基于“新農科+新工科”融合教育模式的“能源化學”課程教學改革與探索

楊 帆，王 莉，靳登超，彭錦星

（天津農學院 工程技術學院，天津 300392）

當前正處于知識經濟時代，以互聯網和工業智能為核心的新興產業蓬勃發展。我國工程教育的“新工科”建設改革運動為新經濟時代工程科技人才的鑄就和培養提供了保障。農業農村現代化建設、實施鄉村振興戰略和生態文明建設同樣需要強有力的農業科技人才支撐，“新農科”建設也已成為農科類高校教育教學改革的重要方向[1-2]。

以大數據、人工智能、云計算等技術為代表的新工業反哺農業，促進現代化農業發展。“新農科”和“新工科”教育的內涵都是科學、人文和工程多學科交叉融合和跨界整合，創新技術和材料，實現對傳統產業的信息化、智能化改造。“新農科”和“新工科”教育模式融合后主要致力于培養知識結構寬、科學基礎厚、工程和創新能力強、具有交叉融合能力、綜合素質高、適應農業農村現代化建設的高層次人才[3-6]。

1 “能源化學”課程

1.1 課程特色

天津農學院是一所具有地方特色的農業高校，為新能源科學與工程專業本科生開設了一門專業基礎課—“能源化學”。該課程是能源、化學、材料學、物理學、生物學、環境學等多學科融合形成的綜合型課程，對后續專業課的學習具有深遠影響。本課程涉及節能環保、高端裝備制造、新能源和新材料等領域，可為新農村能源環保工作培養具有深厚學科基礎的專門人才。

1.2 總體改革措施

通過學習本課程，學生要掌握常規能源和新能源的開發、轉化、高效利用、儲存以及傳輸過程中應用的基本化學原理，掌握常規能源和新能源的開發、轉化以及高效利用過

程中應用的主要化工工藝和設備，掌握能源開發、轉化和利用過程中污染物的消減以及再生利用技術。本課程旨在培養學生的社會責任感、刻苦鉆研的工作精神，為社會輸送從事能源開發利用和節能減排等相關領域產品生產、研發、管理等方面的應用型人才[7]。

目前，“能源化學”課程教學主要存在以下3個問題：（1）教學內容中密切聯系新經濟時代農業現代化建設和新工業生產實踐的知識較少，能源開發利用的前沿知識引入不足；（2）教學方式單調，學生簡單傾聽，屬于“被動式學習”，教學模式陳舊；（3）考核模式單一，難以評價學生的綜合能力、科研素養和創新思維活躍度。因此，學生的學習興趣、積極主動性及課堂參與度不高，教學效果不佳。

中國農村清潔能源建設發展是農村現代化建設的重中之重，迫切需要綜合型知識結構寬、創新能力強的應用型農業人才。在“新農科”和“新工科”融合教育背景下，針對上述問題，“能源化學”課程教學改革主要從以下3個方面進行：（1）基于成果導向教育（Outcome Based Education，OBE）理念制定符合“新農科”和“新工科”教育培養目標的教學大綱和教學內容；（2）基于OBE理念調整課堂教學策略和方法，運用多種教學方法，結合線上線下混合式教學模式，提高教學成效；（3）改革考核評價方式，以多種考核形式綜合反映學生的學習態度、學習能力、溝通與協作能力和創新能力等。

2 基于OBE理念的教學內容改革

2.1 OBE教育理念

結合“新農科”和“新工科”的教育培養要求，在OBE教育理念的指導下，根據工程教育專業認證標準和畢業要求，明確了“能源化學”課程能夠支撐的畢業要求是“工程知識、問題分析、使用現代工具、環境與可持續發展、職業規范、溝通、終身學習”7條畢業要求一級指標點[8-10]。根據“能源化學”課程內容梳理出能達成以上培養目標的課程目標和相應的章節內容，設計教學日歷、大綱和教案等教學資料，合理規劃課程教學進度。

2.2 課程培養目標

支撐“工程知識”一級指標點的課程培養目標有：掌握能源化學領域的基本概念、基本理論；掌握常規能源和新能源技術（新型煤化工、石油、天然氣、太陽能、核能、生物質能、氧化還原反應和電池、氫能，儲能技術和燃料電池等）研究、開發、應用及前景；掌握常規能源和新能源在能量轉換和利用過程中應用的基本化學原理、主要化工工藝和設備；能運用所學理論和技術解決能源轉化和利用領域中的相關化學問題。支撐“問題分析”指標點的課程目標為：掌握潔凈煤技術的主要化學原理和化工技術；掌握天然氣分離和凈化的主要化學原理和化工技術；掌握天然氣化工利用的主要途徑；掌握太陽能光熱利用、光電利用和光化學利用的基本化學原理；掌握生物質制取燃料乙醇和生物柴油的主要化學原理和化工技術；掌握典型化學儲能技術中的基本化學原理和化工技術（鋰離子電池、燃料電池和超級電容器）；熟悉能源轉化和利用過程中的水污染問題及其治理技術；掌握煤炭燃燒過程中的污染物治理技術。支撐“使用現代工具”指標點的課程目標是：熟練利用Excel、計算機輔助設計（CAD）等軟件進行數據分析和工程制圖；熟練利用中英文數據庫檢索和閱讀相關科技文獻。支撐“環境與可持續發展”指標點的課程目標是：熟悉循環經濟、清潔生產、環境保護和可持續發展等理論，在工作和生活中樹立科學發展觀，秉承可持續發展理念。支撐“職業規范”指標點的課程目標是：堅守誠實守信、愛崗敬業、嚴謹求實、服務大眾、勇于擔當和勇于拼搏的職業品德，樹立保護公眾安全和促進社會可持續發展的職業理念。支撐“溝通”指標點的課程目標是：能夠熟練闡述能源化學工程領域的相關內容、清晰地表達個人觀點。支撐“終身學習”指標點的課程目標是：能夠根據專業和職業的發展需求，了解能源行業相關技術的發展現狀和趨勢，主動自覺地學習相關內容，適應自我發展需要[11]。

根據課程培養目標，對“能源化學”課程各章節知識點進行優化和整合，提煉和整理各章節知識點的聯系和交叉，調整課程內容和學時安排。課程主要突出當前農村能源環保建設熱點和難點問題，重點講解當前農村清潔能源利用技術的化學原理和化工技術，注重跨界整合知識，即各章原理和技術的交叉應用，并適當引入學科前沿知識。

由于學時縮減，將原有的十一章內容整合為七章，其中，原第三章和第六章調整為線上自學，其他線下講授的章節也依照知識點的重要性進行了學時的調整。將化學儲能技術、燃料電池和超級電容器這三章內容整合為一章，主要講解二次電池、鋰離子電池、燃料電池和超級電容器等化學儲能技術。調整后的各章節將重點講授具有“新農科”特色的“新工科”技術（見表1）。

表1 基于“新農科”“新工科”融合教育培養目標的“能源化學”教學內容改革

依據各章節知識點的聯系，提煉出不同新能源技術的交叉應用，并采用案例法或任務驅動法等重點講授。例如第二、四、五、七、八章的交叉應用內容：潔凈煤技術、生物質能、太陽能等其他新能源在新農村建設中的推廣應用；農村新能源技術與儲能技術的關系；農村能源利用過程中的環境保護問題。

3 基于OBE理念的教學方法改革

依據新設置的教學計劃，以工程教育專業認證的畢業要求為導向，設計教學方案，運用多種教學方法，提高學生的學習積極性和課堂參與度，進一步提升教學效果。針對每章節的重難點，運用問題驅動教學法（Problem-Based Learning，PBL）、任務驅動法、案例法等教學方法。

例如教授第二章“煤化工中的潔凈煤技術”時采用PBL法。課前，教師布置任務：學生課下觀看智慧樹上的倫敦煙霧事件、洛杉磯光化學煙霧事件、霧霾污染等視頻，分組查閱資料和文獻，找出這些嚴重污染公害事件的污染物及來源、污染物造成危害的原因和其中涉及的化學原理或反應。課上，教師請學生展示課前預習成果，并歸納燃煤引起的環境污染問題，針對學生總結的燃煤可能產生的污染物提出相應的解決措施，進而引出潔凈煤技術，激發學生的學習興趣、提升學生的學習效果。

再如采用任務驅動法講解第二章、第四章、第五章和第六章具有突出農業特色且多學科交叉應用問題“煤改氣、煤改電、太陽能、生物質能在新農村建設中的推廣應用及其面臨的困境”。學習完這些章節后，教師將學生分成四大組，分別針對以上問題查閱文獻、撰寫論文、制作PPT，并在課堂上匯報。教師和學生圍繞不同的話題展開課堂討論，每個學生都要回答教師提出的問題。教師根據論文、PPT、課堂匯報、課堂討論和回答問題的情況給學生評分。每組的論文和PPT都要上傳至智慧樹平臺，供全班學生評閱打分。

又如采用案例法講解燃料電池中氫能的來源和儲運問題。以“氫能汽車的發展”為案例，引入制備和儲存氫氣的方法，通過課堂提問回顧前幾個章節中化石燃料和生物質制氫、光化學制氫的化學途徑。教師提出儲存氫氣的技術方法并引導學生思考保障氫能汽車安全性的儲氫方式。

采用線上線下混合式教學模式，所有章節涉及的學科前沿知識和第六章或第十二章的內容采用微課或翻轉課堂教授。將每章節重要知識點的應用、源于實際生產生活的視頻或優秀的互聯網教學資源上傳到智慧樹學習平臺，并開展靈活多樣的教學活動，如話題討論、問卷調查等，調動學生的學習熱情，使學生能及時復習知識，加深對知識點的掌握程度。

4 課程考核評價方式改革

利用智慧樹平臺發布章節作業和期中測試任務，可以通過線上監測的學習情況量化學生在整個學習過程中的學習態度和過程性成績。在線下課程中設置期中測試，教師提前分組并布置任務，每組學生分工合作完成任務相關論文的撰寫、PPT答辯等；教師課上組織小組學生展示成果、進行課堂研討。期中測試成績由教師評分和組間互評分按照一定比例構成。期末考核評價成績由課堂考勤∶線上作業成績∶課堂討論∶實踐作業∶期末考試=5∶10∶5∶10∶70構成。這種考核方式既能反映學生的學習過程成績，又能反映學生的學習態度、合作和交流能力以及創新、思辨和表達能力。

5 結語

在“新農科”“新工科”建設背景下，“能源化學”課程按照“安吉共識”“復旦共識”和“北京指南”的建設要求，遵循“新農科”和“新工科”的發展理念，以培養“創新型、復合型、應用型的新型工農人才”為根本目標，開展教學改革的探索與實踐。基于OBE理念，依據課程對畢業要求指標點的支撐作用，梳理出相應的課程培養目標，優化課程結構，整合課程內容，突出“新農科”特色以及跨界整合和學科交叉應用的特色。緊緊圍繞“新農科”“新工科”建設的教學目標，改革教學方法，引入PBL法、任務驅動法、案例法等教學方法。同時采用線上線下混合教學模式，提高學生的學習積極性，提升教學效果。采用結合線下課堂考核、線上平臺考核和期末考核的動態考核評價方法，實現對學生學習態度、學習能力和綜合素質的客觀、全面評價。本次教學改革可以提高教學質量，有效培養學生的學習能力、科學研究能力和創新能力，為新能源科學與技術專業工農融合型人才的培養提供借鑒。