工业4.0背景下“化学电源工艺学”课程基于研究能力训练为目标的调研式学习实践与创新

葛 翔

（贵州大学 材料与冶金学院，贵州 贵阳 550025）

引言

工业4.0是以智能传感系统及物联网为技术基础，以制造业的信息化、数字化及智能化为特征的工业革命过程［1-2］，其发展推动力在于一系列广泛的社会、经济及生产需求演化，其应用方面的需求特征包括缩短开发周期、个人按需定制化、生产柔性化、为快速满足需求而去中心化、资源利用高效化等。在此背景下，新能源技术（尤其是电化学储能技术）的硬件和软件快速迭代，对从业人员的研究能力提出了较高的要求［3-4］。以国内锂离子电池的龙头企业“宁德时代”为例，其包括工艺工程师在内的研发岗招聘要求应聘者拥有硕士学位，同时国内相关领域顶尖高校课题组在研究生招生复试方面也相当注重考查学生的研究背景及潜力。

“化学电源工艺学”课程是笔者在贵州大学材料与冶金学院新能源系开设的本科生专业课程，该课程围绕电化学能源器件及系统开展教学，其内容包括电化学、热力学和动力学方面的理论基础，以及一次及二次电池、燃料电池、超级电容器、液流电池等化学电源工作机制及制作方法等知识。尽管化学电源应用广泛，但工业4.0背景下该领域技术快速发展，传统教学方法及教材内容难以为学生在毕业升学及就业方面提供足够的竞争力［5］，进一步致使学生对课程学习缺乏兴趣。因此，在“化学电源工艺学”课程中以训练学生对新能源领域的研究能力为目标进行教学改革具有相当的必要性和紧迫性。本文介绍笔者在贵州大学新能源系开展的以学生研究能力训练为目标，以调研式学习方式为主的教学改革实践，其主要方法是以三人为小组拟定课题展开调研，以课堂PPT展示及论文写作为主要评分依据。该翻转课堂式教学方法的顺利推进依赖于有序的课前准备，包括最初两周课程教师需对学生进行的数据调研及整理的教学训练，提供明确的日程表，以及翻转课堂后的分析反馈。该教学改革得到学生较多的反馈，其对本科生的研究能力提升明显，以2019年入学的能科191班学生为例，该班学生基于课程学习初步掌握了新能源领域的研究方法，在后续校内科研训练项目中表现优异。2022年该班学生预期可产出4篇新能源领域的SCI论文，其中两篇论文已发表且影响因子均在4以上［6-7］，属于较为优秀的研究成果，而本校往届新能源系本科生均未曾有SCI论文发表经历。该成绩说明“化学电源工艺学”基于研究能力训练为目标的教学改革成效显著，为本科生升学及就业提供了较强的竞争力。

一、学科前沿快速迭代与“化学电源工艺学”课程目前教学体系的矛盾

（一）工业4.0背景下新能源技术的快速迭代对从业人员的研究能力提出更高要求

以智能传感系统及物联网为技术基础的工业4.0产业革命带动了一系列生产过程的自动化和定制化。我国近年来推行了包括“新工科”等教育改革举措，以主动应对新一轮科技革命［8］。以电池为代表的化学电源作为生产生活中广泛应用的能源技术，在近年来技术迭代迅猛，其中动力电池技术指标中包括的能量密度、循环寿命、充放电倍率等快速提升，电池技术进步为以电动车为代表的高端应用奠定了基础，这些电池技术指标的快速提升主要依赖于电池材料科学的发展。以锂离子电池技术为例，早在20世纪90年代初第一代以钴酸锂作为正极的锂离子电池就实现了商业化并迅速占领了移动电子市场，至今30年的发展过程中，涌现出了以三元层状氧化物为代表的新材料技术及以比亚迪“刀片电池”为代表的封装技术，化学电源行业发展过程中要求从业者解决一系列研究类问题，技术研发过程不仅需要从业者掌握相关的化学、材料、电力电子、机械的基础知识，同时需要具备解决未知问题所需的调研、研究计划、实验执行及数据分析的能力。对于本科生课堂教学，其内容对学生未来竞争力提升程度极大地决定了学生的学习兴趣和主动性，因此“化学电源工艺学”的课程设置中引入研究能力训练环节具有必要性和鲜明的时代背景。

（二）当前教学大纲知识体系及教学模式陈旧

“化学电源工艺学”课程的内容主要包括电化学理论基础，以及多种类型化学电源的工作机制及制作工艺等内容。在大多数教材中，不同类型的电池工艺部分占据了高于80%的篇幅。然而，由于该领域的快速发展，大部分类型的电池已逐渐被淘汰，传统的课堂基于教师讲授的教学方式对于学生来说吸引力匮乏，学生普遍认为这部分知识应用概率较小，即使未来有所需要，通过查询的方式补充相关知识更为合适。因此，课堂教学质量欠佳。此外，对于不同教师而言，因受限于教师本人的研究经验和经历，其对部分教学内容的理解未必深刻独到，在该部分内容的讲授过程中仅能做到按照教材教授，导致课堂教学质量良莠不齐。在互联网时代众多优质网课的竞争下，学生容易对课程意义产生怀疑，进而在课堂上难以集中注意力，进一步降低了教学质量。因此，“化学电源工艺学”课程有必要进行教学内容和模式的改革以使得课程教学更加科学和高效，尤其是针对该课程教学大纲中大部分关于较为过时的电池技术工艺流程及技术细节部分内容，不宜通过教师讲授这一单一的教学途径开展教学，该部分内容通过学生调研并形成综述论文及学术汇报等成果，预期可取得更好的教学成效。

（三）缺失合理的考核评分机制

“化学电源工艺学”课程的教学质量成效在部分院校仍然缺乏科学有效的评估手段，多数开设“化学电源工艺学”课程的教师仍然依赖于期末卷面笔试的方式对学生进行评估。尽管考试分数可以在一定程度上反映学生的理论知识掌握程度，但仍然较难反映学生对专业知识和技术能力的综合理解及掌握程度，尤其是难以考查学生在该领域技术快速迭代的背景下的对前沿知识的研究能力。考虑到该课程教材内容大部分篇幅着重于介绍不同类型的化学电源工艺细节，试卷设置上难免会出现过多的机械记忆内容，如考查名词解释、过时技术的细节参数等。考试形式容易影响学生的学习热情，并进一步阻碍学生自主学习以及在后续课程中的顺利衔接。基于此现状，有必要设立更加科学的考核评估机制，充分展现学生对该专业的掌握程度及应用能力。

二、“化学电源工艺学”调研式学习实践方式与成效

（一）基于研究能力训练为目的的调研式学习实践

为应对工业4.0背景下产业智能化趋势对新能源专业培养学生提出的研究素质需求，本课程针对“化学电源工艺学”内容中不同种类的化学电源部分知识内容设置了分组调研的学习形式。经过教学实践，教师应当注重以下教学环节，以确保该教学形式高效开展。首先在开学前建立班级群通知学生以三人为一组组队，提前酝酿组队意向，开学第一节课着重介绍行业发展趋势，同时强调就业及升学过程中研究能力的重要性，在课堂上凝聚共识提高学生对分组调研式学习的认同度和积极性，同时根据当年班级规模公布14至18个调研课题供学生分组选择。对于选题过程，采用学生优先选择，后续课代表摇随机数进一步匹配课题的方式，提高学生的参与度与积极性。在三人一组的分组中，一人担任队长，同时设置了“汇报人”“写作者”及“数据检索”三项任务，由组员分别承担，其中队长需兼任三项任务中的一项而非仅承担小组领导工作。该设置的主要目的在于提高学生的普遍参与度，防止分组学习过程中出现一人承担所有工作而其余组员搭便车的情况。对于“数据检索”任务，要求学生通过查阅专业文献，尤其是近五年的外文文献，了解学科前沿；对于“汇报人”，每组预留20分钟以翻转课堂的形式进行调研结果汇报；对于“写作者”，需以综述类研究论文标准撰写调研论文。调研成绩的打分将考虑各种因素进行赋分（图1），既考虑团队调研结果质量的综合评定，又根据学生在调研过程中承担的任务不同而对各类调研成果给予不同的赋分权重。此外，考虑到本科生研究经验较为薄弱，第一组进行汇报的学生通常调研质量较低，因此为第一组进行少量的难度系数加分。

图2 2021年度“化学电源工艺学”各汇报小组成绩

为使分组调研有序高效地进行，在教学日程设计上，首先需要将第一组汇报的时间点安排在第三教学周以后，让学生有至少两周的时间开展调研及准备，同时在前两周的课程内容上，除了第一节课通过介绍学科发展凝聚同学对调研式学习方式的认可，后续需用约六个课时的时间分别介绍学术调研方法、学术写作及学术汇报技巧，该部分的学习应让学生了解学术期刊及学术论文发表的科技史、学术论文检索方法、采集数据及图表设计、学术论文管理软件、演讲技巧等内容，为学生调研式学习提供有序推进学习进度的方法。

（二）调研汇报质量反馈及成效评估

考虑到本科生参与调研式学习的经验不足，在学习过程中，针对学生调研整理的写作及汇报资料及时进行评估反馈及案例分析尤为重要，准确的调研质量分析对后续学生的调研式学习过程具有极大的帮助。根据2021年度“化学电源工艺学”分组调研成绩记录显示，每周课堂时间可允许两组学生汇报课题调研结果，在第一周的两组学生完成汇报后，教师汇总学生调研汇报过程中出现的问题，并在第二周的课堂上为全班展示案例分析结果，对调研过程中出现的检索资料不够前沿、写作过程中存在抄袭、汇报过程中存在图表绘制质量不佳等问题进行展示。第三周起始的汇报小组调研成绩明显提高，学生认识到了前面小组汇报的错误并加以修正。因此，在调研式学习的过程中，教师及时准确地汇总、分析，并展示学生调研汇报中存在的问题，对后续学生的学习质量提升有明显的效果。

目前，基于研究能力训练为目标的“化学电源工艺学”调研式学习方式在学生自主学习能力方面提升明显，学生课堂参与度及学习兴趣相比传统教师讲授方式明显提高，在后续学生参与学校的学术竞赛等活动中，指导教师均反映学生研究基础较好，尤其是2019年入学的能科191班学生在2022年已取得较好的研究成果，并撰写和发表了学术论文，为即将面临的升学和就业提升了竞争力。

结语

工业4.0背景下化学电源技术快速迭代对专业学生的研究能力提出了较高的要求，针对本科生研究能力训练的目标，本文介绍了“化学电源工艺学”调研式学习的实践与探索。为实现调研式学习的有序高效进行，教师需在教学日程安排上为学生进行充分的文献调研，学术写作及学术汇报训练，并及时对学生的调研成果进行汇总、分析及问题指正。该教学方式对学生学术研究能力训练成效明显，学生在后续的学术竞赛及科研训练中成果丰硕。因此，调研式学习模式有望在其他类似课程中得到推广并实践。