學過程中，考核方式是檢驗教學效果的重要環節。合理的評估不僅可以促進學生主動學習、深入理解知識，而且可以為教師改進教學方法提供依據。目前，考核方法存在一些問題：（1）考核方式相對簡單。主要采取期末閉卷考試以及撰寫課程報告的方式，考試內容側重于考查對基礎理論知識的掌握。盡管該考核方式可以更全面地測試學生對課堂知識的記憶和理解，但缺乏對實踐能力和創新思維的檢驗。（2）過于注重期末考試，易使學生產生應付學習的心態。（3）考核內容缺乏針對性。盡管期末考試試題的設計試圖涵蓋課程的主要知識點，但考核不可避免地具有通用性和概括性，如涉及一些化學電源基礎概念的解釋、新型化學電源的主要特點及應用場景等，難以結合技術發展或當前熱點有針對性地考查學生對課程知識點的深入理解，使得考核結果不能完全反映學生的實際學習效果。（4）考核反饋渠道單一。課程只依賴期末考試成績或者課程報告作為學習評估的唯一依據，缺乏課后作業、實驗報告和課堂表現等其他評估方式。這不僅限制了學生對學習過程的整體理解，也未能及時有效地向學生提供反饋和指導。

二、遞進式教學的基本思路與方法

（一）教學內容模塊化

化學電源作為一個前沿、跨學科的專業領域，涉及材料科學、化學、電工學、物理等多個學科。在有限的課時內將這些知識點有機整合，有效地培養學生的專業素質和創新能力，是“新型化學電源”教學亟須關注的問題。對“新型化學電源”教學內容進行模塊化設計，分為基礎知識模塊、實踐應用模塊和創新研究模塊。其中，基礎知識模塊主要包括物理化學的基礎知識、電化學的基本理論、電池的工作原理、電極材料的性能、特點等，幫助學生夯實專業基礎。實踐應用模塊側重于電極材料的制備與測試技術、電池組裝、制造與應用等實踐技能的培訓。創新研究模塊重點關注化學電源前沿技術的發展趨勢、制造工藝技術的優化創新等，培養學生的創新意識和科研能力。通過模塊化的教學設計，有助于學生系統地掌握新型化學電源知識體系，為培養學生的實踐操作能力和創新思維搭建有機平臺。在實施過程中，根據學生的知識基礎和接受能力，調整每個模塊的教學重點和內容安排。通過循序漸進的學習過程，使學生夯實專業基礎，鍛煉實踐能力和創新意識。

（二）教學手段創新

為了提高“新型化學電源”教學效果，在課程建設中積極探索線上線下相結合的教學模式。充分利用互聯網信息技術，通過微課程、慕課、在線實驗、云平臺等方式，同時邀請行業資深教授及企業資深專家為學生開展線上講座，為學生提供靈活的學習時間和空間，拓展知識傳播的廣度。保留線下的理論教學、實驗操作、討論和交流環節。通過教師指導、分組討論、參觀實踐等方式，加強學生對所學知識技能的理解和運用。在具體實踐中，把線上教學和線下教學有機結合。如在教授燃料電池催化劑性質時，學生可以先在網上學習相關理論知識及催化劑的種類及發展，然后在線下組織討論交流，現場演示和測試幾種催化劑的物理性質及電催化性能，幫助學生加深理解。在鋰離子電池制造和測試實驗中，可以引導學生先在線學習鋰離子電池的組裝制備過程，然后在實驗室中親手組裝電池。這樣既提高了課堂效率，又增強了學生的主動學習意識和實踐能力。此外，要充分利用互聯網技術，優化教學資源的共享與交換。新建“新型化學電源”課程資源庫，整合各類教學視頻、實驗操作流程、案例分析等資料，方便師生隨時查閱。設立課程討論群或課程云平臺，促使師生就相關問題進行互動，打破時間和空間的限制，增強教學的互動和延伸。

（三）豐富實踐教學

“新型化學電源”課程教學必須注重實踐教學環節的建設。增加電極材料的制備、電池組裝、性能測試等實驗內容，積極拓展學生實踐能力的訓練空間。充分利用學校現有的校內實驗平臺及系里的實驗室等資源，為學生提供一個全面的實踐培訓平臺，使學生不僅可以系統地掌握化學電源的制造和表征的基本技能，而且可以參與教師的科研項目，對化學電源前沿技術有更深入的了解。同時，可利用實踐課程如“電化學初級實驗”及“電化學中級實驗”進行基本技能實驗訓練，然后通過“電化學工程實驗”“化學電源設計”等進行工程項目訓練。重視企業在實踐教學中的重要作用。邀請行業資深教授及企業技術專家來校授課，為學生講解化學電影行業的前沿技術和發展趨勢。組織學生參觀鋰電池生產線，體驗先進的鋰離子電池制造工藝。與企業建立校外實踐基地，為感興趣的學生提供實習崗位，在實際工作中鍛煉知識，培養實際操作經驗。通過豐富多彩的實踐教學活動，學生不僅可以掌握扎實的專業技能，還能積累寶貴的實踐經驗，對未來的職業發展產生更清晰的定位和規劃［1］。

（四）整合資源平臺

新型化學電源作為一門前沿交叉學科，其教學資源較為分散，須要整合和優化。整合學校內部的相關實驗室和科研平臺資源。電池制造實驗室為電極材料的制備、電池組裝制造和測試提供硬件支持；院校分析測試中心為學生制備的材料及電池進行測試表征提供豐富的儀器設備。通過教科融合，創建校級的工程創新實踐基地，構建可培養學生實踐創新能力的校內平臺、校外實踐基地及產業開發平臺，實現能力的有效拓展。通過本學科的校友資源，搭建了高校和企業創新創業交流、科技成果轉化、信息共享與交流合作的平臺，并使開放、共享的創新平臺有效服務于行業及學生創新能力和素養的培養。

（五）創新評價機制

采用過程性評價與終結性評價相結合的方式。平時成績主要包括課堂表現、實驗操作、課后作業等方面考核，既注重日常學習狀況，又可考查學生的實踐動手能力。期末考試重點考查學生對知識點的掌握程度和綜合應用能力。通過這種方式，能夠全面把握學生的專業素質發展。注重發揮實踐環節在評價中的作用。實踐環節考核包括創新實驗設計、實驗操作表現、實驗報告撰寫等方面，不僅考查學生對化學電源基礎知識的掌握程度以及實踐操作技能，也評估其分析問題、解決問題的能力。設置創新創業考核環節。結合大學生“雙創”，通過建立校企聯合的化學電源培養基地，組建由學校教師和企業資深專家組成的導師團隊，并成立校企合作專業指導委員會，在專業指導委員會的指導下，主動適應產業發展的要求，制作符合技術發展及企業需求的創新創業課題，引導學生根據自身興趣和特長，自主選擇參與校內外的創新創業項目。根據項目的創新性、實用性等綜合評判學生的表現。另外，鼓勵學生參與行業競賽、學術交流等活動。根據學生的比賽表現，給予適當的評價和獎勵，不僅有助于增強學生的專業自信，而且增加了課程相關知識考核的針對性。

參考文獻

［1］劉云花，仇偉，馬先果，等.化學電源技術教學和實踐雙融合模式探索［J］.科技風，2023（21）：118-120.

Research on “Progressive” Teaching Method in “Novel Electrochemical Power Source” Course under the Background of Double Carbon

ZHAO Lei， ZHANG Yun-long， WANG Zhen-bo

（School of Chemistry and Chemical Engineering， Harbin Institute of Technology， Harbin，

Heilongjiang 150001， China）

Abstract： As a green and low-carbon energy storage technology， chemical power supply technology plays an important role in energy， transportation and other fields， and is the key technology to achieve the goal of “double carbon”. The course of “New Chemical Power Supply” is related to the training quality of undergraduates in chemical engineering and technology （electrochemical direction）. Through the analysis of the current situation of the course， it is found that there are some problems in the course teaching， such as basic teaching content， abstract teaching method， insufficient practice teaching and single examination means. In order to meet the needs of compound talents training under the background of “double carbon”， the methods such as modularization of teaching content， innovation of teaching means， enrichment of practical teaching links， integration of resource platform and innovation evaluation mechanism are put forward to cultivate students’ independent innovation ability. The “progressive” teaching method has certain reference significance for the course teaching of chemical engineering in the new era and the training of compound talents under the background of “double carbon”.

Key words： “double carbon” ; progressive teaching method; teaching reform; personnel training