張鵬　李水榮　龔正良　鄭志鋒　李君濤

［摘 要］ 化學教育是新能源專業(yè)人才培養(yǎng)的重要組成部分，可以幫助學生構建完善的知識體系，以獲得分析問題和解決問題的能力。在新工科背景下，應根據(jù)新能源類人才必備的基礎知識，按化學學科的內(nèi)容將知識引入、延伸與融合。結合教學實際，就如何自上而下地改革大學化學的教學觀念與內(nèi)容、自下而上地改進教學方式與方法等進行了思考，期望能夠為解決當前工科基礎化學教學中存在的一些問題，達到加強基礎、培養(yǎng)能力、突出創(chuàng)新、提高質量的培養(yǎng)要求提供一些有益思路，助力我國新能源產(chǎn)業(yè)的人才培養(yǎng)與發(fā)展。

［關鍵詞］ 大學化學；新能源專業(yè)；教學

［基金項目］ 2022年度廈門大學校級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目“鋰二次電池功能隔膜開發(fā)”（S202210384606）

［作者簡介］ 張 鵬（1982—），男，陜西西安人，博士，廈門大學能源學院副教授，主要從事電化學能源存儲與轉化研究；李水榮（1981—），男，福建廈門人，博士，廈門大學能源學院助理教授，主要從事能源儲存與轉化研究；李君濤（1979—），男，四川渠縣人，博士，廈門大學能源學院教授（通信作者），主要從事儲能材料與技術研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2023）07-0137-04［收稿日期］ 2022-05-12

兩次獲得諾貝爾獎的萊納斯·卡爾·鮑林曾說過，經(jīng)過良好訓練的化學家，擁有機會可以為科學領域之間的融合做出貢獻?；瘜W作為一門科學，不僅是世界通用的工具，而且能夠聯(lián)合各門科學服務于科學的統(tǒng)一［1］。化學教育是工科相關專業(yè)人才培養(yǎng)中素質教育和業(yè)務教育相結合的一個環(huán)節(jié)，是專業(yè)化人才整體培養(yǎng)目標方案中的一個重要組成部分。當前，化學發(fā)展迅速，研究的內(nèi)涵和外延都在不斷擴展，并與其他領域相互滲透，產(chǎn)生了一些前沿的新學科，如材料化學、化學生物學、能源化學等。這也從側面印證了鮑林關于化學作為跨學科交叉橋梁的基礎性作用。應看到的是，這些新興學科雖然成為研究前沿和產(chǎn)業(yè)熱點，但尚未形成系統(tǒng)的學科知識體系，應借助物理、化學等中心科學的基礎理論和學習方法，幫助學生構建相對完善的知識體系，以獲得分析問題和解決問題的工具與視角。

“化而生萬物，學以至無窮”。化學作為一門中心科學，與化學工業(yè)一起為近代人類的科學發(fā)展和社會進步做出了巨大的貢獻。當前，應重視其在工科人才培養(yǎng)過程中發(fā)揮的作用。對于新能源專業(yè)的學生，應注重培養(yǎng)通過化學視角認識世界、思考能源問題的能力。例如，化學變化伴隨著物質變化和能量變化，在傳統(tǒng)化學中，我們應關注物質變化，注重新物質的生成。但在能源學科中，能源的使用實質是能量形式的轉化過程，而化學反應正是能量轉化的重要載體，因此，可以充分利用化學和化工的理論與技術，研究和解決能量轉換、存儲和傳輸環(huán)節(jié)中的各個問題［2］。

在這種形勢下，需要對工科基礎化學課程體系進行整體優(yōu)化，以建立合理的知識結構，達到加強基礎、培養(yǎng)能力、突出創(chuàng)新、提高質量的人才培養(yǎng)要求。根據(jù)新能源類人才必備的基礎知識，對“四大化學”（無機化學、有機化學、分析化學、物理化學）進行整合，按化學學科的內(nèi)容將知識引入、延伸與融合，自上而下地改革大學化學的教學觀念與內(nèi)容，自下而上地改進大學化學的教學方式與方法，解決當前工科基礎化學存在的教學模式和內(nèi)容針對性較差、導致學生因不理解學習的實際意義而被動學習等問題，為我國加快培養(yǎng)新能源領域“高精尖缺”人才、增強產(chǎn)業(yè)關鍵核心技術攻關和自主創(chuàng)新能力提供了強有力的保障。

一、自上而下地改革大學化學的教學觀念與內(nèi)容

化學課程在化學類相關學院和專業(yè)中有非常完善、明確的培養(yǎng)方案和課程體系，包括“物理化學”“分析化學”“化工原理”等主干基礎課及其相關實驗，結合“量子化學”“工業(yè)化學”“現(xiàn)代化學專題”等課程，幫助學生打下扎實的基礎，并拓展化學研究的前沿。但在新工科專業(yè)中，一方面，化學僅是工科學生需要學習的基礎課程之一，課時和學分有限，不可能面面俱到；另一方面，化學是工科學生解決問題的重要工具，必須使學生具備通過化學基礎理論認識問題、分析問題的能力，必須重視基礎理論和知識的掌握。因此，新工科的大學化學不是化學專業(yè)“四大化學”的縮略版，面面俱到卻又點到為止，而是需要有針對性進行知識點的重新組合和交叉融合，以適應工科學習的需要，尤其需要考慮專業(yè)的特點，在形式和內(nèi)容上做有效的結合。

化學關注微觀尺度分子內(nèi)部、分子之間帶電荷粒子之間的作用關系及其對介觀、宏觀尺度物理化學性質的影響規(guī)律。因此電子—原子核、電子—電子、原子核—原子核之間的作用規(guī)律是統(tǒng)一各種化學過程的根本。例如，離子的極化能力、共價鍵的極性、電子結合能等，本質上都取決于電子與原子核之間的作用，進而會對物質的化學性質和化學反應過程產(chǎn)生決定性影響。對這一認識的深入理解有助于學生明確化學學習的底層邏輯。毋庸置疑，物理化學是整個化學學科的理論基礎，是整個化學的核心以及定量化程度最高的部分，也是學生用化學理論視角審視能源問題的基本依據(jù)，這個基礎需要打牢、打實。但與傳統(tǒng)物理化學課程中，從熱力學定律到化學平衡與相平衡，從量子力學基礎和原子結構到共價鍵理論及雙（多）原子分子結構，從分子對稱性到晶體結構，從宏觀反應動力學到分子反應動力學和表面化學，進而到光化學、電化學的框架不同，工科化學需要構筑更加簡明扼要、高度精練的物理化學基礎框架。彭笑剛教授編著的《物理化學講義》在這方面做出了有益探索。他從量子力學的分子能級出發(fā)，通過統(tǒng)計熱力學建立“能量”“熵”和“溫度”三個核心概念，從而構建了宏觀物理化學知識體系，用以闡釋化學宏觀現(xiàn)象的本質，而當將“時間”概念引入形成非平衡態(tài)熱力學時，解釋了物質輸運、反應過程等動力學問題［3-4］。這種一致性的物理化學理論系統(tǒng)，有助于學生建立較為深入的基于化學理論思考問題的范式，這是十分重要的。

對于無機和有機化學部分，大部分基礎化學類教材仍然按照化學專業(yè)中相應的“無機化學”課程與“有機化學”課程的縮略版進行章節(jié)設置，而部分工科普通化學或工科大學化學則在《物質結構基礎》章節(jié)之后按照金屬元素及材料、非金屬元素及材料、高分子化合物及材料設置相應的教學內(nèi)容。筆者認為，工科學生學習化學的目的一方面是構建化學理論的基礎，具備通過現(xiàn)象看清本質的能力，認知分析問題的一般規(guī)律；另一方面是掌握化學合成與分析的工具，能夠理論指導實踐，處理未來工作中遇到的問題。而無機化學和有機化學的內(nèi)容是物理化學理論基礎的實踐，且各有側重。傳統(tǒng)有機化學在工科化學中似乎可有可無，而高分子材料才更加重要。但是筆者認為，有機化學所強調的結構決定性質既是化學鍵理論內(nèi)涵的形象詮釋，又是化學反應過程的生動演繹，可以幫助學生更加具象地理解化學基礎理論。其內(nèi)容框架不能按照以官能團設置章節(jié)的方式，而是通過反應類型（加成反應、取代反應、消除反應等）結合價鍵特征（極性鍵與非極性鍵、定域鍵與離域體系）的形式加以介紹，注重各反應類型的區(qū)別與聯(lián)系。比如，芳香烴與烯烴同樣具有不飽和的π鍵，但是芳香烴發(fā)生的芳香取代反應與烯烴發(fā)生的加成反應類型完全不同，主要區(qū)別在于離域分子體系的能量特征；而鹵代烴的親核取代反應與烷烴的自由基取代反應又是共價鍵極性不同所導致的反應過程差異。這些內(nèi)容都是化學鍵理論在實際體系中的生動案例，有益于學生理解抽象的化學理論，也可以啟發(fā)學生跳出書本、舉一反三，了解科學發(fā)展的過程，培養(yǎng)鉆研的心態(tài)和動力。

分析化學統(tǒng)一于物理化學的基本理論，以無機化學、有機化學物質分析與反應過程的探究為實踐，是探索化學世界的重要工具，不可謂不重要。但對于工科化學而言，更需要把分散在物理化學中的分析方法的原理、無機化學與有機化學中分子結構分析的應用抽提出來，形成新的體系，引導學生掌握分析測試方法的基本原理和應用方法。打破原有框架，例如將原無機化學中的溶液平衡理論與分析化學中的有關平衡體系融合在一起，將原理、方法中的共性問題集中討論，有利于培養(yǎng)學生概括、思辨的能力［5］。而關于具體測試方法及其應用的部分，則可以形成一系列補充閱讀材料，培養(yǎng)學生的自學能力。

二、自下而上地改進大學化學的教學方式與方法

（一）基于實際問題展開的教學方法

學生不明白學習課程的實際意義，就容易缺乏學習的動力。好的問題是一切的開始，因此在授課過程中，根據(jù)具體的教學內(nèi)容，聯(lián)系新能源科學與技術的實際，以問題為導向巧設疑問，引導學生進入實際問題的情境，讓學生渴望得到問題的答案，激發(fā)主動思考的積極性。例如，在講到電極電勢時，可以用問題引入：電池已發(fā)明了200余年，為什么鋰離子電池的出現(xiàn)改變了人們的生活方式乃至能源系統(tǒng)？是什么原因讓鋰離子電池與眾不同的？從而引出電極電勢對電池能量密度的重要性，再進一步引導學生思考鋰離子電池在構建清潔高效的能源系統(tǒng)中的價值和發(fā)展方向。而在講述電解質溶液時，可以向學生發(fā)問：你們知道×孚電池一節(jié)更比六節(jié)強的說法從何而來嗎？從而引出不同電解質溶液的解離度等對電池反應過程的影響。在答案處理方面，有些問題可以在課堂即問即答，有些問題可以引導學生在課下探索學習，還有一些問題可以為后置專業(yè)課程的學習埋下伏筆，以化學等基礎理論認識問題本質的思維和問題為導向，貫穿學生學習的全過程。

（二）基于案例教學運用的教學方式

案例教學（Case Based Learning， CBL）起源于哈佛大學法學院，最早是由于法律本身的發(fā)展性導致的法律文獻激增，而傳統(tǒng)的教學方法無法適應這種變化，從而興起的通過對典型案例的分析進行教學的方法，通過師生互動使學生從具體情境中掌握相關的概念和理論，培養(yǎng)學生綜合分析問題的能力。案例教學一方面可以使學生更容易地掌握知識點，另一方面可以引導學生從注重知識變?yōu)樽⒅啬芰?，通過在案例情境中的學習舉一反三、總結發(fā)散，提高發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力以及自主學習的能力。化學與各種工科場景的融合也大大拓展了化學研究自身的內(nèi)涵與外延，這種發(fā)展性更需要利用開放式的案例教學方法。比如，在講到分子結構時，可以引導學生發(fā)散思考兩個或更多分子通過非共價鍵形成的有一定結構特征的絡合物時，會產(chǎn)生哪些變化和特征。而能源利用領域中的天然氣水合物與鋰離子電池“嵌入—脫嵌”的反應機制都涉及主客體化學這一類化學新結構的認識，從而大大推動了人類對于化石能源資源以及電極反應過程的理解?；瘜W動力學基礎中的反應級數(shù)問題在傳統(tǒng)物理化學中是比較抽象的，鹵代烴的親核取代反應與消除反應的競爭關系則是基元反應與反應級數(shù)的最佳案例。案例教學的引入，還可以有效改變傳統(tǒng)化學課程描述性過多的特征，有利于課程質量的提高。

（三）優(yōu)化實驗方案設置

相對于傳統(tǒng)的工科人才，未來新興產(chǎn)業(yè)和新經(jīng)濟需要的是實踐能力強、創(chuàng)新能力強、具備國際競爭力的高素質復合型新工科人才。通過化學實驗提高學生的動手能力，使其養(yǎng)成嚴謹準確的科學作風，對促進學生創(chuàng)新性思維發(fā)展具有十分重要的意義。工科大學化學實驗可以通過導向性的模塊化設置，諸如基礎訓練模塊、探索提高模塊等，有針對性地設計實驗內(nèi)容并注重將某些訓練實驗與新能源科學相關內(nèi)容有效結合。比如，基礎訓練模塊中的“酸堿滴定”“金屬離子聯(lián)合滴定”等傳統(tǒng)普通化學實驗可以加深學生對有效數(shù)字和標準偏差的理解，訓練求真的科學素養(yǎng)；探索提高模塊可以引入現(xiàn)代儀器方法與技術，有利于學生了解當今化學的發(fā)展形勢與學科交融的狀態(tài)，并注意將較為成熟、經(jīng)典的實驗與新能源專業(yè)有機結合，例如“差熱分析法測定Pb-Sn的金屬相圖”是比較經(jīng)典的物理化學實驗，考慮與新能源科學的結合，可以利用差熱分析研究碳酸鋰與二氧化錳混合的熱量變化和溫度的關系，進而討論鋰離子電池正極材料錳酸鋰的制備溫度，也可以將科研信息融于實驗教學，激發(fā)學生的興趣與好奇心，培養(yǎng)科學思維與探索精神。

三、充分認識授課學生的學習特點

工科化學的開課一般是在第一學年，需要著重關注大學一年級學生的學習特點。大一是銜接高中階段與大學階段的重要時期，高中學習注重表象與定性的認知基本概念與原理，以達到獲得快速準確的解題能力和解題技能為目標，關注“是什么”而非“為什么”。而大學階段則注重對原理的本質理解與探究，并將其運用于實際體系，思考和解決實際問題?？紤]學生的實際情況，將“四大化學”中的主要內(nèi)容組合在一起，真正融合為工科化學的教學內(nèi)容，理論難度適當，使大一新生能夠接受，在教學方式上還應盡量結合實際問題的案例教學，使學生能順利銜接高中階段的學習過程、方法和特點。

在課堂教學中，由于知識容量發(fā)生了根本性的變化，大學教師無法像中學教師那樣將所有知識點講細、講透，需要學生花大量時間進行自學。在這個過程中，通過補充材料的閱讀等逐步引導學生開展自主學習，使其盡快適應大學的學習方式，掌握科學的學習方法。明確了“主干”，學生才能具有綜觀全局的視野和能力，也可能在“主干”思維下豐富“枝干”內(nèi)容，形成自己的“知識樹”。高中與本科的銜接過程，是一個“以內(nèi)容和形式培養(yǎng)學習能力，通過學習能力完整建構知識體系”的“實—虛—實”螺旋上升的過程，教師既是授業(yè)者，又是引路人。

人類面臨空前的能源與資源危機、生態(tài)與環(huán)境危機、氣候變化危機等多重挑戰(zhàn)，新能源科學與技術被賦予了推動經(jīng)濟和人類發(fā)展發(fā)生深刻變革的使命，其學科邊界和實踐范圍大大擴展。但是，新能源學科是一個具有很強交叉特征的學科，學科體系還在逐步完善，化學、物理等中心科學基礎理論的學習至關重要。“學什么”“如何教”“怎么學”是回答如何培養(yǎng)未來行業(yè)所需人才的關鍵問題，需要從頂層設計和底層實施充分考慮，并在實踐中盡快找到問題的答案，以助力我國全面協(xié)調可持續(xù)發(fā)展和“雙碳”目標的實現(xiàn)。

參考文獻

［1］貝爾納黛特·邦索德·文森特，喬納森·西蒙.化學，不純粹的科學［M］.2版.北京：北京郵電大學出版社，2018：3-10.

［2］陳軍，陶占良.能源化學［M］.2版.北京：化學工業(yè)出版社，2014：1-3.

［3］彭笑剛.物理化學講義［M］.北京：高等教育出版社，2012：1-5.

［4］孫文東，邢雙喜，王春剛.基于核心概念的物理化學教材邏輯體系建構：讀《物理化學講義》的感悟［C］//第十三屆全國大學化學教學研討會論文集.武漢：武漢理工大學出版社，2015：120-123.

［5］四川大學.近代化學基礎［M］.3版.北京：高等教育出版社，2014：1-10.

Reflections on College Chemistry Teaching of New Energy Specialty under the Background

of New Engineering

ZHANG Peng， LI Shui-rong， GONG Zheng-liang， ZHENG Zhi-feng， LI Jun-tao

（College of Energy， Xiamen University， Xiamen， Fujian 361102， China）

Abstract： Chemistry is an important part of the education of new energy specialty， which can help students build a perfect knowledge foundation to obtain the ability to analyze and solve problems. Under the background of new engineering， knowledge should be introduced， extended and integrated according to the whole chemistry discipline according to the necessary basic knowledge of new energy talents. Combined with the teaching practice， this paper considers how to reform the teaching concept from top to bottom and change the teaching methods from bottom to top. It is expected to provide some useful ideas for solving some problems existing in the current college chemistry teaching of engineering， to meet the requirements of strengthening foundation， cultivating ability， highlighting innovation， and to help the development of Chinas new energy industry.

Key words： college chemistry; new energy specialty; teaching