新工科背景下化學工程與工藝專業理論課建設與實踐

＊趙力 左朋建 付傳凱

（哈爾濱工業大學 黑龍江 150001）

為了使工科教育適應社會的高速發展，2017年，教育部發布了《教育部高等教育司關于開展新工科研究與實踐的通知》，要求在全國范圍內進行新工科研究和實踐[1-2]，有關具體要求和安排等問題在之后的《關于推進新工科研究與實踐項目的通知》等文件中予以了明確。

新工科教育的提出是對長期以來形成的傳統教學模式的巨大挑戰[3]。目前的工業企業對人的素質提出了新的要求，社會能力、實踐能力、創新能力等逐漸成為企業關注的重點[4]。要進行新工科教育就必須對傳統工科人才培養理念進行改革，根據新工業界的特點建立新的人才培養模式[5-6]。同時，為配合這種新的人才培養模式，必須對傳統課程教學不斷進行改革、完善。因此，課程建設是新工科教育的基礎，在新工科背景下變得越來越重要。

電化學原理是哈爾濱工業大學化學工程與工藝（電化學）專業的理論基礎課。它從電化學動力學觀點出發，深刻地揭示了電化學反應的內在本質和基本規律，全面闡述了電化學反應速度與電極電位之間的關系，為后續的電化學專業課程的學習奠定理論基礎。新工科教育要求課程在保證其原有基礎性的同時，加強對學生工程實踐性方面的培養。因此，在“新工科”背景下，電化學原理必須進行教學思想、教學模式的改革，突出新工科特點，滿足新工科需求。

1.電化學原理課程目前存在的問題

電化學原理課程作為專業理論基礎課具有以下特點：（1）課程所涉及基礎知識面比較寬，因此要求學生具有扎實的基礎知識；（2）新概念多，信息量大；（3）電化學與數學，物理學等科學相比，有些內容看起來不如數學、物理那樣邏輯嚴密，常常進行一些近似處理。正是由于以上特點，目前電化學原理課程教學重點仍放在基本概念和基本理論方面，對學生工程實踐能力和創新能力的培養明顯不足。總體上看，該課程目前存在以下幾方面的問題。

①傳統電化學原理課程的教學內容注重理論部分。課程中化學電源和表面處理等實踐和應用的內容很少，這就使得學生學習到的一些基本理論無法與具體的實踐相結合。這種現狀一方面導致學生認為電化學的基礎理論知識空洞無用，學習主動性減弱；另一方面也沒有達到培養學生利用電化學原理基礎理論知識分析、解決電池和電鍍等領域實際具體問題能力的目的。顯然這不符合新工科教育的培養要求。

②電化學原理作為理論性很強的一門課程，內容更新緩慢。一些電化學領域的一些前沿基礎知識如固態電化學、半導體電化學等并未納入現有課程內容中，使學生無法了解到電化學前沿領域的現狀，達不到新工科教育的培養要求。

③課程考核方式過于傳統，考核內容以客觀內容為主，過程管理的作用不夠充分。目前電化學原理課程考核內容主要為電極過程動力學的基本概念和基本理論，缺乏分析解決實際問題能力的考核。同時由于缺乏相應的過程管理環節，教師無法隨時了解學生的學習情況。顯然，現有考核體系無法滿足新工科教育的培養要求。

④教學方式單一，教學手段落后。目前電化學原理課程的課堂教學以老師講授為主，多為直白的陳述，雖然中間穿插一些設問、提問環節，但仍屬于知識灌輸類型。這種教學方式、教學手段無法滿足新工科教育的培養要求。

針對上述問題，在新工科背景下我們對電化學原理課程進行了教學改革實踐，以適應社會發展的需要。

2.新工科背景下電化學原理課程改革的探索

（1）課程教學目標與內容的升級。根據新工科教育的特點和需求，本課程升級了電化學原理課程目標，從讓學生掌握電極過程的基本規律及其研究方法，提升為培養學生運用界面模型及電荷交換、物質傳遞和表面轉化步驟的動力學特點分析和解決電池生產及表面處理過程中的實際問題的能力。

針對教學目標的改變，重新組織教學內容：新工科背景下，要求課程基礎知識和實踐能力并重，創新能力也必須得到提高。在電化學原理課程內容方面，在現有八章內容的基礎上，對內容進行模塊化設計，基礎理論方面整合成四個模塊，分別是電極/溶液界面模塊、電荷轉移模塊、液相傳質模塊、表面轉化模塊；實際應用方面建立兩個模塊，分別為氣體電極模塊和金屬電極過程模塊。結合專業學生的分類培養目標，對模塊進行相應組合，做到既加強理論基礎，又拓寬專業相關知識面，以滿足新工科培養的要求。

為了緊跟時代步伐，對接產業技術更新，我們安排教師到天能集團、雙登集團和量能科技等化學電源生產的頭部企業學習調研。通過與企業技術人員的廣泛深入交流，將新能源領域的新方法、新技術總結歸納，消化吸收，分期分批更新到相關理論教學內容中，通過高科技手段虛擬現實現場教學，使學生能夠及時接觸到電化學領域最新方法和技術。結合企業生產實際，將鋰離子電池設計和生產中的實際問題引入課堂教學，讓學生從電極過程動力學的基本理論出發，分析上述問題，并提出相應解決方案，從而培養學生綜合能力和高階邏輯思維能力。

在進行知識傳授的同時，我們還有意穿插一些時事，引入思政內容。比如，在講到新能源汽車時，我們會呈現1992年錢學森寫給鄒家華副總理關于新能源汽車的一封信，信中規劃了新能源汽車的發展路徑，提到了哈爾濱工業大學電化學專業在新能源領域的領頭羊作用。這些內容活躍課堂氣氛，激發了學生主動學習的熱情，同時還增進了學生對哈工大電化學專業的認識和感情，提升了學生的個人品質。

（2）教學手段的完善，過程管理的加強。多樣化的教學手段一方面可以提高知識信息的傳授效率，激發學生的學習興趣，提升課堂教學效果；另一方面還有利于教師隨時了解學生的學習情況，強化教學過程管理。首先，我們對PPT的呈現方式進行了提升，如采用動畫效果呈現電極/溶液界面雙電層的形成過程和氫氣在電極表面的析出過程等內容，采用視頻方式呈現電極極化曲線的測量過程和金屬鈍化過程等。其次，引入雨課堂作為輔助教學手段，通過雨課堂測試功能了解學生對斯特恩模型、塔菲爾公式、非穩態測試技術等基礎知識的理解掌握情況。同時我們還加強了學生對授課過程的參與程度，把電池生產中遇到的一些實際問題提前布置給學生，讓學生分別進行文獻查閱，并分組進行討論，提出相應解決方案，最后，以答辯形式呈現給全班同學。項目驅動法也是我們新引入課程教學的一種教學方法。例如我們把高功率鋰離子電池項目引入到課程教學中，把其項目分解為固體電解質膜、鋰離子固相擴散、鋰離子液相傳質、過渡金屬價態變化等幾部分內容，然后把這些內容發散到相應章節中。這樣學生既學習到了相應的基礎知識，同時還積累了一定的項目經驗，提高了學生的綜合素質。

（3）教學團隊的建設。新工科建設對課程主講教師產業背景、教學水平、知識面和綜合素質等提出了更高的要求。我們通過公開引進和自己培養兩種方式優化教學團隊的人員結構。利用哈爾濱工業大學化學工程與工藝專業一流本科專業建設的契機，引進了高水平的教師加入電化學原理課程教學團隊。另一方面，我們把本專業的優秀博士畢業生留在教學團隊。年輕教師剛剛走上教學崗位，教學經驗嚴重不足。為了使年輕教師能夠盡快勝任教學工作，我們為其指定了具有豐富教學經驗的老教師作為教學導師。首先年輕教師要為教學導師助課一年，第二年年輕教師要參加試講。試講合格后，年輕教師要承擔10～20學時氣體電極過程和金屬電極過程的教學工作，期間教學導師至少要聽課3次，并將聽課結果及時反饋給年輕教師。根據年輕教師的教學情況，安排其參加學校和院里的教學培訓、教學競賽，并酌情逐年增加其講授學時數，直至能夠獨立承擔該課程的教學工作。

工程經歷對于新工科背景下的專業課教學十分重要。我們采取有效措施，指派具有博士以上學位的年輕授課教師到南都電源、駱駝集團、豪鵬國際等的新能源電池頭部生產企業進行為期一年的學習交流。專業還定期邀請光宇集團、雙登集團等電池企業的技術總監和一線技術人員與任課教師進行座談交流，讓教師了解行業生產的現狀、發展趨勢以及目前存在的問題，并將相關內容融匯到課堂教學當中，增強學生對行業的認識和理解。

為了增進團隊成員之間的默契和統一思想，團隊內部建立了定期交流機制。每兩周進行一次團隊教師座談的制度已實行多年。座談的內容包括上課心得、學生學習情況、教學文件的學習、教學項目的申報等，沒有具體的要求，大家可以隨機提出個主題展開討論。通過座談討論，提高了任課教師的業務水平，同時也使得課程內容之間的銜接變得十分順暢自然，有利于教學效果的提高。

（4）考核方式的優化。以往的考核內容主要側重于基本概念和基本理論，對學生能力的考核不夠重視。根據新工科的要求，考核內容從之前側重基礎知識逐漸過渡到側重學生專業素質、綜合能力。期中、期末考試減少了客觀性題目的比例，增加了利用基元步驟分析、解決具體電化學工程問題的能力；課程報告選取典型的鋰離子電池、鈉離子電池體系為研究對象，要求學生結合正負極材料和電解液的特點，分析其動力學過程，提出提高電池倍率性能或循環性能的措施；雨課堂雖然考核的是基礎知識，但要求學生將基礎知識與自己的生活學習實際相結合。

在優化考核內容的同時，還對考核形式進行了多元化改革。在之前只有閉卷考試的基礎上，增加了課程報告成績和雨課堂測驗成績。課程報告在總成績中占30%，該部分考核主要針對的是學生利用理論基礎知識發現問題、分析問題和解決問題的能力。課程報告不設具體題目，而是讓學生根據自己的具體情況選擇某一電化學體系為研究對象，分析該體系目前存在的動力學問題，并提出相應的解決方案。同時還采用教考分離的筆試形式，激發學生學習的主動性。

通過上述四個方面的教學改革和實踐，教學效果有了明顯提高。圖1是教改前后學生的考核成績分布。很明顯，優秀率和良好率大幅增加，消除了不及格現象。

圖1 教改前后學生考核成績分布圖

3.結束語

在新工科教育的背景下，傳統的專業理論課程面臨著全新的挑戰和機遇。我們應以新工科建設的新理念、新結構、新模式、新質量和新體系為指導，完成專業理論課的建設。本文在新工科教育的背景下，以“電化學原理”課程為例，分析了專業理論課目前存在的問題，從課程目標和內容、教學手段、團隊建設和考核方式四個方面提出了新工科專業理論課建設思路，并進行了實踐探索。模塊化教學內容的引入、實際案例的分析、線上和線下混合教學手段的運用、過程性評價和結果性評價的結合實現了新工科背景對“電化學原理”課程的要求，可以為其他專業理論課的建設提供借鑒。