陸振歡 曾 強(qiáng) 彭 寧 溫玉清

（桂林理工大學(xué)化學(xué)與生物工程學(xué)院 廣西桂林 541004）

能源是促進(jìn)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的關(guān)鍵因素，因此能源材料的發(fā)展代表著未來人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展趨勢(shì)。能源材料是能源、材料、化工等相關(guān)專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)的一門重要技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)課程，是能源與材料學(xué)科的交叉分支和重要研究方向，屬于“新工科”建設(shè)內(nèi)容，課程內(nèi)容的前沿性特點(diǎn)突出。該課程內(nèi)容涉及范圍非常廣，這就極大地提高了教學(xué)難度，難以取得較好教學(xué)質(zhì)量。

“能源材料”課程內(nèi)容主要包括：原子電子相關(guān)理論及其對(duì)能源相關(guān)材料性能的影響、能源相關(guān)材料的實(shí)際應(yīng)用、各種能量轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)能裝置的基本運(yùn)作原理及影響其性能的因素和優(yōu)化方法。這門課將化學(xué)物理基礎(chǔ)知識(shí)與生活中常見的能源裝置聯(lián)系起來，是由理論到實(shí)際的橋梁，在能源化工、材料、環(huán)境等“新工科”領(lǐng)域的人才培養(yǎng)體系中起到銜接作用。如此重要的課程，應(yīng)如何把它建好，一直以來都是各高等院校和同行教師們所關(guān)注的重點(diǎn)。

該課程內(nèi)容體現(xiàn)了“金課”三大特征：高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度。課程要求背景知識(shí)全面，縱向和橫向的跨度大，從微觀原子電子開始，擴(kuò)展到宏觀材料、最后整合進(jìn)行能源應(yīng)用，體現(xiàn)了鮮明的高階性；課程涉及內(nèi)容繁雜，各章節(jié)的獨(dú)立性非常強(qiáng)，需要學(xué)生具備一定的思考和想象能力才能理解，具有明顯的挑戰(zhàn)度；課程前沿性特點(diǎn)突出，新能源的研發(fā)日新月異，需要學(xué)生具備緊跟前沿、自主探索的能力，突出了創(chuàng)新性。

一言概之，“新工科”建設(shè)背景下，“能源材料”課程的最大現(xiàn)實(shí)問題是：如何將課程內(nèi)容進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，提高教學(xué)效果，而有效地培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用知識(shí)主動(dòng)進(jìn)行創(chuàng)新探索的能力。

一、研究現(xiàn)狀分析

經(jīng)過調(diào)研，大部分設(shè)置能源與其他學(xué)科交叉專業(yè)的高校已經(jīng)開設(shè)了能源材料專業(yè)核心課程。但是目前國(guó)內(nèi)外的“能源材料”課程教學(xué)體系尚未完全成熟，還沒有受到普遍認(rèn)可的教材，研究成果非常少，仍然屬于探索階段。

大部分院校開設(shè)的實(shí)際上是新能源材料及器件課程。課程內(nèi)容比較簡(jiǎn)單，或者僅僅集中一部分，要么主講材料，要么主講新能源器件制備技術(shù)。對(duì)于知識(shí)理論和學(xué)生能力培養(yǎng)的銜接并沒有太多深入，使得知識(shí)體系出現(xiàn)斷層，對(duì)學(xué)生優(yōu)化能源相關(guān)器件的能力培養(yǎng)不足。

少部分重點(diǎn)院校將多門教材資源整合，探索構(gòu)建體系較為完整的從微觀到宏觀、再到能源器件性能的“能源材料”課程。但課程涉及內(nèi)容較多，前沿性特點(diǎn)突出，教學(xué)難度較大，如何將課程內(nèi)容進(jìn)行有機(jī)結(jié)合而有效地培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用知識(shí)創(chuàng)新的能力，這一課題依然在探索和研究中。

模架預(yù)壓卸載標(biāo)準(zhǔn)壓重穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)為1 mm/d，預(yù)壓持荷時(shí)間不少于7 d或者連續(xù)3 d沉降量應(yīng)小于1mm。當(dāng)模架出現(xiàn)不均勻沉降、變形移位等異常情況時(shí)，應(yīng)立即向?qū)Ｂ毎踩芾砣藛T匯報(bào)，馬上停止施工，讓施工人員盡快撤至安全地帶。

為了適應(yīng)新時(shí)期、新形勢(shì)的需要，在“新工科”建設(shè)背景下，開展“能源材料”課程教學(xué)體系、理論與實(shí)踐教學(xué)方法和教學(xué)模式的教學(xué)改革勢(shì)在必行。

二、課程建設(shè)思路

為了以學(xué)生為中心，優(yōu)化課程內(nèi)容，提高教學(xué)效果，本文研究探討了通過一條形象化的主線“原子、電子移動(dòng)”將課程的內(nèi)容有機(jī)結(jié)合起來，圍繞學(xué)習(xí)為中心，構(gòu)建出更加完備、科學(xué)合理的“能源材料”課程教學(xué)新體系；在此基礎(chǔ)上，可以充分采用多樣化的教學(xué)方法、教學(xué)手段和先進(jìn)教學(xué)理念，將枯燥的理論原理圖案化形象化，使學(xué)生更易理解，從而提高教學(xué)效果和質(zhì)量；圍繞主線解釋能源應(yīng)用及影響因素，圍繞學(xué)生為中心，用激發(fā)引導(dǎo)的方式培養(yǎng)學(xué)生探索研究思維，有利于提高學(xué)生的創(chuàng)新能力培養(yǎng)質(zhì)量。最終，為將該課程建設(shè)成為“新工科”一流課程提供一種思路。

三、主要研究?jī)?nèi)容

針對(duì)“新工科”建設(shè)中學(xué)科交叉專業(yè)課程“內(nèi)容繁雜且獨(dú)立性強(qiáng)，教學(xué)難度大，而且前沿性強(qiáng)，須培養(yǎng)學(xué)生自主探索能力”的問題，課程建設(shè)研究需要深入發(fā)掘課程內(nèi)容的內(nèi)在聯(lián)系，利用其打破不同章節(jié)內(nèi)容之間的壁壘，建立一個(gè)可視的圖案化動(dòng)態(tài)化課程教學(xué)體系，探索形象化教學(xué)新模式，使學(xué)生掌握原理和應(yīng)用背后的科學(xué)機(jī)制，為學(xué)生自主研究探索打下堅(jiān)實(shí)的認(rèn)知基礎(chǔ)，提高創(chuàng)新能力培養(yǎng)效果。

經(jīng)過研究探討，“能源材料”課程所有內(nèi)容都可以概括為“原子、電子移動(dòng)狀態(tài)變化”，理解并掌握了這點(diǎn)就相當(dāng)于學(xué)通了這門課程。本文以此為主線，研究探討重新整合課程內(nèi)容構(gòu)建教學(xué)新體系；探索通過形象化教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)該主線（即課程內(nèi)容的內(nèi)在聯(lián)系）的認(rèn)知；最后，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)“原子、電子移動(dòng)狀態(tài)變化”去認(rèn)知實(shí)際能源應(yīng)用，培養(yǎng)自主研究探索能力。主要內(nèi)容分以下三個(gè)部分：

（一）通過一條形象化的主線“原子、電子移動(dòng)”將課程的內(nèi)容有機(jī)結(jié)合起來，構(gòu)建合理的“能源材料”課程教學(xué)新體系

本課程的所有內(nèi)容可分為三個(gè)部分：原子電子、材料、能源應(yīng)用。其中，原子電子相關(guān)原理描述了原子電子的移動(dòng)狀態(tài)過程；原子電子的動(dòng)與靜態(tài)過程決定了材料的性質(zhì)；材料的性質(zhì)決定能源裝置制備方法，原子電子移動(dòng)狀態(tài)過程決定了能源裝置的運(yùn)作原理和性能優(yōu)劣。要培養(yǎng)學(xué)生在能源領(lǐng)域的研究創(chuàng)新能力，就相當(dāng)于要求學(xué)生理解原子、電子的移動(dòng)相關(guān)的原理，從而令他們掌握優(yōu)化能源裝置性能的知識(shí)和技術(shù)，最終引導(dǎo)他們獨(dú)立思考并進(jìn)行研究創(chuàng)新工作。因此，本文研究采用形象化的“原子、電子移動(dòng)”作為主線將課程的內(nèi)容有機(jī)結(jié)合起來，構(gòu)建合理的“能源材料”課程教學(xué)新體系。

原子電子、材料、能源應(yīng)用的相關(guān)理論知識(shí)非常多，講解和學(xué)習(xí)難度都很大。因此需要有所取舍，最科學(xué)的方法是將其中與能源相關(guān)聯(lián)的理論知識(shí)篩選出來，然后將這些知識(shí)根據(jù)關(guān)聯(lián)的緊密程度進(jìn)行分級(jí)，再根據(jù)這個(gè)分級(jí)來構(gòu)建課程教學(xué)體系。其中知識(shí)理論分為三級(jí)：（1）核心知識(shí)：直接描述原子、電子移動(dòng)各種動(dòng)和靜狀態(tài)的理論知識(shí)；（2）支撐知識(shí)：與核心知識(shí)互為支撐或引申，或是能得出核心知識(shí)的原始理論；（3）相關(guān)概念：一些對(duì)原子、電子移動(dòng)有貢獻(xiàn)的效應(yīng)或概念。

掌握了核心知識(shí)，就能在學(xué)生的思維中建立起一個(gè)類似世界觀的完整體系，猶如宇宙中各類星體的運(yùn)行一樣，原子電子在其中的移動(dòng)都符合相應(yīng)的規(guī)則，從而使課程內(nèi)容生動(dòng)起來。支撐知識(shí)和相關(guān)概念將幫助學(xué)生理解影響這些規(guī)則的因素和調(diào)整優(yōu)化方法，因此能培養(yǎng)學(xué)生研究創(chuàng)新的能力。

（二）探索將理論原理圖案化形象化，提高教學(xué)效果

上述研究建立課程教學(xué)體系，將核心主線確定為“原子、電子移動(dòng)”這樣一個(gè)形象化的動(dòng)態(tài)過程，目的就是將理論原理進(jìn)行圖案化形象化。其中核心知識(shí)部分都直接對(duì)應(yīng)著原子、電子移動(dòng)的規(guī)則，因此這部分的知識(shí)能進(jìn)行圖案化形象化的教學(xué)，使其成為一塊塊拼圖，最終拼成學(xué)生思維中的原子、電子移動(dòng)世界觀體系。

本課程中，大部分原子電子和材料部分內(nèi)容是學(xué)生在其他前置課程中學(xué)習(xí)過的，對(duì)相關(guān)理論已有一定的基礎(chǔ)，這是本文可以進(jìn)行知識(shí)點(diǎn)篩選拆分重組的基礎(chǔ)。本文最主要的內(nèi)容是篩選出這類核心知識(shí)，結(jié)合多種現(xiàn)代化的教學(xué)方式，探索將原理理論進(jìn)行圖案化形象化的教學(xué)，從而使學(xué)生能將邏輯和想象力結(jié)合在一起用于學(xué)習(xí)，最終提高教學(xué)質(zhì)量效果。

支撐知識(shí)是與核心知識(shí)緊密聯(lián)系的部分，這部分會(huì)涉及一些很難理解也很難教的理論。因?qū)W時(shí)有限，可以在保證使學(xué)生理解核心知識(shí)的基礎(chǔ)上，再引申擴(kuò)展到支撐知識(shí)的學(xué)習(xí)，使學(xué)生有所了解，具備在需要應(yīng)用這些理論時(shí)能進(jìn)行自學(xué)的認(rèn)知基礎(chǔ)。由此，降低學(xué)習(xí)難度，保障學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

相關(guān)概念是比較零散，但是卻對(duì)能源應(yīng)用過程有重要影響的效應(yīng)或現(xiàn)象。這部分也需要進(jìn)行對(duì)應(yīng)于原子、電子移動(dòng)的圖案化形象化教學(xué)探索，但在教學(xué)時(shí)需要與能源應(yīng)用的微觀粒子移動(dòng)過程結(jié)合起來，從而有利于學(xué)生理解影響能源裝置性能的因素。

（三）探索圍繞“原子、電子移動(dòng)”主線展現(xiàn)能源應(yīng)用原理及其影響因素的教學(xué)方式，培養(yǎng)學(xué)生研究創(chuàng)新能力

探索為學(xué)生構(gòu)建了“原子、電子移動(dòng)”的世界觀體系后，將光電轉(zhuǎn)換過程、充放電過程、光催化過程等能源裝置運(yùn)作的機(jī)制用“原子、電子移動(dòng)”形象化地展現(xiàn)給學(xué)生，再詳細(xì)分解這些過程，結(jié)合多種教學(xué)方式介紹影響每個(gè)過程的因素和調(diào)整方法。由此，培養(yǎng)學(xué)生未來在能源行業(yè)中進(jìn)行研究創(chuàng)新的能力。

支撐知識(shí)是與核心知識(shí)互為支撐或引申，或是能得出核心知識(shí)的原始理論，即這部分是如何調(diào)整“原子、電子移動(dòng)”過程的理論基礎(chǔ)。在教學(xué)過程中，需要進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，引導(dǎo)學(xué)生思考如何進(jìn)行調(diào)整而優(yōu)化能源裝置運(yùn)作的機(jī)制過程，從而引導(dǎo)學(xué)生自主回顧或自學(xué)支撐知識(shí)。由此，培養(yǎng)學(xué)生的思考探索能力。

四、課程內(nèi)容分級(jí)教學(xué)模式

本文通過知識(shí)理論的篩選拆分重組，將課程內(nèi)容分成原子電子、材料、能源應(yīng)用這三大部分。將與能源相關(guān)聯(lián)的理論知識(shí)篩選出來，然后根據(jù)與主線“原子、電子移動(dòng)”關(guān)聯(lián)的緊密程度進(jìn)行分為三級(jí)：核心知識(shí)、支撐知識(shí)、相關(guān)概念。

核心知識(shí)均為直接描述原子、電子移動(dòng)各種動(dòng)和靜狀態(tài)的理論知識(shí)。這部分是課程重點(diǎn)學(xué)習(xí)內(nèi)容，其每一個(gè)理論知識(shí)就像拼圖一樣，拼成一個(gè)完整的原子、電子移動(dòng)世界觀體系。這些內(nèi)容都可以用動(dòng)畫的形式表述出來。因此在教學(xué)過程中，本文將結(jié)合多種現(xiàn)代教學(xué)手段，將其轉(zhuǎn)化為形象化的圖案和動(dòng)畫，結(jié)合講解，大大提高了學(xué)習(xí)的趣味性，也更利于學(xué)生理解，提高教學(xué)效果。

支撐知識(shí)是與核心知識(shí)互為支撐或引申，或是能得出核心知識(shí)的原始理論。這部分是比較難理解也難講解的內(nèi)容，繁多且雜。本文將在學(xué)生理解核心知識(shí)的基礎(chǔ)上，再引申擴(kuò)展出支撐知識(shí)，用以點(diǎn)破面的方式，打破學(xué)習(xí)難度。但這部分并不會(huì)一一詳細(xì)地講解，達(dá)到學(xué)生具備一定的認(rèn)知基礎(chǔ)即可，主要目的是使學(xué)生具備在須應(yīng)用到這些理論時(shí)能進(jìn)行自學(xué)的能力。由此，降低學(xué)習(xí)難度，保障學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和熱情。

相關(guān)概念是一些對(duì)原子、電子移動(dòng)狀態(tài)有正或負(fù)面影響的效應(yīng)，或與材料和能源應(yīng)用性能相關(guān)的重要概念。這部分知識(shí)點(diǎn)可能會(huì)比較零散，但基本上都會(huì)跟原子、電子移動(dòng)狀態(tài)或這些狀態(tài)改變?cè)斐傻慕Y(jié)果有關(guān)，而且普遍與能源裝置性能有關(guān)，因此本文可以將其與原子、電子移動(dòng)的動(dòng)態(tài)過程結(jié)合，進(jìn)行圖案化形象化教學(xué)，從而提高教學(xué)效果。

在實(shí)際授課過程中，先為學(xué)生構(gòu)建了“原子、電子移動(dòng)”的世界觀體系后，將光電轉(zhuǎn)換過程、充放電過程、光催化過程等能源裝置運(yùn)作的機(jī)制用“原子、電子移動(dòng)”形象化地展現(xiàn)給學(xué)生；再詳細(xì)地分解這些過程，結(jié)合多種教學(xué)方式引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)思考影響每個(gè)過程的因素，通過合理設(shè)計(jì)引導(dǎo)學(xué)生自主深入學(xué)習(xí)支撐知識(shí)和相關(guān)概念，從中尋找調(diào)整這些過程的方法；最后輔助學(xué)生探索優(yōu)化能源裝置性能的技術(shù)。

這樣根據(jù)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行三段式教學(xué)，著重培養(yǎng)學(xué)生掌握課程內(nèi)容的內(nèi)在聯(lián)系；在此基礎(chǔ)上，才能以點(diǎn)破面地突破章節(jié)內(nèi)容獨(dú)立性強(qiáng)的教學(xué)難點(diǎn)；再根據(jù)內(nèi)在聯(lián)系引導(dǎo)學(xué)生引申理解實(shí)際應(yīng)用，從而提高學(xué)生自主研究探索的能力。由此，優(yōu)化課程內(nèi)容的設(shè)置，突破教學(xué)難點(diǎn)，提高教學(xué)質(zhì)量效果。最終，達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生的思考和創(chuàng)新能力，大大提高學(xué)生未來在能源行業(yè)中的競(jìng)爭(zhēng)力。

結(jié)語(yǔ)

本文研究探討了通過對(duì)學(xué)科交叉的“能源材料”課程教學(xué)體系進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，構(gòu)建圍繞形象化的主線“原子、電子移動(dòng)”開展三段式教學(xué)的新模式。新課程教學(xué)體系將融合先進(jìn)的教育技術(shù)，打破課程知識(shí)內(nèi)容繁雜、教學(xué)過程枯燥無味，不利于學(xué)生理解學(xué)習(xí)的狀況；教學(xué)過程中，采用探究性互動(dòng)式，引導(dǎo)學(xué)生將實(shí)際與微觀粒子運(yùn)動(dòng)有機(jī)結(jié)合，以培養(yǎng)他們發(fā)現(xiàn)問題解決問題的復(fù)雜思維能力，從而清除“知識(shí)到能力培養(yǎng)”的銜接斷層。

最終，建設(shè)“新工科”背景下的能源材料金課，通過該課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握自主認(rèn)知和思考的基礎(chǔ)，培養(yǎng)學(xué)生自主追蹤科學(xué)前沿的認(rèn)知能力，以應(yīng)對(duì)當(dāng)今新時(shí)代日新月異的發(fā)展，達(dá)到提高培養(yǎng)學(xué)生思考研究探索能力的目的，有效地滿足社會(huì)對(duì)人才質(zhì)量日益提高的要求。