基于成果導(dǎo)向教育理念的工程專業(yè)教學(xué)改革

[摘 要] 針對(duì)國(guó)家工程專業(yè)教育認(rèn)證的導(dǎo)向和要求，結(jié)合“新能源材料與器件”這門(mén)課程的特點(diǎn)，通過(guò)將成果導(dǎo)向教育這一先進(jìn)教學(xué)理念引入該課程的教學(xué)實(shí)踐中，在成果導(dǎo)向教育理念指導(dǎo)下，從教學(xué)設(shè)計(jì)、授課內(nèi)容、教學(xué)形式及考核方式等方面出發(fā)，充分貫徹以學(xué)生為中心和教育成果為導(dǎo)向的教學(xué)理念，從而調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和自覺(jué)性，并在培養(yǎng)學(xué)生進(jìn)行科研的興趣、科學(xué)思維方式、科技報(bào)國(guó)情操、創(chuàng)新意識(shí)等方面取得理想的教學(xué)效果。

[關(guān)鍵詞] 新能源材料與器件;教學(xué)改革;教學(xué)內(nèi)容;系統(tǒng)思維能力

[基金項(xiàng)目] 2019年度國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目“銻/摻雜碳設(shè)計(jì)與儲(chǔ)鉀機(jī)理研究”（51971090）

[作者簡(jiǎn)介] 馬建民（1981—），男，山西臨汾人，材料學(xué)博士，湖南大學(xué)物理與微電子科學(xué)學(xué)院教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事材料學(xué)研究。

[中圖分類號(hào)] G642.0? ? ?[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A? ?[文章編號(hào)] 1674-9324（2021）07-0061-04? ? ?[收稿日期] 2021-01-07

新能源材料與器件是發(fā)展新能源技術(shù)和實(shí)現(xiàn)新能源利用的關(guān)鍵。為了適應(yīng)新能源技術(shù)進(jìn)步和電池產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，筆者所在的湖南大學(xué)近年來(lái)在物理與微電子科學(xué)學(xué)院為本科三年級(jí)應(yīng)用物理學(xué)、電子科學(xué)技術(shù)專業(yè)學(xué)生開(kāi)設(shè)了“新能源材料與器件”課程，共32學(xué)時(shí)。該課程以儲(chǔ)能器件為主，包括鉛酸電池、鎳氫電池、鋰離子電池、鋰-硫電池、固態(tài)鋰電池、鋰-空氣電池、鈉離子電池、太陽(yáng)能電池、超級(jí)電容器等多種類型。開(kāi)設(shè)該課程的意義在于給學(xué)生傳播新能源材料與器件領(lǐng)域相關(guān)的前沿科學(xué)知識(shí)，同時(shí)為電池產(chǎn)業(yè)輸送高質(zhì)量的生力軍做準(zhǔn)備[1]。該課程早期以單一課堂教學(xué)形式開(kāi)展，以課程內(nèi)容為中心、教師為主導(dǎo)，存在知識(shí)講解枯燥乏味、學(xué)生上課不積極、課程效果不佳等缺點(diǎn)。為此，經(jīng)歷5年的教學(xué)改革與實(shí)踐，筆者成功將成果導(dǎo)向教育（Outcome Based Education，以下簡(jiǎn)稱OBE）這一先進(jìn)教學(xué)理念引入該課程的教學(xué)實(shí)踐中，不僅強(qiáng)調(diào)學(xué)生在教學(xué)過(guò)程中的主體作用，更加注重學(xué)生獲得的成果和能力，從而實(shí)現(xiàn)了以成果為導(dǎo)向的教學(xué)模式。

一、激發(fā)學(xué)生對(duì)前沿科學(xué)的興趣

OBE理念是Spady等[2]人在1981年提出的先進(jìn)教育理念，指教學(xué)設(shè)計(jì)和教學(xué)實(shí)施目標(biāo)源自教育過(guò)程最后取得的學(xué)習(xí)成果。“新能源材料與器件”經(jīng)過(guò)五輪課程的探索與實(shí)踐，逐漸形成了基于OBE理念將課題教學(xué)內(nèi)容外延，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)興趣的模式。鋰-空氣電池部分是“新能源材料與器件”課程重要內(nèi)容之一，早期涉及鋰-氧電池的基本原理、正極催化劑體系等內(nèi)容講授。課堂內(nèi)以講解鋰-空氣電池系統(tǒng)的基本概念和基本原理為主，內(nèi)容主要基于電化學(xué)理論講解，針對(duì)新能源材料與器件來(lái)講，學(xué)生很難把握理論與前沿科學(xué)、理論與產(chǎn)業(yè)化之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。基于作者在前沿科學(xué)基礎(chǔ)研究領(lǐng)域的成績(jī)，我們?cè)谡n堂上將講授內(nèi)容拓展到鋰-二氧化碳電池、鋰-氮電池，將鋰-氧電池的基礎(chǔ)理論對(duì)應(yīng)科研過(guò)程中的實(shí)驗(yàn)、測(cè)試、分析[3，4]，讓學(xué)生產(chǎn)生“算賬時(shí)數(shù)學(xué)很有用”的體驗(yàn)。通過(guò)一系列拓展教學(xué)內(nèi)容及科研前沿實(shí)例展示的措施，在課程上明顯感受到學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)理論知識(shí)的鮮活展現(xiàn)的興趣、對(duì)科學(xué)內(nèi)涵的渴望。

基于OBE理念，通過(guò)對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果進(jìn)行總結(jié)分析，筆者得出學(xué)生在對(duì)基本理論概念理解基礎(chǔ)上，更渴望知悉所學(xué)的內(nèi)容在具體科研工作中對(duì)應(yīng)著哪些應(yīng)用。因此，“新能源材料與器件”課程在基礎(chǔ)理論概念的教授過(guò)程中將教學(xué)內(nèi)容外延到前沿科學(xué)中去，讓學(xué)生清楚地明白所學(xué)理論在具體科研實(shí)驗(yàn)中是如何發(fā)揮作用的，進(jìn)而使學(xué)生擺脫基礎(chǔ)理論枯燥乏味的學(xué)習(xí)，激發(fā)學(xué)生對(duì)前沿科學(xué)的興趣及渴求。

二、注重培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)理論思維能力

在作者多年的本科教學(xué)經(jīng)歷中，明顯感到有很大一部分同學(xué)可以很好地學(xué)習(xí)各門(mén)課程，但是很難將各學(xué)科課程系統(tǒng)地關(guān)聯(lián)起來(lái)。因此，基于OBE理念，在教學(xué)過(guò)程中培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)思維能力迫在眉睫。

隨著課程的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)積累，逐步總結(jié)分析發(fā)現(xiàn)，本科生對(duì)基礎(chǔ)理論概念接受與理解能力很強(qiáng)，但是因?yàn)榇髮W(xué)與高中的教學(xué)模式的區(qū)別，很多同學(xué)很難在課堂上找到學(xué)習(xí)的興奮點(diǎn)，而課后自學(xué)練習(xí)又沒(méi)有高中時(shí)教師和家長(zhǎng)隨時(shí)督促。因此，在有限的課堂上把基礎(chǔ)理論知識(shí)講透徹的基礎(chǔ)上，更關(guān)鍵的是激發(fā)學(xué)生的興趣點(diǎn)，讓學(xué)生從興趣—知識(shí)—追求上形成系統(tǒng)的理論思維能力。基于OBE理念，作者注重每輪課程、每節(jié)課程學(xué)生的感受和實(shí)際學(xué)習(xí)效果（課堂提問(wèn)、討論、隨堂測(cè)試）。通過(guò)不斷總結(jié)優(yōu)化，“新能源材料與器件”課程課堂形式豐富活潑、教學(xué)效果扎實(shí)穩(wěn)定，正成為最受學(xué)生歡迎的專業(yè)課程之一[5]。

鋰離子電池、鈉離子電池、鉀離子電池等堿金屬電池部分是“新能源材料與器件”課程的重要內(nèi)容，早期課堂上以章節(jié)形式分別講授其原理、正負(fù)極電極材料及其電解液。由于這幾類電池具有類似的搖椅式工作原理，正負(fù)極材料類型很類似[6]。然而各類堿金屬電池的基礎(chǔ)電化學(xué)原理又存在細(xì)微差異，進(jìn)而課堂羅列一系列的基礎(chǔ)電化學(xué)概念，教師備課量龐雜，學(xué)生反映“感覺(jué)高大上、實(shí)際沒(méi)聽(tīng)懂”。采用OBE理念，我們課堂采用類比式、對(duì)比式等授課形式講授電極材料的相似性與差異性。以正極材料的類型的類似性為例，層狀氧化物、硫及氧都適合堿金屬電池。當(dāng)然差異性也需要講授。以堿金屬離子脫嵌層狀石墨負(fù)極為例，離子半徑較小的鋰離子和離子半徑較大的鉀離子易于脫嵌于石墨層。然而，處于中間大小的鈉離子不容易插入石墨層。顯然這與離子半徑大小沒(méi)有直接關(guān)系，這與鈉離子與石墨形成的中間相物質(zhì)的穩(wěn)定性不高有關(guān)系。另外，作者還鼓勵(lì)同學(xué)利用課余時(shí)間實(shí)地去實(shí)驗(yàn)室看看，了解理論與現(xiàn)實(shí)科研之間的關(guān)聯(lián)。通過(guò)這種類比式授課方式，學(xué)生可以較好地掌握系統(tǒng)知識(shí)，為培養(yǎng)系統(tǒng)思維模式提供鍛煉機(jī)會(huì)。

作者課題組招納了兩名上過(guò)“新能源材料與器件”課程的本科生在課題組攻讀碩士學(xué)位，因?yàn)樵鷮?shí)的本科基礎(chǔ)和系統(tǒng)的思維能力，兩名研究生均取得了優(yōu)異的研究成果。另?yè)?jù)調(diào)研得知，本專業(yè)的同學(xué)畢業(yè)繼續(xù)攻讀研究生比例和讀研成果均表現(xiàn)卓越。隨著時(shí)間的推移，我們的課程體系基于OBE理念正逐漸形成具有特色、課堂形式鮮活豐富、講授效果突出等優(yōu)點(diǎn)。

三、培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐能力

經(jīng)過(guò)深入的教學(xué)研究與實(shí)踐，學(xué)生實(shí)地進(jìn)入電池專業(yè)實(shí)驗(yàn)室，操作鋰離子電池的電極材料制備、電極制作、電池組裝與測(cè)試、電池性能分析等實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，鍛煉了學(xué)生的實(shí)踐能力，同時(shí)也激發(fā)了學(xué)生對(duì)課程的熱情[7]。

通過(guò)“新能源材料與器件”課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生在本科階段均積極加入相關(guān)研究方向的專任教師的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行科研實(shí)驗(yàn)。學(xué)校和學(xué)院給予了高度評(píng)價(jià)和大力支持。近年來(lái)，本科畢業(yè)論文水平有了明顯的提高，已經(jīng)涌現(xiàn)出一大批本科階段即可以掌握專業(yè)科研實(shí)驗(yàn)的獨(dú)立操作和深入研究的學(xué)生，據(jù)統(tǒng)計(jì)，新能源材料與器件專業(yè)每年畢業(yè)論文成果列表里均有3～5篇本科生為第一作者的英文文章。也正是本科階段即獲得了成熟的實(shí)驗(yàn)技能和科研創(chuàng)新能力，本科畢業(yè)生們無(wú)論是繼續(xù)深造讀研，還是參加工作，均顯示出喜人的成績(jī)。

作者在講授“新能源材料與器件”課程的班級(jí)里，接收了一名2015級(jí)本科生進(jìn)入課題組做課題，該學(xué)生在大學(xué)三年級(jí)時(shí)進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，初入實(shí)驗(yàn)室時(shí)并不能把課本上的基礎(chǔ)理論概念和實(shí)驗(yàn)室的科研實(shí)驗(yàn)聯(lián)系起來(lái)，在經(jīng)過(guò)近一個(gè)學(xué)期的業(yè)余科研實(shí)驗(yàn)經(jīng)歷后，學(xué)生在數(shù)學(xué)建模大賽找到突破點(diǎn)，總結(jié)實(shí)驗(yàn)室的科研成果，通過(guò)數(shù)學(xué)模型的建立，在材料計(jì)算領(lǐng)域取得突出性成果。該學(xué)生通過(guò)第一性原理計(jì)算，澄清了鋰離子電極材料的儲(chǔ)鋰通道，并通過(guò)計(jì)算成果推導(dǎo)出電極材料改性的關(guān)鍵點(diǎn)，后續(xù)課題組學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證計(jì)算出可行性[8-10 ]。在電化學(xué)儲(chǔ)能領(lǐng)域，幾十年來(lái)通過(guò)不斷嘗試新型電極材料來(lái)探索新型儲(chǔ)能電極，通過(guò)引入計(jì)算大大提高了科研效率，可以更高效地設(shè)計(jì)材料并有目的地創(chuàng)造新型電極材料。基于OBE理念的教學(xué)模式大大激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，通過(guò)基礎(chǔ)理論概念和實(shí)驗(yàn)實(shí)踐的碰撞，本科生可以激發(fā)出極大的原創(chuàng)能力，真正做到從書(shū)本中來(lái)，到科研中去，最終成果又回到書(shū)本中。

提高高等學(xué)校人才培養(yǎng)、科學(xué)研究、社會(huì)服務(wù)和文化傳承創(chuàng)新水平的重任在從事教學(xué)科研的一線教師。高校教師有義務(wù)為知識(shí)發(fā)現(xiàn)和科技創(chuàng)新提供重要力量、先進(jìn)思想和優(yōu)秀文化傳承。我國(guó)的高等教育正面臨著新的挑戰(zhàn)，隨著社會(huì)的發(fā)展和國(guó)際化進(jìn)程的深入，國(guó)家對(duì)高端人才的需求越來(lái)越大了。基于OBE理念，把國(guó)家的理念、社會(huì)的需求融入課程中去，通過(guò)考查學(xué)習(xí)成果，不斷調(diào)整完善教學(xué)設(shè)計(jì)和教學(xué)實(shí)施，目的是為我國(guó)高校發(fā)展“雙一流”提供支持。

四、基于OBE理念培養(yǎng)學(xué)生的科研興趣

近年來(lái)，通過(guò)對(duì)“新能源材料與器件”課程的學(xué)習(xí)，越來(lái)越多的本科生加入筆者課題組從事電池研究。他們對(duì)電池材料美妙的納米結(jié)構(gòu)的合成充滿好奇，對(duì)優(yōu)異電池性能充滿期待，對(duì)課題組內(nèi)學(xué)術(shù)交流表現(xiàn)出踴躍與自信，都體現(xiàn)出他們對(duì)“新能源材料與器件”外延的科研活動(dòng)的濃厚興趣。通過(guò)參與科研活動(dòng)，課題組已有十余名畢業(yè)生在國(guó)外著名大學(xué)繼續(xù)深造，從事電池領(lǐng)域的相關(guān)研究。

筆者在對(duì)“新能源材料與器件”課程講授的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)其中一批本科學(xué)生對(duì)科研產(chǎn)生了濃厚的興趣，并且利用業(yè)余時(shí)間在實(shí)驗(yàn)室工作，取得了一定的創(chuàng)新性科研成果。進(jìn)入研究生階段后，學(xué)生不僅僅是對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程逐漸熟悉與理解，而是找到了追求更深入科學(xué)知識(shí)的直接開(kāi)關(guān)，通過(guò)一個(gè)個(gè)的科學(xué)難題的解決，真正做到了把科研工作變成了科研興趣。

2019年化學(xué)諾貝爾獎(jiǎng)得主之一正是對(duì)鋰離子電池發(fā)展起到至關(guān)重要作用的約翰·古迪納夫教授。約翰·古迪納夫教授講過(guò)：“我們有些人就像是烏龜，走得慢，一路掙扎，到了而立之年還找不到出路。但烏龜知道，他必須走下去。”當(dāng)代大學(xué)生更應(yīng)該有目的地走下去，真正找到自己的興趣。在“新能源材料與器件”課程的學(xué)習(xí)過(guò)程中，學(xué)生更容易找到自己的專業(yè)興趣。因?yàn)樵撜n程注重在課堂的細(xì)節(jié)中潛移默化地培養(yǎng)學(xué)生的科研興趣，通過(guò)基礎(chǔ)電化學(xué)理論概念在各類新能源材料與器件中的一一關(guān)聯(lián)，逐漸有更多的學(xué)生在本科生階段走進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，本科畢業(yè)即繼續(xù)在科研道路上追求真理。多名通過(guò)“新能源材料與器件”課程和新能源材料研究結(jié)緣的同學(xué)，在本科畢業(yè)后加入了新能源研究領(lǐng)域繼續(xù)深造。

在學(xué)生繼續(xù)深造方面真正體現(xiàn)了祖國(guó)的魅力，也正有大批的留學(xué)生歸國(guó)投入祖國(guó)建設(shè)的各行各業(yè)中去。科學(xué)研究最終是為人服務(wù)的，學(xué)生掌握了技術(shù)后更愿意讓其在祖國(guó)的大地上生根發(fā)芽，為祖國(guó)繁榮做出貢獻(xiàn)。

五、基于OBE理念構(gòu)建多元的學(xué)習(xí)效果評(píng)價(jià)體系

“以學(xué)生為中心”是構(gòu)建成果評(píng)價(jià)體系的基本原則。針對(duì)該課程的不同階段，對(duì)已達(dá)成的學(xué)習(xí)效果，分別進(jìn)行學(xué)生自我評(píng)價(jià)和教師評(píng)價(jià)，并和預(yù)先設(shè)置的學(xué)習(xí)效果進(jìn)行比較，再進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)。所以，在對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，應(yīng)通過(guò)構(gòu)建合理有效的學(xué)習(xí)效果評(píng)價(jià)方法來(lái)提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性，采用多元化的評(píng)價(jià)方法，將教與學(xué)等過(guò)程考核結(jié)果與學(xué)生學(xué)習(xí)效果的反饋進(jìn)行有機(jī)融合，使學(xué)生能夠積極參與到自身學(xué)習(xí)效果評(píng)價(jià)中，增加考核評(píng)價(jià)方式的多樣性（如教師科學(xué)評(píng)估、學(xué)生自評(píng)和學(xué)生間互評(píng)等）[ 11，12 ]。

基于OBE理念，筆者制定了一系列的考核與評(píng)估機(jī)制。針對(duì)教學(xué)成果評(píng)價(jià)方面，我們包含了期末考試、課堂表現(xiàn)、課后作業(yè)、研究報(bào)告、科研論文讀后感、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)等多元化考核，注重發(fā)現(xiàn)學(xué)生的創(chuàng)新成果，不拘泥于某一項(xiàng)的成績(jī);針對(duì)學(xué)生自我評(píng)價(jià)方面，通過(guò)課堂討論與課后興趣科研等途徑，逐漸形成了學(xué)生為什么學(xué)、想學(xué)什么、應(yīng)該學(xué)什么、學(xué)后有什么用等諸多邏輯清晰的學(xué)習(xí)思路和模式，學(xué)生不再迷茫于學(xué)成后將來(lái)干什么用的問(wèn)題;針對(duì)教師評(píng)價(jià)方面，作者自身通過(guò)學(xué)校學(xué)院的教學(xué)評(píng)估，通過(guò)對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)成果的總結(jié)分析，通過(guò)對(duì)學(xué)生評(píng)價(jià)的深入剖析和反思，不斷地改善自己的教學(xué)思路、完善教學(xué)理念。

印象深刻的是2014級(jí)一名本科生因?yàn)椤靶履茉床牧吓c器件”課程對(duì)鋰離子電池產(chǎn)生了濃厚興趣，大二下學(xué)期加入我的課題組做科研工作，該同學(xué)各科成績(jī)都非常優(yōu)秀，在繁重的課業(yè)負(fù)擔(dān)下始終堅(jiān)持利用業(yè)余時(shí)間進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室做課題。這位同學(xué)也是我第一位授予的本科生操作手套箱權(quán)限資格的同學(xué)，經(jīng)過(guò)近三年的科研實(shí)驗(yàn)，其在大四下學(xué)期初完成了一篇英文科技論文的寫(xiě)作并投稿。這位同學(xué)從開(kāi)始的好奇，到進(jìn)實(shí)驗(yàn)室后的興趣，再到后來(lái)的對(duì)科研的熱愛(ài)，也深深激勵(lì)了我對(duì)本科教育的忠誠(chéng)與熱愛(ài)。優(yōu)秀的教師培養(yǎng)優(yōu)秀的學(xué)生，優(yōu)秀的學(xué)生也同時(shí)激勵(lì)著教師。該同學(xué)最終以優(yōu)異的學(xué)習(xí)成績(jī)和豐富的科研經(jīng)歷被保送到國(guó)內(nèi)一所頂級(jí)知名高校繼續(xù)深造。

總之，本科生的課程已經(jīng)不再是只講公式、只記筆記就可以讓學(xué)生領(lǐng)悟到當(dāng)下科學(xué)前沿思想的教學(xué)模式。人類的科技在近20年時(shí)間呈現(xiàn)了井噴式發(fā)展，高等教育的師資力量也呈現(xiàn)出跨越式提高。本科教學(xué)是體現(xiàn)高等教育先進(jìn)性的晴雨表，只有搞好本科教學(xué)，才能為我們國(guó)家提供大量的技術(shù)型人才、科研型人才。高校教師更應(yīng)該適應(yīng)時(shí)代需求、讀懂學(xué)生心聲，在教育理念上不斷推陳出新，讓學(xué)生真正站在巨人肩膀上不斷前行。

六、結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在OBE理念的指導(dǎo)下，通過(guò)教學(xué)內(nèi)容、授課方式與手段、課程形式、案例選擇、實(shí)踐環(huán)節(jié)等方面的綜合教育教學(xué)改革與長(zhǎng)期實(shí)踐，對(duì)學(xué)生的科學(xué)興趣培養(yǎng)、系統(tǒng)理論思維方式鍛煉、創(chuàng)新意識(shí)與能力培養(yǎng)等起到推動(dòng)作用，同時(shí)通過(guò)這門(mén)課程，學(xué)生培養(yǎng)了科技報(bào)國(guó)情操，提高了制造強(qiáng)國(guó)熱情，增強(qiáng)了服務(wù)社會(huì)報(bào)效祖國(guó)的決心。教學(xué)實(shí)踐表明，“新能源材料與器件”這門(mén)課程的改革效果顯著，具有交流推廣意義。

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Teaching Reform of Engineering Major Based on Results-oriented Education Concept：

Taking the Course of New Energy Materials and Devices as an Example

MA Jian-min

（School of Physics and Electronics， Hunan University， Changsha， Hunan 410082， China）

Abstract： According to the orientation and requirements of the national engineering education certification， and combined with the characteristics of the course of New Energy Materials and Devices， the advanced teaching concept of results-oriented education is introduced into the teaching practice of the course. Under the guidance of the results-oriented education concept， we fully implement the student-centered and results-oriented teaching concepts from the aspects of teaching design， teaching content， teaching form and assessment method， so as to mobilize the enthusiasm and consciousness of students learning， and achieve ideal teaching effect in cultivating students interest in scientific research， scientific thinking mode， the dedication spirit of serving the country with science and technology and their innovation consciousness.

Key words： New Energy Materials and Devices; teaching reform; teaching content; systematic thinking ability