以知识内容的内在联系为主线构建“能源材料”课程教学新体系*

陆振欢 曾 强 彭 宁 温玉清

（桂林理工大学化学与生物工程学院 广西桂林 541004）

能源是促进经济快速发展的关键因素，因此能源材料的发展代表着未来人类社会经济发展趋势。能源材料是能源、材料、化工等相关专业学生学习的一门重要技术基础知识课程，是能源与材料学科的交叉分支和重要研究方向，属于“新工科”建设内容，课程内容的前沿性特点突出。该课程内容涉及范围非常广，这就极大地提高了教学难度，难以取得较好教学质量。

“能源材料”课程内容主要包括：原子电子相关理论及其对能源相关材料性能的影响、能源相关材料的实际应用、各种能量转换和储能装置的基本运作原理及影响其性能的因素和优化方法。这门课将化学物理基础知识与生活中常见的能源装置联系起来，是由理论到实际的桥梁，在能源化工、材料、环境等“新工科”领域的人才培养体系中起到衔接作用。如此重要的课程，应如何把它建好，一直以来都是各高等院校和同行教师们所关注的重点。

该课程内容体现了“金课”三大特征：高阶性、创新性和挑战度。课程要求背景知识全面，纵向和横向的跨度大，从微观原子电子开始，扩展到宏观材料、最后整合进行能源应用，体现了鲜明的高阶性；课程涉及内容繁杂，各章节的独立性非常强，需要学生具备一定的思考和想象能力才能理解，具有明显的挑战度；课程前沿性特点突出，新能源的研发日新月异，需要学生具备紧跟前沿、自主探索的能力，突出了创新性。

一言概之，“新工科”建设背景下，“能源材料”课程的最大现实问题是：如何将课程内容进行有机结合，提高教学效果，而有效地培养学生运用知识主动进行创新探索的能力。

一、研究现状分析

经过调研，大部分设置能源与其他学科交叉专业的高校已经开设了能源材料专业核心课程。但是目前国内外的“能源材料”课程教学体系尚未完全成熟，还没有受到普遍认可的教材，研究成果非常少，仍然属于探索阶段。

大部分院校开设的实际上是新能源材料及器件课程。课程内容比较简单，或者仅仅集中一部分，要么主讲材料，要么主讲新能源器件制备技术。对于知识理论和学生能力培养的衔接并没有太多深入，使得知识体系出现断层，对学生优化能源相关器件的能力培养不足。

少部分重点院校将多门教材资源整合，探索构建体系较为完整的从微观到宏观、再到能源器件性能的“能源材料”课程。但课程涉及内容较多，前沿性特点突出，教学难度较大，如何将课程内容进行有机结合而有效地培养学生运用知识创新的能力，这一课题依然在探索和研究中。

模架预压卸载标准压重稳定标准为1 mm/d，预压持荷时间不少于7 d或者连续3 d沉降量应小于1mm。当模架出现不均匀沉降、变形移位等异常情况时，应立即向专职安全管理人员汇报，马上停止施工，让施工人员尽快撤至安全地带。

为了适应新时期、新形势的需要，在“新工科”建设背景下，开展“能源材料”课程教学体系、理论与实践教学方法和教学模式的教学改革势在必行。

二、课程建设思路

为了以学生为中心，优化课程内容，提高教学效果，本文研究探讨了通过一条形象化的主线“原子、电子移动”将课程的内容有机结合起来，围绕学习为中心，构建出更加完备、科学合理的“能源材料”课程教学新体系；在此基础上，可以充分采用多样化的教学方法、教学手段和先进教学理念，将枯燥的理论原理图案化形象化，使学生更易理解，从而提高教学效果和质量；围绕主线解释能源应用及影响因素，围绕学生为中心，用激发引导的方式培养学生探索研究思维，有利于提高学生的创新能力培养质量。最终，为将该课程建设成为“新工科”一流课程提供一种思路。

三、主要研究内容

针对“新工科”建设中学科交叉专业课程“内容繁杂且独立性强，教学难度大，而且前沿性强，须培养学生自主探索能力”的问题，课程建设研究需要深入发掘课程内容的内在联系，利用其打破不同章节内容之间的壁垒，建立一个可视的图案化动态化课程教学体系，探索形象化教学新模式，使学生掌握原理和应用背后的科学机制，为学生自主研究探索打下坚实的认知基础，提高创新能力培养效果。

经过研究探讨，“能源材料”课程所有内容都可以概括为“原子、电子移动状态变化”，理解并掌握了这点就相当于学通了这门课程。本文以此为主线，研究探讨重新整合课程内容构建教学新体系；探索通过形象化教学，培养学生对该主线（即课程内容的内在联系）的认知；最后，引导学生根据“原子、电子移动状态变化”去认知实际能源应用，培养自主研究探索能力。主要内容分以下三个部分：

（一）通过一条形象化的主线“原子、电子移动”将课程的内容有机结合起来，构建合理的“能源材料”课程教学新体系

本课程的所有内容可分为三个部分：原子电子、材料、能源应用。其中，原子电子相关原理描述了原子电子的移动状态过程；原子电子的动与静态过程决定了材料的性质；材料的性质决定能源装置制备方法，原子电子移动状态过程决定了能源装置的运作原理和性能优劣。要培养学生在能源领域的研究创新能力，就相当于要求学生理解原子、电子的移动相关的原理，从而令他们掌握优化能源装置性能的知识和技术，最终引导他们独立思考并进行研究创新工作。因此，本文研究采用形象化的“原子、电子移动”作为主线将课程的内容有机结合起来，构建合理的“能源材料”课程教学新体系。

原子电子、材料、能源应用的相关理论知识非常多，讲解和学习难度都很大。因此需要有所取舍，最科学的方法是将其中与能源相关联的理论知识筛选出来，然后将这些知识根据关联的紧密程度进行分级，再根据这个分级来构建课程教学体系。其中知识理论分为三级：（1）核心知识：直接描述原子、电子移动各种动和静状态的理论知识；（2）支撑知识：与核心知识互为支撑或引申，或是能得出核心知识的原始理论；（3）相关概念：一些对原子、电子移动有贡献的效应或概念。

掌握了核心知识，就能在学生的思维中建立起一个类似世界观的完整体系，犹如宇宙中各类星体的运行一样，原子电子在其中的移动都符合相应的规则，从而使课程内容生动起来。支撑知识和相关概念将帮助学生理解影响这些规则的因素和调整优化方法，因此能培养学生研究创新的能力。

（二）探索将理论原理图案化形象化，提高教学效果

上述研究建立课程教学体系，将核心主线确定为“原子、电子移动”这样一个形象化的动态过程，目的就是将理论原理进行图案化形象化。其中核心知识部分都直接对应着原子、电子移动的规则，因此这部分的知识能进行图案化形象化的教学，使其成为一块块拼图，最终拼成学生思维中的原子、电子移动世界观体系。

本课程中，大部分原子电子和材料部分内容是学生在其他前置课程中学习过的，对相关理论已有一定的基础，这是本文可以进行知识点筛选拆分重组的基础。本文最主要的内容是筛选出这类核心知识，结合多种现代化的教学方式，探索将原理理论进行图案化形象化的教学，从而使学生能将逻辑和想象力结合在一起用于学习，最终提高教学质量效果。

支撑知识是与核心知识紧密联系的部分，这部分会涉及一些很难理解也很难教的理论。因学时有限，可以在保证使学生理解核心知识的基础上，再引申扩展到支撑知识的学习，使学生有所了解，具备在需要应用这些理论时能进行自学的认知基础。由此，降低学习难度，保障学生的学习兴趣。

相关概念是比较零散，但是却对能源应用过程有重要影响的效应或现象。这部分也需要进行对应于原子、电子移动的图案化形象化教学探索，但在教学时需要与能源应用的微观粒子移动过程结合起来，从而有利于学生理解影响能源装置性能的因素。

（三）探索围绕“原子、电子移动”主线展现能源应用原理及其影响因素的教学方式，培养学生研究创新能力

探索为学生构建了“原子、电子移动”的世界观体系后，将光电转换过程、充放电过程、光催化过程等能源装置运作的机制用“原子、电子移动”形象化地展现给学生，再详细分解这些过程，结合多种教学方式介绍影响每个过程的因素和调整方法。由此，培养学生未来在能源行业中进行研究创新的能力。

支撑知识是与核心知识互为支撑或引申，或是能得出核心知识的原始理论，即这部分是如何调整“原子、电子移动”过程的理论基础。在教学过程中，需要进行合理的设计，引导学生思考如何进行调整而优化能源装置运作的机制过程，从而引导学生自主回顾或自学支撑知识。由此，培养学生的思考探索能力。

四、课程内容分级教学模式

本文通过知识理论的筛选拆分重组，将课程内容分成原子电子、材料、能源应用这三大部分。将与能源相关联的理论知识筛选出来，然后根据与主线“原子、电子移动”关联的紧密程度进行分为三级：核心知识、支撑知识、相关概念。

核心知识均为直接描述原子、电子移动各种动和静状态的理论知识。这部分是课程重点学习内容，其每一个理论知识就像拼图一样，拼成一个完整的原子、电子移动世界观体系。这些内容都可以用动画的形式表述出来。因此在教学过程中，本文将结合多种现代教学手段，将其转化为形象化的图案和动画，结合讲解，大大提高了学习的趣味性，也更利于学生理解，提高教学效果。

支撑知识是与核心知识互为支撑或引申，或是能得出核心知识的原始理论。这部分是比较难理解也难讲解的内容，繁多且杂。本文将在学生理解核心知识的基础上，再引申扩展出支撑知识，用以点破面的方式，打破学习难度。但这部分并不会一一详细地讲解，达到学生具备一定的认知基础即可，主要目的是使学生具备在须应用到这些理论时能进行自学的能力。由此，降低学习难度，保障学生的学习兴趣和热情。

相关概念是一些对原子、电子移动状态有正或负面影响的效应，或与材料和能源应用性能相关的重要概念。这部分知识点可能会比较零散，但基本上都会跟原子、电子移动状态或这些状态改变造成的结果有关，而且普遍与能源装置性能有关，因此本文可以将其与原子、电子移动的动态过程结合，进行图案化形象化教学，从而提高教学效果。

在实际授课过程中，先为学生构建了“原子、电子移动”的世界观体系后，将光电转换过程、充放电过程、光催化过程等能源装置运作的机制用“原子、电子移动”形象化地展现给学生；再详细地分解这些过程，结合多种教学方式引导学生主动思考影响每个过程的因素，通过合理设计引导学生自主深入学习支撑知识和相关概念，从中寻找调整这些过程的方法；最后辅助学生探索优化能源装置性能的技术。

这样根据教学内容进行三段式教学，着重培养学生掌握课程内容的内在联系；在此基础上，才能以点破面地突破章节内容独立性强的教学难点；再根据内在联系引导学生引申理解实际应用，从而提高学生自主研究探索的能力。由此，优化课程内容的设置，突破教学难点，提高教学质量效果。最终，达到培养学生的思考和创新能力，大大提高学生未来在能源行业中的竞争力。

结语

本文研究探讨了通过对学科交叉的“能源材料”课程教学体系进行合理的设计，构建围绕形象化的主线“原子、电子移动”开展三段式教学的新模式。新课程教学体系将融合先进的教育技术，打破课程知识内容繁杂、教学过程枯燥无味，不利于学生理解学习的状况；教学过程中，采用探究性互动式，引导学生将实际与微观粒子运动有机结合，以培养他们发现问题解决问题的复杂思维能力，从而清除“知识到能力培养”的衔接断层。

最终，建设“新工科”背景下的能源材料金课，通过该课程的学习，使学生掌握自主认知和思考的基础，培养学生自主追踪科学前沿的认知能力，以应对当今新时代日新月异的发展，达到提高培养学生思考研究探索能力的目的，有效地满足社会对人才质量日益提高的要求。