“双碳”背景下新能源相关专业的物理化学课程改革探索

＊尹成杰

（安徽理工大学 化学工程学院 安徽 232001）

引言

近年，国家能源局提出了“双碳计划”，即中国力争2030年前实现碳达峰，2060年前实现碳中和，为实现此计划，国家大力布局低碳排放、清洁的新型能源[1]。特别是电化学能源，得到飞跃式地发展，因此，国家对新能源相关的人才需求日益迫切。特别是对于通过大学学习，掌握新能源专门知识的高级人才的需求更为迫切[2]。因此，教育部在近十年里设置了一些与新能源有关的本科和研究生专业，如新能源材料与器件、新能源化学工程、新能源科学与工程专业、储能科学与工程等[3]。

物理化学是新能源相关专业的一门专业基础课程。该课程是借助物理和数学的相关知识，探索化学反应过程中变化的一门学科。通过介绍化学反应热力学、化学反应动力学、反应历程、电化学、胶体化学等内容，探究化学反应变化的基本规律，可以从理论的角度解决科学研究和生活生产中的问题。近年来，高校开设了与新能源有关的本科专业，物理化学是该类专业学生掌握新能源相关理论知识、材料制备及器件装备的基础[4]。因此，针对新能源专业需求，对物理化学教学内容、教学方法等环节进行改革，将有利于提高学生的学习积极性，快速掌握物理化学相关知识。

1.物理化学教学在新能源交叉学科教学中存在的问题

物理化学课程理论性强，公式多，知识点之间联系强，计算复杂，需要教授的知识点多，实际课时非常少。因此，使该课程成为大学中有名的难懂、难学课程，且由于缺少课堂上的相关习题讲解，使学生的考试通过率普遍偏低。使得他们在学习过程中容易产生厌烦、抵触的情绪。另外，学好物理化学需要的基础较高，是基于大学化学、高等数学、大学物理等知识之上。由于各专业的课程培养方案和各课程之间的差异，各自为教，造成一些基础课和专业选修课之间存在内容重复不协调的现象。在没有相关基础下，进行教学是违背了教学的循循渐进原则[5]。

其次是考核方式过于单一、传统，使学生的学习能动性降低。首先，由于各个高校的主干课程和考试时间安排都集中于学期末的一周内，使得学生没有充分的复习时间。其次，传统的卷面考试形式，不能更好地体现出学生对知识的掌握，尤其应用程度，与新能源相关专业的要求有一定的差距。缺乏实践性的考核内容，学生的专业应用能力柔和度差，缺乏创新性培养，学生实际掌握程度与目标达成度有一定的差距[6]。

2.教学体系与教学内容探索

在新能源相关专业课程培养方案中有明确要求学生要掌握一定的化学知识，要重点学习反应热力学与电化学相关的知识，是新能源专业学好后续的专业课的必要保障。如何将物理化学与新能源专业的培养有机结合，形成特色的教学体系与教学内容是十分必要的，也是对专业培养目标和毕业要求达成的有力支撑。根据新能源专业学生的自身需要，对现有教学体系和教学内容进行优化，使学生在掌握基础知识的同时，也能够指导解决实际问题和实践，提高学生对新材料新器件的创造力。不同的专业和学科在对学生的教学内容上侧重点不同，教师在教学中也可根据培养目标和方案进行取舍和调整，获取适合专业的课程体系。教学体系安排与学生的学习接受能力、学习兴趣与主动性、知识的系统性能够紧密地结合起来，将为新能源专业的物理化学课程改革提供实践教学的载体[7]。

从一个化学反应的系统性来看，要了解反应过程，首先要利用热力学知识了解其反应可能性与方向，及必要的热力学数据，然后分析其动力学反应历程，利用电化学的知识判断其在新能源中的应用前景等。这些知识点既是物理化学的基本教学内容，也是新能源专业的理论知识储备需要，可以为制备新材料及器件提供相关的理论技术支撑，因此，在物理化学课程的教学体系安排中，应将新能源与各个体系知识之间串联起来。在化学反应热力学知识点时，加入新能源器件如电池中的热力学参数获取及与性能之间的关系，提高学生的学习兴趣。在化学动力学上，加入电化学反应动力学等知识，与电化学知识联合，与锂离子电池、燃料电池、水系储能电池、超级电容器等关联。在教师的引导下，安排学生计算其中一种新能源器件的热力学、电化学和动力学参数，使物理化学知识渗透到新能源专业的材料制备、器件组装等专业研究中，增强学生的专业归属感、认同感。

目前物理化学课程的理论学时一般在60～80时之间，因此，根据学时可以选择天津大学物理化学教研室和清华大学朱文涛教授等分别出版的《物理化学简明教程》，该书将复杂难懂的统计热力学和量子力学等章节删除，内容也浅显易懂、较为系统化，适合工科专业学生学习。总的将内容分成胶体与界面、化学热力/动力学、相图与电化学、气体与化学势四个模块，可以减少内容的重复教学、知识点之间联系加强，有利于学生更好地学习。以建立新能源专业的物理化学课程教学体系与内容，并与相应的实验教学相结合，使学生学习情况与培养方案达成一致性[8]。

3.教学方式、方法改革

为了充分发挥教师的主导地位，要求授课教师必须具有扎实的专业素养和良好的职业道德，具备对教学内容的深入研究和灵活使用各种教学手段的能力。在教学方式和方法的选择上也需要根据不同的专业要求及学生基本情况，进行实时的调整，转变单一课堂的教学方式。教学方式和方法改革主要有以下几点体会：

(1)重视课堂导入，激发学生兴趣

课程的导入在传统教学中所占的比例非常小，或者不讲。但课程的导入可以凝练出课程的问题点、应用领域、课程特点等，可以极大地提高学生的学习积极性。物理化学是一门理论性强的课程，很多内容原理都比较抽象、枯燥乏味，如果按照传统的教学方式进行组织教学，很难达到理想的教学效果。在课堂导入部分，可以采用生活及工业中的实例，作为知识的切入点，让学生了解知识的实用性，及在相关应用中存在的问题，带着这些问题，培养学生的启发性教育。通过这些的行业背景及问题的导入，将极大地提高学生的学习兴趣，开拓学生的专业视野，及对该课程的理解程度，为后续的理论学习打下良好的教学基础。

(2)改进教学方法，鼓励学生参与

教学方法的改革主要是将传统的满堂灌、教师一个人表演的方式打破，要充分发挥学生的积极性、参与度、多启发性教学等。一方面课堂教学多用启发式教学法，通过问答的形式，引入教学目标，激发学生学习兴趣、提高课堂参与度。因此，要求授课教师在备课时，设置一些合适的问题，通过实时的向学生提问，培养学生独立思考和主动学习的能力。实现教师为主导、学生为教学主体的互动模式，促进教学质量的提高；在充分发挥学生的参与度上，可以将“翻转课堂”引入教学中，通过让学生查阅相关课题的最新研究成果，并让其上台讲解，分组讨论，最后教师对学生的汇报情况进行点评，并对重要的知识进行补充，使学生真正的参与到教学过程中；用好第二课堂的学习，将无法在课堂上讲授的知识，放入第二课堂中。让学生自主学习，然后教师通过微信、QQ群及课间时间等，对学生的学习情况和遇到的问题进行详细地解答，作为课堂教学的重要补充，以解决课时不足的问题及培养学生的自主学习性[9]。

(3)多种教学手段相结合，帮助学生好学

多媒体教学可以很好地与第二课堂进行有机结合，借助一些网络在线学习平台，将多媒体课件上传，供学生自主学习，是对课堂教学的补充；另外，可以将重要的例题进行上传，让学生对自己的知识掌握情况进行测试和巩固。但多媒体教学也具有信息量大、色彩丰富、速度快等弊端，使学生的学习注意力难以集中。因此，在多媒体教学过程，遇到重要的理论知识概念和公式，一定要结合板书，在黑板上对推理过程进行详细地讲解。形成以多媒体教学为主体，板书作为补充的教学手段，是物理化学教学改革的重要内容。总之，多媒体可以借助各种科技手段，丰富教学内容、教学方式、形象生动的组织教学，但也有自己的弊端，因此，如何将多媒体教学与传统板书进行有机的结合，是理论型课程教学手段改革的重要方向[10]。

(4)课程内容教学与教师科研相结合

传统的物理化学课程内容比较晦涩难懂，学生在听课时候，会感到枯燥乏味，且与实际应用难以联系。在教学改革中，教师可以将自己以及相关知识点的最新科研成果穿插到课堂内容教学中，激发学生的学习兴趣和热情，同时也可以了解最新的研究成果。比如在电化学部分，可以将我国的能源战略需求及电化学储能与动力汽车电池等知识融入到课程内容中，不但可以让学生知道国家的发展方向，还能将知识带入到生活中。这也是我国教育部对教师的最新要求，要有机的将自己的科研成果与教学相融合。

4.参核评价体系改革

合理有效的评价体系可以帮助教师，反馈教学效果和学生的学习情况，有利于对教学内容和教学方式进行适时的调整和改革。传统的考核评价体系主体是学生，主要针对学生的知识掌握情况往往结果是比较片面的，所得的结果也无法准确的反馈教学效果。我们尝试通过三个方面对考核评价体系进行改革，以获得全面、准确的考核结果。首先，改变考核方式，以期末考试为主体，在平时成绩中增加第二课堂学习情况、小组讨论与翻转课堂表现等，增加学生关注相关行业的前沿动态、发现问题与解决问题的能力等，加大对学生的平时学习表现考核力度。其次，增加对任课教师的考核，主要从两个方面，一是增加学生对教师的教学进行匿名评价，并提出改进建议；二是每学期组织学院教学经验丰富的教师听课，从任课教师的多媒体课件、任课态度、教案设计、教学过程、教学达成度等方面进行点评，并将意见反馈给教师，提出改进建议。最后，对期末考试的内容进行改革，在知识点的掌握情况上，分为了解、识记、掌握和综合应用四个层次，并与试题的难易程度联系起来[11]。

5.结语

物理化学是一门重要的基础课程，对学生后面相关专业课的学习起到承上启下的作用，可以培养学生的专业归属感和认同感。在实际的教学过程中，要紧扣“化学反应热力学-化学反应动力学-电化学-相图-界面与胶体化学在新能源领域的应用”教学体系，充分体现专业要求、特色、教学内容的科学性、系统性和实用性等。通过教学改革与教学实践，总结出符合新能源专业的物理化学课程，提高学生发现问题、解决问题、及创新实践等专业水平素养，以取得良好的教书育人效果。