電化學(xué)原理及應(yīng)用課程教學(xué)創(chuàng)新與實(shí)踐

摘 要：電化學(xué)原理及應(yīng)用作為一門新能源材料與器件專業(yè)應(yīng)用型人才培養(yǎng)的專業(yè)主干課程，必須以新工科建設(shè)思維去培養(yǎng)適應(yīng)于行業(yè)需求的人才。該文從如何使學(xué)生面向行業(yè)發(fā)展、如何縮小學(xué)業(yè)水平差距、如何發(fā)揮評學(xué)的激勵作用等問題出發(fā)，提出相應(yīng)的應(yīng)對策略，實(shí)現(xiàn)“有效內(nèi)容、有效學(xué)習(xí)、有效評學(xué)”的目標(biāo)，為培養(yǎng)適應(yīng)社會需求的應(yīng)用型人才的教學(xué)目標(biāo)提供支撐。

關(guān)鍵詞：電化學(xué)原理及應(yīng)用；教學(xué)創(chuàng)新；遞進(jìn)式任務(wù)；差異性；教學(xué)內(nèi)容

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2096-000X（2024）26-0039-04

Abstract： Electrochemical Principles and Applications as a major backbone course for cultivating applied talents in the field of new energy materials and devices， it is necessary to cultivate talents suitable for industry needs with the thinking of new engineering construction. Starting from issues such as how to orient students towards industry development， how to narrow the academic gap， and how to leverage the motivating role of evaluation， this article proposes corresponding strategies to achieve the goal of "effective content， effective learning， and effective evaluation"， providing support for the teaching goal of cultivating applied talents that meet social needs.

Keywords： Electrochemical Principles and Applications; teaching innovation; progressive tasks; differentiation; teaching content

習(xí)近平總書記指出：我國高等教育發(fā)展方向要同我國發(fā)展的現(xiàn)實(shí)目標(biāo)和未來方向緊密聯(lián)系在一起，為人民服務(wù)，為中國共產(chǎn)黨治國理政服務(wù)，為鞏固和發(fā)展中國特色社會主義制度服務(wù)，為改革開放和社會主義現(xiàn)代化建設(shè)服務(wù)。這就要求高等教育要把服務(wù)國家戰(zhàn)略需求作為基本邏輯。2011年以來，國內(nèi)高校逐步設(shè)立新能源材料與器件學(xué)科，到2023年，我國已有幾十所院校開設(shè)了新能源材料與器件專業(yè)，是為適應(yīng)國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)需要，培養(yǎng)能夠系統(tǒng)掌握新能源材料、新能源器件設(shè)計(jì)與制造工藝、測試技術(shù)與質(zhì)量評價、新能源系統(tǒng)與工程等方面的專業(yè)基本理論與基本技能的復(fù)合型人才[1]。北方民族大學(xué)于2012年（第二批）設(shè)立該專業(yè)，面向國家“雙碳”發(fā)展戰(zhàn)略和寧夏建設(shè)國家新能源示范區(qū)的需求，將培養(yǎng)滿足光伏材料及器件、電化學(xué)儲能與轉(zhuǎn)化材料及器件行業(yè)需求的應(yīng)用型人才作為專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)。新能源材料與器件專業(yè)所服務(wù)的行業(yè)具有戰(zhàn)略需求強(qiáng)、發(fā)展快等特點(diǎn)，電化學(xué)原理及應(yīng)用課程是新能源材料與器件專業(yè)的專業(yè)主干課，對其面向需求進(jìn)行改革至關(guān)重要。自2013年開設(shè)以來，課程于2014年納入學(xué)校長期過程性評價改革課程目錄，2020年完成了MOOC學(xué)習(xí)資源建設(shè)，2020年被認(rèn)定為省級線下一流本科課程。

電化學(xué)原理相關(guān)課程是新能源材料與器件專業(yè)必設(shè)主干課程，針對課程對行業(yè)發(fā)展的適應(yīng)性，各個高校不斷地圍繞教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和課程思政等方面對該課程教學(xué)進(jìn)行改革創(chuàng)新。長沙理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院張怡瓊等[2]緊跟科技前沿，以學(xué)生為中心，基于線上線下混合式教學(xué)模式引導(dǎo)學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中完成“感性認(rèn)識→理性認(rèn)識→知識內(nèi)化”的轉(zhuǎn)變。針對課程概念繁多、邏輯性強(qiáng)、晦澀難懂等特點(diǎn)，湖南工程學(xué)院材料與化工學(xué)院劉萬民等[3]對課程進(jìn)行了“由簡入繁”與“由繁化簡”的教學(xué)設(shè)計(jì)。北京航空航天大學(xué)陳科等[4]設(shè)計(jì)了“雨課堂”的課程的線上和線下“混合式”教學(xué)模式，河南工學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院李發(fā)闖等[5]探索了MOOC+SPOC混合式教學(xué)法，北方民族大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院鄒忠利等[6]探索了基于問題教學(xué)法等在電化學(xué)原理課程教學(xué)的應(yīng)用實(shí)踐。湘潭大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院吳堂清等[7]以電化學(xué)原理課程為例，提出從學(xué)科歷史、名人軼事、瓶頸技術(shù)、負(fù)面事例、疫情防控、科技成果和科學(xué)哲學(xué)等多角度深度挖掘課程思政教育資源的方法。

一 課程教學(xué)面臨的問題

（一） 如何使教學(xué)內(nèi)容有效支撐學(xué)生發(fā)展

由于新能源行業(yè)發(fā)展日新月異，但教材內(nèi)容比較基礎(chǔ)，且單純的理論教學(xué)無法塑造學(xué)生良好的素質(zhì)。因此，首先要實(shí)現(xiàn)課程現(xiàn)代化以更好地解決“社會需求”“知識體系”和“個體發(fā)展”三者之間的關(guān)系[8]。教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行重構(gòu)是實(shí)現(xiàn)課程現(xiàn)代化的有效途徑，通過構(gòu)建面向時代需求的“專業(yè)知識+課程思政”的現(xiàn)代化課程內(nèi)容以解決教學(xué)內(nèi)容滯后、素質(zhì)培養(yǎng)與教學(xué)脫節(jié)的問題。這就要求教學(xué)要在保證學(xué)生能夠應(yīng)用課程理論與方法分析解決專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)基本問題的基礎(chǔ)上，確保學(xué)生的知識和能力能夠適應(yīng)迅速發(fā)展的行業(yè)需求（面向未來），培養(yǎng)學(xué)生具備服務(wù)行業(yè)的志向和素質(zhì)。

（二） 如何高質(zhì)量縮小學(xué)生學(xué)業(yè)水平差異性

學(xué)生學(xué)業(yè)水平差異性大是高等教育的大眾化所面臨的現(xiàn)實(shí)問題[9-10]，我們曾探索了基礎(chǔ)性和應(yīng)用型的分層教學(xué)模式[11]，雖然在基于學(xué)生學(xué)習(xí)基礎(chǔ)和意愿基礎(chǔ)上較好地實(shí)現(xiàn)了不同層次學(xué)生學(xué)習(xí)目標(biāo)的達(dá)成，但同層次的教學(xué)仍然面臨學(xué)生課堂參與度不高、學(xué)業(yè)水平兩極分化、整體水平提高難等問題，要進(jìn)行基于“以學(xué)為中心”的課堂教學(xué)活動設(shè)計(jì)調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，要滿足個性化的學(xué)習(xí)路徑，有效縮小差異以實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成。這就要針對學(xué)生學(xué)習(xí)能力和學(xué)業(yè)水平差異性大的現(xiàn)實(shí)問題，通過教學(xué)策略和教學(xué)方式方法創(chuàng)新確保教學(xué)目標(biāo)的有效達(dá)成。

（三） 如何體現(xiàn)評學(xué)對教學(xué)的有效激勵

評價的關(guān)鍵不在于評教師的行為，而在于評學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，評價的核心應(yīng)是評學(xué)，有效的教師評學(xué)對提高學(xué)校教學(xué)質(zhì)量保障體系運(yùn)行的有效度起到重要作用[12-13]。隱性逃課、評價不客觀、評價無法發(fā)揮激勵作用等是課程教學(xué)面臨的主要難題，簡單量化打分并不能真正體現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和效果，要構(gòu)建合理的評價以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)主動性、通過評價診斷教學(xué)過程并進(jìn)行反思，從而促進(jìn)培養(yǎng)目標(biāo)的達(dá)成。因此，如何設(shè)計(jì)合理有效的評價方法以實(shí)現(xiàn)“以評促學(xué)”并客觀準(zhǔn)確地反映學(xué)生學(xué)習(xí)效果，成為學(xué)習(xí)評價需要解決的關(guān)鍵問題。

二 教學(xué)創(chuàng)新的思路與舉措

聚焦上述教學(xué)面臨的問題，堅(jiān)持“教師主導(dǎo)、學(xué)生主體”、成果產(chǎn)出導(dǎo)向教學(xué)理念，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)策略和評價考核等方面進(jìn)行了創(chuàng)新，培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)、自主學(xué)習(xí)能力，縮小學(xué)業(yè)水平差距，提升學(xué)生在電化學(xué)能源行業(yè)發(fā)展的潛力。

（一） 教學(xué)內(nèi)容重構(gòu)與教學(xué)資源建設(shè)

如何構(gòu)建助力學(xué)生發(fā)展的課程內(nèi)容是實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)的前提。針對教材內(nèi)容過于偏基礎(chǔ)，不能夠適應(yīng)新能源行業(yè)發(fā)展需求的問題，比如教材內(nèi)容關(guān)于電解質(zhì)部分的知識還是建立在液體電解質(zhì)層面，而行業(yè)發(fā)展中準(zhǔn)固態(tài)、固態(tài)電解質(zhì)已成為主流；再比如氣體電極部分主要以氧、氫電極的基礎(chǔ)問題進(jìn)行分析，但如何將這些內(nèi)容應(yīng)用于燃料電池等領(lǐng)域的研究，二氧化碳、甲醇、氮/氨等小分子的電催化轉(zhuǎn)換與能源化都需要及時補(bǔ)充到該部分內(nèi)容中；教材中金屬陽極過程、陰極過程內(nèi)容不太適用新能源材料與器件專業(yè)，將其轉(zhuǎn)換成電極材料的制備過程中的陽極、陰極過程理論較為合適等。因此，本課程在不斷調(diào)研和探索中構(gòu)建了1主線（從理論到應(yīng)用）+3模塊（熱力學(xué)、動力學(xué)、應(yīng)用）的教學(xué)內(nèi)容新架構(gòu)（圖1）。重構(gòu)后的課程內(nèi)容包括電化學(xué)熱力學(xué)、電化學(xué)動力學(xué)和電化學(xué)應(yīng)用三個模塊，其中熱力學(xué)模塊包括電解質(zhì)理論，為了使課程內(nèi)容體現(xiàn)新穎性以滿足行業(yè)發(fā)展需求，引入了關(guān)于固體電解質(zhì)理論等內(nèi)容；應(yīng)用模塊補(bǔ)充了電極材料性能表征、電催化、材料電化學(xué)制備方法等內(nèi)容，形成了與行業(yè)發(fā)展緊密結(jié)合的應(yīng)用模塊。

為了拓展學(xué)習(xí)的維度、滿足個性化學(xué)習(xí)、提高課程學(xué)習(xí)效果，建設(shè)了線上學(xué)習(xí)資源（包括視頻講解、單元測試、試題庫等）。正如湘潭大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院吳堂清等[7]所述，電化學(xué)原理課程有豐富的思政元素和深厚的思政內(nèi)涵，我們從社會主義核心價值觀、科學(xué)精神、工匠精神、科學(xué)思維、創(chuàng)新精神“五個維度”構(gòu)建了完整的課程思政體系，潛移默化融入課程思政元素（表1）。比如，在氣體電催化的內(nèi)容中，融入中國的“雙碳”戰(zhàn)略和能耗“雙控”舉措、綠色發(fā)展理念等思政元素，在電極過程動力學(xué)學(xué)習(xí)中，通過引導(dǎo)、新知識構(gòu)建等環(huán)節(jié)，潛移默化地訓(xùn)練學(xué)生的科學(xué)思維等。

（二） 教學(xué)策略與方法

在課程內(nèi)容滿足學(xué)生發(fā)展需求的前提下，如何縮小學(xué)生學(xué)業(yè)水平、高質(zhì)量完成教學(xué)目標(biāo)，需要對教學(xué)過程進(jìn)行精心設(shè)計(jì)，構(gòu)建“以學(xué)為中心”的教學(xué)策略。課前準(zhǔn)備階段，發(fā)揮科研反哺教學(xué)作用，對文獻(xiàn)、行業(yè)中所反映出的新知識、新理論等進(jìn)行吸收、驗(yàn)證并體系化和邏輯化，根據(jù)預(yù)習(xí)情況和問卷等制定課堂教學(xué)方案。課堂教學(xué)中通過四個環(huán)節(jié)完成教學(xué)活動，第一環(huán)節(jié)是問題導(dǎo)入，即結(jié)合行業(yè)需求和老師的科研引出問題。這一環(huán)節(jié)堅(jiān)持問題導(dǎo)向，目的是啟發(fā)學(xué)生主動思考。第二環(huán)節(jié)是內(nèi)容鋪墊。充分尊重學(xué)生已有的知識，盡可能在已學(xué)過的知識基礎(chǔ)上導(dǎo)入新內(nèi)容。第三環(huán)節(jié)是新知識構(gòu)建。學(xué)生在原有知識上構(gòu)建新知識并展示。第四環(huán)節(jié)是疑點(diǎn)分析與總結(jié)。互動情況依據(jù)老師打分或者學(xué)生互評在自我記錄表上記錄過程評價分?jǐn)?shù)，并將課程思政元素潤物無聲地融入教學(xué)過程。課后充分利用MOOC平臺自建的學(xué)習(xí)資源，制定多層級、多樣化的學(xué)習(xí)任務(wù)，在時間、空間維度上滿足學(xué)生個性化學(xué)習(xí)。學(xué)習(xí)任務(wù)按層級分為基礎(chǔ)知識鞏固型、解答問題型、知識應(yīng)用型和綜合應(yīng)用型（圖2），讓學(xué)生依據(jù)自己的學(xué)習(xí)程度選擇學(xué)習(xí)任務(wù)起點(diǎn)，逐級遞進(jìn)，達(dá)到深度學(xué)習(xí)，逐步縮小學(xué)習(xí)效果的差異性。

（三） 教學(xué)效果評價

通過建立和實(shí)施個性化和多元化的評價體系，實(shí)現(xiàn)“以終結(jié)評價為主”向“終結(jié)評價+過程評價”轉(zhuǎn)變。為了提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，主動掌握自己過程性評價的得分情況，激發(fā)學(xué)生主動學(xué)習(xí)動力、主動反思以及教師對學(xué)生學(xué)習(xí)的診斷，課堂學(xué)習(xí)過程成績以《學(xué)生學(xué)習(xí)狀況過程性評價自我記錄表》（以下簡稱《記錄表》）呈現(xiàn)。《記錄表》包括主動回答問題、主動提出問題、被動回答問題和講課等內(nèi)容，按照問題的難易程度進(jìn)行打分，學(xué)生整理并記錄好問題及答案，經(jīng)老師簽字認(rèn)可，作為學(xué)習(xí)效果診斷和期末綜合評價的依據(jù)。任課教師在課后對《記錄表》中反映的問題進(jìn)行輔導(dǎo)答疑，學(xué)生自行完善記錄以進(jìn)行反思和自我診斷。

此種方式促進(jìn)了學(xué)生積累過程成績的主動性，學(xué)生參與課堂的積極性大幅度提高。學(xué)生表現(xiàn)出積極的學(xué)習(xí)狀態(tài)，提前準(zhǔn)備、爭搶回答問題、主動提問題、主動點(diǎn)評和主動講課等成了常態(tài)，教師只負(fù)責(zé)課程問題的引導(dǎo)、設(shè)問等環(huán)節(jié)。

三 課程創(chuàng)新實(shí)踐的效果

（一） 教學(xué)目標(biāo)完成達(dá)成度顯著提高

學(xué)生學(xué)習(xí)維度的拓展、遞進(jìn)式學(xué)習(xí)、過程評價有效地激發(fā)了學(xué)生“主動學(xué)習(xí)”，過程評價成績與學(xué)生的學(xué)習(xí)效果吻合度大大提高。從學(xué)生成績的及格率和標(biāo)準(zhǔn)差變化趨勢看（圖3），學(xué)生的成績有了明顯的提高，及格率從2014級的45%提高到2020級的88%，學(xué)業(yè)成績標(biāo)準(zhǔn)差從2014級的15.21分下降到2020級的9.25分，學(xué)業(yè)成績差距明顯縮小。

（二） 學(xué)生創(chuàng)新意識顯著提高

通過本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生積極參與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目并與指導(dǎo)教師共同產(chǎn)出高水平的科研成果。2019—2023年間，本科生以電化學(xué)能力為支撐發(fā)表SCI論文3篇，獲得省級“挑戰(zhàn)杯”大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽一等獎1項(xiàng)、大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目國家級6項(xiàng)、省級10項(xiàng)。本科生在首屆全國大學(xué)生電化學(xué)測量技術(shù)競賽中獲得三等獎。本科生參與電化學(xué)儲能與器件領(lǐng)域的研究課題人數(shù)占比達(dá)40%。畢業(yè)論文中涉及電化學(xué)應(yīng)用的覆蓋度近100%，且測試分析質(zhì)量較高。

四 結(jié)束語

課程運(yùn)行多年，本科生選課900多人，研究生選課100多人，自2019年建成線上課程以來，網(wǎng)上選課學(xué)習(xí)人數(shù)有600多人。在本課程的引領(lǐng)下，新能源材料與器件專業(yè)課程中新增1門省級線上一流本科課程、3門校級線下一流本科課程。評價方式已推廣到新能源材料與器件專業(yè)核心課固體物理和半導(dǎo)體物理與器件，同樣取得了較好的成效。

本課程在實(shí)施過程中，在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和教學(xué)評價方面形成了鮮明的特色：①“面向行業(yè)需求+課程思政”的教學(xué)內(nèi)容，即面向行業(yè)需求，充分發(fā)揮教師在科學(xué)研究中對教學(xué)內(nèi)容深刻理解和實(shí)踐的優(yōu)勢，通過對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行重構(gòu)、課程思政的融入，解決教學(xué)內(nèi)容滯后、邏輯性不強(qiáng)、素質(zhì)培養(yǎng)與教學(xué)脫節(jié)的問題。②“課堂參與+課后任務(wù)”的教學(xué)方式方法，即實(shí)施參與式教學(xué)設(shè)計(jì)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，利用“學(xué)習(xí)通”平臺自建資源制定遞進(jìn)式任務(wù)，滿足個性化的學(xué)習(xí)路徑，縮小學(xué)習(xí)效果的差異性。③“激勵式+診斷型”的評價方式，即采用《記錄表》激勵學(xué)生主動參與教學(xué)，通過多角度、全方位對學(xué)習(xí)效果進(jìn)行診斷和反思，促進(jìn)教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成。

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基金項(xiàng)目：教育部-北京海瑞克科技發(fā)展有限公司產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目“面向行業(yè)需求的新能源材料與器件專業(yè)工程化訓(xùn)練路徑探索”（無編號）；寧夏回族自治區(qū)線下一流本科課程“電化學(xué)原理及應(yīng)用”（無編號）

第一作者簡介：馬金福（1980-），男，漢族，寧夏同心人，博士，教授，北方民族大學(xué)碩士研究生導(dǎo)師，合肥工業(yè)大學(xué)博士研究生導(dǎo)師。研究方向?yàn)樾履茉床牧稀?/p>