新工科背景下化学工程与工艺专业理论课建设与实践

＊赵力 左朋建 付传凯

（哈尔滨工业大学 黑龙江 150001）

为了使工科教育适应社会的高速发展，2017年，教育部发布了《教育部高等教育司关于开展新工科研究与实践的通知》，要求在全国范围内进行新工科研究和实践[1-2]，有关具体要求和安排等问题在之后的《关于推进新工科研究与实践项目的通知》等文件中予以了明确。

新工科教育的提出是对长期以来形成的传统教学模式的巨大挑战[3]。目前的工业企业对人的素质提出了新的要求，社会能力、实践能力、创新能力等逐渐成为企业关注的重点[4]。要进行新工科教育就必须对传统工科人才培养理念进行改革，根据新工业界的特点建立新的人才培养模式[5-6]。同时，为配合这种新的人才培养模式，必须对传统课程教学不断进行改革、完善。因此，课程建设是新工科教育的基础，在新工科背景下变得越来越重要。

电化学原理是哈尔滨工业大学化学工程与工艺（电化学）专业的理论基础课。它从电化学动力学观点出发，深刻地揭示了电化学反应的内在本质和基本规律，全面阐述了电化学反应速度与电极电位之间的关系，为后续的电化学专业课程的学习奠定理论基础。新工科教育要求课程在保证其原有基础性的同时，加强对学生工程实践性方面的培养。因此，在“新工科”背景下，电化学原理必须进行教学思想、教学模式的改革，突出新工科特点，满足新工科需求。

1.电化学原理课程目前存在的问题

电化学原理课程作为专业理论基础课具有以下特点：（1）课程所涉及基础知识面比较宽，因此要求学生具有扎实的基础知识；（2）新概念多，信息量大；（3）电化学与数学，物理学等科学相比，有些内容看起来不如数学、物理那样逻辑严密，常常进行一些近似处理。正是由于以上特点，目前电化学原理课程教学重点仍放在基本概念和基本理论方面，对学生工程实践能力和创新能力的培养明显不足。总体上看，该课程目前存在以下几方面的问题。

①传统电化学原理课程的教学内容注重理论部分。课程中化学电源和表面处理等实践和应用的内容很少，这就使得学生学习到的一些基本理论无法与具体的实践相结合。这种现状一方面导致学生认为电化学的基础理论知识空洞无用，学习主动性减弱；另一方面也没有达到培养学生利用电化学原理基础理论知识分析、解决电池和电镀等领域实际具体问题能力的目的。显然这不符合新工科教育的培养要求。

②电化学原理作为理论性很强的一门课程，内容更新缓慢。一些电化学领域的一些前沿基础知识如固态电化学、半导体电化学等并未纳入现有课程内容中，使学生无法了解到电化学前沿领域的现状，达不到新工科教育的培养要求。

③课程考核方式过于传统，考核内容以客观内容为主，过程管理的作用不够充分。目前电化学原理课程考核内容主要为电极过程动力学的基本概念和基本理论，缺乏分析解决实际问题能力的考核。同时由于缺乏相应的过程管理环节，教师无法随时了解学生的学习情况。显然，现有考核体系无法满足新工科教育的培养要求。

④教学方式单一，教学手段落后。目前电化学原理课程的课堂教学以老师讲授为主，多为直白的陈述，虽然中间穿插一些设问、提问环节，但仍属于知识灌输类型。这种教学方式、教学手段无法满足新工科教育的培养要求。

针对上述问题，在新工科背景下我们对电化学原理课程进行了教学改革实践，以适应社会发展的需要。

2.新工科背景下电化学原理课程改革的探索

（1）课程教学目标与内容的升级。根据新工科教育的特点和需求，本课程升级了电化学原理课程目标，从让学生掌握电极过程的基本规律及其研究方法，提升为培养学生运用界面模型及电荷交换、物质传递和表面转化步骤的动力学特点分析和解决电池生产及表面处理过程中的实际问题的能力。

针对教学目标的改变，重新组织教学内容：新工科背景下，要求课程基础知识和实践能力并重，创新能力也必须得到提高。在电化学原理课程内容方面，在现有八章内容的基础上，对内容进行模块化设计，基础理论方面整合成四个模块，分别是电极/溶液界面模块、电荷转移模块、液相传质模块、表面转化模块；实际应用方面建立两个模块，分别为气体电极模块和金属电极过程模块。结合专业学生的分类培养目标，对模块进行相应组合，做到既加强理论基础，又拓宽专业相关知识面，以满足新工科培养的要求。

为了紧跟时代步伐，对接产业技术更新，我们安排教师到天能集团、双登集团和量能科技等化学电源生产的头部企业学习调研。通过与企业技术人员的广泛深入交流，将新能源领域的新方法、新技术总结归纳，消化吸收，分期分批更新到相关理论教学内容中，通过高科技手段虚拟现实现场教学，使学生能够及时接触到电化学领域最新方法和技术。结合企业生产实际，将锂离子电池设计和生产中的实际问题引入课堂教学，让学生从电极过程动力学的基本理论出发，分析上述问题，并提出相应解决方案，从而培养学生综合能力和高阶逻辑思维能力。

在进行知识传授的同时，我们还有意穿插一些时事，引入思政内容。比如，在讲到新能源汽车时，我们会呈现1992年钱学森写给邹家华副总理关于新能源汽车的一封信，信中规划了新能源汽车的发展路径，提到了哈尔滨工业大学电化学专业在新能源领域的领头羊作用。这些内容活跃课堂气氛，激发了学生主动学习的热情，同时还增进了学生对哈工大电化学专业的认识和感情，提升了学生的个人品质。

（2）教学手段的完善，过程管理的加强。多样化的教学手段一方面可以提高知识信息的传授效率，激发学生的学习兴趣，提升课堂教学效果；另一方面还有利于教师随时了解学生的学习情况，强化教学过程管理。首先，我们对PPT的呈现方式进行了提升，如采用动画效果呈现电极/溶液界面双电层的形成过程和氢气在电极表面的析出过程等内容，采用视频方式呈现电极极化曲线的测量过程和金属钝化过程等。其次，引入雨课堂作为辅助教学手段，通过雨课堂测试功能了解学生对斯特恩模型、塔菲尔公式、非稳态测试技术等基础知识的理解掌握情况。同时我们还加强了学生对授课过程的参与程度，把电池生产中遇到的一些实际问题提前布置给学生，让学生分别进行文献查阅，并分组进行讨论，提出相应解决方案，最后，以答辩形式呈现给全班同学。项目驱动法也是我们新引入课程教学的一种教学方法。例如我们把高功率锂离子电池项目引入到课程教学中，把其项目分解为固体电解质膜、锂离子固相扩散、锂离子液相传质、过渡金属价态变化等几部分内容，然后把这些内容发散到相应章节中。这样学生既学习到了相应的基础知识，同时还积累了一定的项目经验，提高了学生的综合素质。

（3）教学团队的建设。新工科建设对课程主讲教师产业背景、教学水平、知识面和综合素质等提出了更高的要求。我们通过公开引进和自己培养两种方式优化教学团队的人员结构。利用哈尔滨工业大学化学工程与工艺专业一流本科专业建设的契机，引进了高水平的教师加入电化学原理课程教学团队。另一方面，我们把本专业的优秀博士毕业生留在教学团队。年轻教师刚刚走上教学岗位，教学经验严重不足。为了使年轻教师能够尽快胜任教学工作，我们为其指定了具有丰富教学经验的老教师作为教学导师。首先年轻教师要为教学导师助课一年，第二年年轻教师要参加试讲。试讲合格后，年轻教师要承担10～20学时气体电极过程和金属电极过程的教学工作，期间教学导师至少要听课3次，并将听课结果及时反馈给年轻教师。根据年轻教师的教学情况，安排其参加学校和院里的教学培训、教学竞赛，并酌情逐年增加其讲授学时数，直至能够独立承担该课程的教学工作。

工程经历对于新工科背景下的专业课教学十分重要。我们采取有效措施，指派具有博士以上学位的年轻授课教师到南都电源、骆驼集团、豪鹏国际等的新能源电池头部生产企业进行为期一年的学习交流。专业还定期邀请光宇集团、双登集团等电池企业的技术总监和一线技术人员与任课教师进行座谈交流，让教师了解行业生产的现状、发展趋势以及目前存在的问题，并将相关内容融汇到课堂教学当中，增强学生对行业的认识和理解。

为了增进团队成员之间的默契和统一思想，团队内部建立了定期交流机制。每两周进行一次团队教师座谈的制度已实行多年。座谈的内容包括上课心得、学生学习情况、教学文件的学习、教学项目的申报等，没有具体的要求，大家可以随机提出个主题展开讨论。通过座谈讨论，提高了任课教师的业务水平，同时也使得课程内容之间的衔接变得十分顺畅自然，有利于教学效果的提高。

（4）考核方式的优化。以往的考核内容主要侧重于基本概念和基本理论，对学生能力的考核不够重视。根据新工科的要求，考核内容从之前侧重基础知识逐渐过渡到侧重学生专业素质、综合能力。期中、期末考试减少了客观性题目的比例，增加了利用基元步骤分析、解决具体电化学工程问题的能力；课程报告选取典型的锂离子电池、钠离子电池体系为研究对象，要求学生结合正负极材料和电解液的特点，分析其动力学过程，提出提高电池倍率性能或循环性能的措施；雨课堂虽然考核的是基础知识，但要求学生将基础知识与自己的生活学习实际相结合。

在优化考核内容的同时，还对考核形式进行了多元化改革。在之前只有闭卷考试的基础上，增加了课程报告成绩和雨课堂测验成绩。课程报告在总成绩中占30%，该部分考核主要针对的是学生利用理论基础知识发现问题、分析问题和解决问题的能力。课程报告不设具体题目，而是让学生根据自己的具体情况选择某一电化学体系为研究对象，分析该体系目前存在的动力学问题，并提出相应的解决方案。同时还采用教考分离的笔试形式，激发学生学习的主动性。

通过上述四个方面的教学改革和实践，教学效果有了明显提高。图1是教改前后学生的考核成绩分布。很明显，优秀率和良好率大幅增加，消除了不及格现象。

图1 教改前后学生考核成绩分布图

3.结束语

在新工科教育的背景下，传统的专业理论课程面临着全新的挑战和机遇。我们应以新工科建设的新理念、新结构、新模式、新质量和新体系为指导，完成专业理论课的建设。本文在新工科教育的背景下，以“电化学原理”课程为例，分析了专业理论课目前存在的问题，从课程目标和内容、教学手段、团队建设和考核方式四个方面提出了新工科专业理论课建设思路，并进行了实践探索。模块化教学内容的引入、实际案例的分析、线上和线下混合教学手段的运用、过程性评价和结果性评价的结合实现了新工科背景对“电化学原理”课程的要求，可以为其他专业理论课的建设提供借鉴。