“能源電化學(xué)”課程建設(shè)的初步探索*

張 楠，李宇明，孫 暉，劉海燕，宋衛(wèi)余

(中國石油大學(xué)(北京)，北京 102249)

在世界能源博弈日趨激烈的當(dāng)下，作為世界最大能源生產(chǎn)國和消費國，大力發(fā)展綠色可持續(xù)的新能源是我國“十四五”規(guī)劃的戰(zhàn)略性決策。同時，碳達峰，碳中和的能源發(fā)展目標對于具有傳統(tǒng)能源特色的中國石油大學(xué)(北京)的科研和教學(xué)均提出了新的要求和挑戰(zhàn)。高校承擔(dān)著人才培養(yǎng)和科技創(chuàng)新的重要使命[1]。因此，圍繞綠色化學(xué)的重要手段電化學(xué)技術(shù)在新能源領(lǐng)域的重要應(yīng)用所開展的“能源電化學(xué)”課程建設(shè)，對于培養(yǎng)滿足新時代發(fā)展需求的創(chuàng)新型人才，強化國家戰(zhàn)略科技力量至關(guān)重要，為新一輪科技和產(chǎn)業(yè)革命機遇提供強大動力和有力保障。

近年來，我國部分高校陸續(xù)開始設(shè)置“能源電化學(xué)”同類課程[2]，但現(xiàn)有類似課程各自的體系及使用教材內(nèi)容覆蓋面廣，重點各有不同，需要結(jié)合各高校和開課院系的自身特點進一步完善。針對于此，基于筆者多年教學(xué)和實踐經(jīng)驗，以及我校應(yīng)用化學(xué)專業(yè)本科生的實際教學(xué)情況，本文對課程內(nèi)容的教學(xué)理念、教學(xué)設(shè)計和課程特色進行了探索，提出了適合于應(yīng)用化學(xué)專業(yè)本科生的 “能源電化學(xué)”課程建設(shè)方案。

1 面向應(yīng)用化學(xué)專業(yè)本科生的“能源電化學(xué)”課程建設(shè)的必要性

目前，我校已開設(shè)一門“能源電化學(xué)”課程，是由新能源與材料學(xué)院面向新能源專業(yè)本科生于2019年開設(shè)的。該課程授課時間在本科生的大二下學(xué)期，先行課程包括“無機化學(xué)與分析化學(xué)”(64學(xué)時，大一上學(xué)期)、“有機化學(xué)”(64學(xué)時，大一下學(xué)期)、“物理化學(xué)”(64學(xué)時，大二上學(xué)期)的四大化學(xué)專業(yè)基礎(chǔ)課程。然而，該課程不適用于應(yīng)用化學(xué)專業(yè)的本科生教學(xué)。

與新能源專業(yè)不同，面向應(yīng)用化學(xué)專業(yè)本科生的四大化學(xué)專業(yè)基礎(chǔ)課程“無機化學(xué)與分析化學(xué)”(I)(II)(共88學(xué)時，大一上、下學(xué)期)，“有機化學(xué)”(I)(II)(共88學(xué)時，大二上、下學(xué)期)、“物理化學(xué)”(I)(II)(共88學(xué)時，大二上、下學(xué)期)均采用更長的學(xué)時，因而允許對于各知識點進行更詳細的授課，尤其是涉及電化學(xué)知識板塊的“無機化學(xué)與分析化學(xué)”和“物理化學(xué)”課程，導(dǎo)致上述四大化學(xué)作為先行課程，部分知識點與現(xiàn)有的“能源電化學(xué)”課程重復(fù)，如“平衡電極電位”、“電位-pH圖”、“雙電層”等。綜上，由于現(xiàn)有面向新能源專業(yè)的“能源電化學(xué)”課程授課內(nèi)容不適合應(yīng)用化學(xué)專業(yè)的本科生，因此，有必要建設(shè)一門適用于應(yīng)用化學(xué)專業(yè)本科生的新型“能源電化學(xué)”課程。

化學(xué)是一門實驗科學(xué)，學(xué)習(xí)基礎(chǔ)理論的最終目的是利用理論知識解決復(fù)雜的實際問題。對于應(yīng)用化學(xué)專業(yè)本科生來說，四大化學(xué)專業(yè)基礎(chǔ)課程學(xué)習(xí)任務(wù)的完成不應(yīng)該是專業(yè)基礎(chǔ)課的終點，而應(yīng)該是專業(yè)基礎(chǔ)知識運用的起點。因此，面向應(yīng)用化學(xué)專業(yè)本科生建設(shè)的新型“能源電化學(xué)”課程是一門應(yīng)用型實用技術(shù)課程，是培養(yǎng)學(xué)生“將知識轉(zhuǎn)化為能力”、“學(xué)以致用”的必要環(huán)節(jié)，有利于我校構(gòu)建厚基礎(chǔ)、寬專業(yè)、強能力、高素質(zhì)的人才培養(yǎng)體系[3]。

2 面向應(yīng)用化學(xué)專業(yè)本科生的新型“能源電化學(xué)”課程建設(shè)

2.1 貫徹以“培養(yǎng)符合社會需求的應(yīng)用型人才”為目標的教學(xué)理念

目前，工程技術(shù)人才的培養(yǎng)與社會需求、行業(yè)需求脫節(jié)；綜合性和創(chuàng)新性訓(xùn)練偏少[4]，使學(xué)生進行基礎(chǔ)理論知識的學(xué)習(xí)之后，不知道在當(dāng)今社會中，可以將這些知識運用到哪些專業(yè)領(lǐng)域中的哪些地方，具體又能夠做些什么事請，導(dǎo)致“學(xué)”與“用”分離，大幅降低了學(xué)生對于基礎(chǔ)理論知識的學(xué)習(xí)熱情，最終造成“基礎(chǔ)理論知識差——面對實際的專業(yè)問題時不會應(yīng)用”的惡性循環(huán)。

我校應(yīng)用化學(xué)專業(yè)本科生在四大化學(xué)、大學(xué)物理、結(jié)構(gòu)化學(xué)、納米復(fù)合材料、催化原理為先行課程的學(xué)習(xí)過程中，已經(jīng)掌握了化學(xué)、物理、材料等專業(yè)的必要理論基礎(chǔ)知識，但仍缺乏以實際應(yīng)用為目的，貫穿各知識點自主地進行正確的挑選和運用的能力。而且上述傳統(tǒng)的課程體系缺少對學(xué)生交叉類學(xué)科的培養(yǎng)，可能造成各知識點在學(xué)生頭腦中的分立存在。

基于以應(yīng)用目標為導(dǎo)向、多學(xué)科跨專業(yè)、重視實踐、全方位進行科研融入的課程內(nèi)容設(shè)計和特色，“能源電化學(xué)”課程堅持貫徹以“培養(yǎng)符合社會需求的應(yīng)用型人才”為目標，是一門幫助學(xué)生建立化學(xué)—物理—材料多學(xué)科之間聯(lián)系的理解，培養(yǎng)學(xué)生多學(xué)科知識關(guān)聯(lián)運用能力，提高應(yīng)用化學(xué)專業(yè)本科生綜合素質(zhì)的綜合性訓(xùn)練課程。

2.2 以應(yīng)用目標為導(dǎo)向

“能源電化學(xué)”課程的內(nèi)容設(shè)計如圖1所示。首先，電化學(xué)在能源領(lǐng)域的應(yīng)用講解分為電催化能源轉(zhuǎn)化和電催化能源存儲兩個模塊，分別包括電催化裂解水制氫，電催化裂解水制氧，電催化氮氣還原合成氨、電催化二氧化碳還原、燃料電池，以及鋰離子電池和超級電容器等多個具體應(yīng)用方向，講解內(nèi)容包括市場價值和研究意義，近幾年的研究現(xiàn)狀，電催化性能參數(shù)，熱門材料及其催化機理，尚未解決的科學(xué)問題等。其次，為了加深學(xué)生理解催化材料與活性和機理之間內(nèi)在聯(lián)系，對與電催化材料設(shè)計相關(guān)的半導(dǎo)體基礎(chǔ)和異質(zhì)結(jié)理論進行講解。最后，對于本課程所介紹的各項應(yīng)用所涉及的重要電催化測試技術(shù)進行專題講解并安排課內(nèi)實驗，使學(xué)生不僅有針對性地深入理解前面所授的電催化性能參數(shù)的數(shù)據(jù)分析原理，而且具備電化學(xué)技術(shù)的各項電化學(xué)技術(shù)的實際操作能力。綜上，本課程整體的內(nèi)容設(shè)計是以電催化能源領(lǐng)域的應(yīng)用為開端，深入到材料催化機理，再回到電催化測試技術(shù)應(yīng)用實踐的過程，充分體現(xiàn)了以應(yīng)用目標為導(dǎo)向的課程內(nèi)容設(shè)計。

圖1 “能源電化學(xué)”課程的內(nèi)容設(shè)計

2.3 多學(xué)科跨專業(yè)

現(xiàn)如今，學(xué)科的交叉與融合已成為科學(xué)發(fā)展的創(chuàng)新源泉和時代特征[5]。能源電化學(xué)作為典型的交叉學(xué)科，近年來的迅速發(fā)展對于從業(yè)人員的知識結(jié)構(gòu)提出了新的要求。相應(yīng)地，本課程不拘泥于單一學(xué)科或?qū)I(yè)，而是涉及到化學(xué)-物理-材料三個學(xué)科和專業(yè)的理論基礎(chǔ)知識，課程內(nèi)容本身具有多學(xué)科跨專業(yè)的特色。也正因如此，不同于傳統(tǒng)的課程，現(xiàn)有的教材與講義無法滿足本課程的內(nèi)容結(jié)構(gòu)，編寫本課程講義和教材的師資隊伍也具有多學(xué)科跨專業(yè)的特色。

在本課程的講義和教材中，既包括我校新能源與材料學(xué)院的老師對于材料合成方法與近代表征技術(shù)的講解，又包括理學(xué)院應(yīng)用化學(xué)系的老師從物理化學(xué)專業(yè)的角度出發(fā)進行電催化測試操作技術(shù)及數(shù)據(jù)分析的講解，上述兩部分從應(yīng)用型的技術(shù)層面講明“怎么做”；此外，本課程還從理論層面更深層次地講明“為什么這么做”，既有理學(xué)院物理系老師對固體物理和半導(dǎo)體物理相關(guān)知識點進行講解從而闡明材料的改性導(dǎo)致電子結(jié)構(gòu)如何變化，又有理學(xué)院應(yīng)用化學(xué)系的老師從計算化學(xué)專業(yè)的角度對電荷密度差分法、態(tài)密度計算等多種理論計算方法進行講解，引導(dǎo)學(xué)生從分子原子水平上去認識反應(yīng)的微觀過程，深入理解電子結(jié)構(gòu)變化是如何改變催化機理進而影響電催化活性的。綜上，通過跨學(xué)院，跨專業(yè)的分工與合作進行本課程講義和教材的編寫，實現(xiàn)本課程的多學(xué)科跨專業(yè)特色，可以避免學(xué)生在不同專業(yè)角度上對于同一知識點的理解沖突，建立學(xué)生多學(xué)科知識點之間的邏輯關(guān)聯(lián)，構(gòu)造學(xué)生的三維理化知識網(wǎng)絡(luò)。

2.4 重視實踐

實驗實踐是高校開展素質(zhì)教育、提高知識向能力轉(zhuǎn)化、培養(yǎng)合格應(yīng)用型創(chuàng)新人才的必要途徑[6]。因此，“能源電化學(xué)”課程設(shè)置課內(nèi)實驗，從電化學(xué)基礎(chǔ)操作打磨玻碳電極入手，系統(tǒng)地進行循環(huán)伏安測試，線性掃描伏安測試，阻抗測試等常用電化學(xué)技術(shù)的教學(xué)。同時以應(yīng)用目的為導(dǎo)向，將各項電化學(xué)技術(shù)與電催化析氫，電催化析氧等應(yīng)用相結(jié)合，教會學(xué)生如何通過多種電化學(xué)測試手段，對各項應(yīng)用所采用催化劑的電化學(xué)性能進行全面的評價。

隨著電化學(xué)新技術(shù)的不斷發(fā)展和需求的提升，面向應(yīng)用化學(xué)專業(yè)所設(shè)置的“電化學(xué)實驗”課程已經(jīng)逐漸開展于各個高校[7-8]。不同于設(shè)置個別零散電化學(xué)實驗的“無機化學(xué)與分析化學(xué)實驗”及“物理化學(xué)實驗”課程，“能源電化學(xué)”課程中，所有課內(nèi)實驗項目均為電化學(xué)實驗，正填補了我校應(yīng)用化學(xué)專業(yè)本科生 “電化學(xué)實驗”課程設(shè)置的空缺。

此外，“能源電化學(xué)”課內(nèi)實驗對于當(dāng)代能源電化學(xué)領(lǐng)域廣泛采用的電化學(xué)技術(shù)培訓(xùn)，目標集中且與現(xiàn)代科研和應(yīng)用技術(shù)銜接緊密，應(yīng)用性和實用性強，有利于學(xué)生提高專注力，激發(fā)專業(yè)興趣。相比于過分重視基本操作、驗證性的傳統(tǒng)實驗教學(xué)，“能源電化學(xué)”的課內(nèi)實驗的前沿性和不確定性給學(xué)生以挑戰(zhàn)，在提高本科生科研素養(yǎng)、培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維等方面發(fā)揮重要作用[9]。

2.5 全方位進行科研融入

戴安邦院士曾提出“全面的科學(xué)教育要求教學(xué)既傳授知識和技術(shù)，更訓(xùn)練科學(xué)方法和思維，還培養(yǎng)科學(xué)精神和品德”[10]。因此，在化學(xué)學(xué)科的教學(xué)過程中，應(yīng)有意識地將科研與教學(xué)進行有機的融合，促進科研與教學(xué)的良性互動。“能源電化學(xué)”課程中，對應(yīng)電催化能源轉(zhuǎn)化和存儲領(lǐng)域的各個具體應(yīng)用方向，選擇近幾年刊登在國內(nèi)、外高水平期刊上，且對本科生難度適中的文獻，基于納米催化材料的設(shè)計制備-形貌組成表征-電催化性能測試-機理分析的完整科研工作，向?qū)W生講解合成方法與近代材料表征技術(shù)、電化學(xué)測試和數(shù)據(jù)分析、固體物理和半導(dǎo)體物理理論、理論計算結(jié)果分析。在具體文獻背景下的上述知識講解更加有針對性，有利于提高教學(xué)效果，而且這種課程設(shè)計有利于培養(yǎng)本科生對于電化學(xué)能源領(lǐng)域文獻的閱讀和理解能力。此外，除了課堂上對于各電催化能源領(lǐng)域應(yīng)用的一個代表性工作文獻介紹及其對應(yīng)的知識點講解之外，還向?qū)W生提供多篇文獻作為課后讀物，并鼓勵學(xué)生自己進行文獻查找和閱讀，加深了解各電催化能源應(yīng)用方向的科研工作設(shè)計。綜上，“能源電化學(xué)”課程全方位進行科研融入有助于科研能力訓(xùn)練實現(xiàn)本科生全覆蓋和創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)。

3 結(jié) 語

針對應(yīng)用化學(xué)專業(yè)的特點，開展面向應(yīng)用化學(xué)專業(yè)本科生的《能源電化學(xué)》跨專業(yè)挑戰(zhàn)性課程建設(shè)的教學(xué)探索，建立以應(yīng)用目標為導(dǎo)向的知識體系，在多學(xué)科跨專業(yè)的情況下，既考慮知識內(nèi)容的系統(tǒng)性，又強調(diào)技能訓(xùn)練的系統(tǒng)性，同時將當(dāng)今電催化能源轉(zhuǎn)化與存儲的科研前沿和研究熱點進行有機融入，順應(yīng)多學(xué)科融合的教學(xué)發(fā)展趨勢和社會對于應(yīng)用型人才的需求，可以為提升我校化學(xué)專業(yè)的本科教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)理學(xué)綜合型應(yīng)用創(chuàng)新人才打下堅實的基礎(chǔ)。