新工科背景下專業(yè)課程教學(xué)改革的創(chuàng)新與實(shí)踐

孟凡成 陳鵬起 劉節(jié)華 周如龍 程繼貴

[摘要]新工科類專業(yè)課程的教學(xué)內(nèi)容及方式與傳統(tǒng)工科有一定的差異。本文結(jié)合筆者在合肥工業(yè)大學(xué)新能源材料與器件專業(yè)的教學(xué)體驗(yàn)，以《超級(jí)電容器材料與技術(shù)》課程為例，通過在人才培養(yǎng)理念、課程教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)形式、評(píng)價(jià)方式等方面的探索與實(shí)踐，將最新的科技成果、課程思政引入課間教學(xué)，探討了雨課堂、雙語教材、翻轉(zhuǎn)課堂、課后實(shí)踐等教學(xué)方式在學(xué)生劍新能力培養(yǎng)中的作用及效果，以期為高校新能源領(lǐng)域培養(yǎng)出符合社會(huì)需求的創(chuàng)新型人才。

[關(guān)鍵詞]新能源材料與器件新工科教學(xué)改革能力培養(yǎng)

[基金項(xiàng)目]合肥工業(yè)大學(xué)信息化教學(xué)改革示范項(xiàng)目（編號(hào)：KCXX1906）;合肥工業(yè)大學(xué)線上線下混合式“金課”示范項(xiàng)目（編號(hào)：KCJK2001）。

[中圖分類號(hào)]G64

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[文章編號(hào)]2095-3089（2021）17-0163-02

一、背景

近年來，國務(wù)院及各相關(guān)部門在《中國制造2025》《制造業(yè)人才發(fā)展規(guī)劃指南》等發(fā)文中明確指出，新能源和新材料都屬于未來制造業(yè)重點(diǎn)關(guān)注的十大領(lǐng)域-2。而這些領(lǐng)域的發(fā)展，離不開高端人才的持續(xù)投入。因此，為主動(dòng)應(yīng)對(duì)新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革，我國教育部積極推動(dòng)“新工科”建設(shè)，并且新工科的理念一經(jīng)提出，就獲得了社會(huì)的廣泛歡迎和認(rèn)可。在眾多新工科專業(yè)中，新能源材料與器件專業(yè)綜合了材料、物理、化學(xué)、機(jī)械、電子、信息等眾學(xué)科的基礎(chǔ)理論，既關(guān)注相關(guān)材料與器件的結(jié)構(gòu)及原理，又注重器件的技術(shù)開發(fā)及工程應(yīng)用，具有較強(qiáng)的實(shí)用性、交叉性和綜合性。目前，我國已有多所高校開設(shè)了新能源材料與器件相關(guān)專業(yè)，但各大高校的關(guān)注重點(diǎn)及學(xué)生培養(yǎng)目標(biāo)有所差異。合肥工業(yè)大學(xué)的新能源材料與器件專業(yè)成立于2010年，其核心教學(xué)課程包括超級(jí)電容器、鋰離子電池、太陽能電池、燃料電池、光電發(fā)光材料與器件等，同時(shí)也非常注重培養(yǎng)學(xué)生扎實(shí)的數(shù)理基礎(chǔ)。

然而，新能源屬于新興學(xué)科，前沿研究一直在如火如茶地進(jìn)行著，新的知識(shí)和技術(shù)更新速度也非?？臁Ｒ虼?，相關(guān)課程的教學(xué)需要保持與時(shí)俱進(jìn)。近年來，新能源材料與器件類專業(yè)課程的教學(xué)方式和方法已有較大的變革和改進(jìn)57，但仍存在一些地方需要完善。而學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性以及專業(yè)實(shí)踐能力的欠缺將導(dǎo)致對(duì)專業(yè)知識(shí)的理解不深，對(duì)技術(shù)的創(chuàng)造性使用和繼續(xù)開發(fā)的能力不強(qiáng)。

因此，本文結(jié)合個(gè)人教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，以《超級(jí)電容器材料與技術(shù)》課程的教學(xué)探索為例，分享并討論新工科背景下新能源材料與器件專業(yè)課程教學(xué)改革的創(chuàng)新與實(shí)踐，以期對(duì)相關(guān)領(lǐng)域的人才培養(yǎng)有所幫助。

二、教學(xué)改革的實(shí)施——以《超級(jí)電容器材料與技術(shù)》課程為例

為適應(yīng)創(chuàng)新型社會(huì)的發(fā)展需求，新工科專業(yè)要培養(yǎng)具有廣博的專業(yè)知識(shí)、精湛的專業(yè)技能、綜合的創(chuàng)新能力，以及具有完整的人格的創(chuàng)新型人才?！冻?jí)電容器材料與技術(shù)》是新工科專業(yè)中的一門課程，在多數(shù)高校的新能源類專業(yè)中屬于專業(yè)選修課，對(duì)本領(lǐng)域?qū)W生在掌握專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)、拓展學(xué)科前沿視野以及鍛煉工程應(yīng)用實(shí)踐能力等方面有著重要的輔助作用。在本課程的教學(xué)中，我們通過改進(jìn)教學(xué)過程設(shè)計(jì)，以學(xué)生為中心，注重能力培養(yǎng)，充分發(fā)揮學(xué)生在理論學(xué)習(xí)和實(shí)踐動(dòng)手方面的主動(dòng)性：在常規(guī)的課程講授之外，為學(xué)生創(chuàng)造想一想、做一做、玩一玩、練一練的場(chǎng)境，讓學(xué)生通過主動(dòng)學(xué)習(xí)和實(shí)操體驗(yàn)結(jié)合的過程深化對(duì)專業(yè)知識(shí)的掌握和吸收。為此，在本課程的教學(xué)中有機(jī)地融入了以下措施，以期達(dá)到更好的教學(xué)效果。

1教學(xué)內(nèi)容方面。在講授超級(jí)電容器的結(jié)構(gòu)、材料、原理等基本知識(shí)之外，在每一章節(jié)的內(nèi)容上都會(huì)引入本領(lǐng)域最新的研究進(jìn)展。通過學(xué)生課下調(diào)研、課上演講，老師和其他學(xué)生參與討論的“翻轉(zhuǎn)課堂”的形式開展，并要求學(xué)生在深入理解調(diào)研材料的基礎(chǔ)上，舉一反三：在充分的教學(xué)互動(dòng)中，拓展并深化知識(shí)點(diǎn)的內(nèi)容。此外，在課堂教學(xué)中有機(jī)地融入我國在超級(jí)電容器前沿研發(fā)進(jìn)展及產(chǎn)品創(chuàng)新應(yīng)用的工程實(shí)例，可進(jìn)一步提升學(xué)生對(duì)本課程的學(xué)習(xí)興趣和對(duì)民族產(chǎn)業(yè)的自信。

2.教學(xué)方式方面。充分地利用了智慧教學(xué)工具雨課堂，將課外預(yù)習(xí)與課間教學(xué)融為一體。課前將帶有超級(jí)電容器結(jié)構(gòu)拆解及充放電過程模擬動(dòng)畫的課件通過雨課堂發(fā)布到班級(jí)，學(xué)生可以隨時(shí)學(xué)習(xí)：同時(shí)老師也可以看到每個(gè)學(xué)生的預(yù)習(xí)情況，進(jìn)而在課堂上有針對(duì)性地開展教學(xué)活動(dòng)。另一方面，在學(xué)生進(jìn)行了充分的課前預(yù)習(xí)的基礎(chǔ)上，老師也有更多的課堂時(shí)間進(jìn)行開放式教學(xué)，鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新思維和能力。

3實(shí)踐能力方面。充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的動(dòng)手積極性，通過市售超級(jí)電容器產(chǎn)品的拆解和在實(shí)驗(yàn)室中組裝超級(jí)電容器樣品的實(shí)驗(yàn)，將理論知識(shí)轉(zhuǎn)化到實(shí)戰(zhàn)演練中，增加學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容的感性認(rèn)識(shí)、培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力。

（1）市場(chǎng)上現(xiàn)有超級(jí)電容器產(chǎn)品的拆解、分析。在本課程教學(xué)期間，除理論學(xué)習(xí)之外，要求學(xué)生每人動(dòng)手拆解一款市場(chǎng)上購買的小型超級(jí)電容器產(chǎn)品，切實(shí)感受實(shí)際產(chǎn)品與課堂講授內(nèi)容的異同。通過對(duì)超級(jí)電容器成品的拆解，識(shí)別產(chǎn)品中各個(gè)部分對(duì)應(yīng)的課程教學(xué)中的專業(yè)名稱，進(jìn)一步查閱各部分的材料組成、分析其作用過程，形成對(duì)此類器件結(jié)構(gòu)的直觀認(rèn)識(shí)，并熟悉實(shí)物產(chǎn)品與理論模型的差異。

（2）組裝超級(jí)電容器樣品，并表征其電化學(xué)性能。通過本課程的全面講解之后，要求學(xué)生以小組形式，根據(jù)所學(xué)知識(shí)，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，自制一簡(jiǎn)單的超級(jí)電容器樣品。具體內(nèi)容包括選取并制備超級(jí)電容器的活性組分、電極，選取并制備合適的隔膜及電解液，并將其與電極一起組裝成超級(jí)電容器，并進(jìn)一步對(duì)自制的超級(jí)電容器的電容相關(guān)性能進(jìn)行表征和評(píng)價(jià)。

4評(píng)價(jià)方式方面，信息化教學(xué)手段的引入，極大地豐富了線上、線下混合式教學(xué)的內(nèi)涵。雨課堂發(fā)布的課堂測(cè)試、課后作業(yè)等可限時(shí)提交，并長(zhǎng)時(shí)間保留答題記錄，課前預(yù)習(xí)、課間互動(dòng)、課后個(gè)性輔導(dǎo)等可實(shí)時(shí)備案在線。在《超級(jí)電容器材料與技術(shù)》的課程教學(xué)中，雨課堂平臺(tái)上的記錄是評(píng)價(jià)學(xué)生學(xué)習(xí)態(tài)度的重要參考。同時(shí)，學(xué)生在專業(yè)前沿中的調(diào)研報(bào)告、在“翻轉(zhuǎn)課堂”中的表現(xiàn)、在期末綜合測(cè)試中的成績(jī)，以及在實(shí)驗(yàn)中展現(xiàn)出的動(dòng)手能力等都是評(píng)價(jià)學(xué)生該課程學(xué)習(xí)效果的重要方式。

三、實(shí)施效果

通過以上教學(xué)改進(jìn)措施的實(shí)施，充分發(fā)揮學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的能力，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)專業(yè)知識(shí)的同時(shí)，體驗(yàn)到在學(xué)中玩、在玩中學(xué)的樂趣。該教學(xué)方法極大地調(diào)動(dòng)了學(xué)生對(duì)課程學(xué)習(xí)的積極性、提升了課程學(xué)習(xí)效果、鍛煉了學(xué)生的動(dòng)手能力：同時(shí)也豐富了教師的教學(xué)方式、活躍了課堂氛圍、改善了教學(xué)效果。其中本課程中實(shí)踐能力鍛煉階段的實(shí)物拆解實(shí)驗(yàn)，尤其受到學(xué)生的歡迎，并且成效顯著。如我校2017級(jí)新能源材料與器件的優(yōu)秀畢業(yè)生王某凡同學(xué)在超級(jí)電容器的拆解報(bào)告中表示：“在這次拆解過程中我們雖然遇到了一點(diǎn)麻煩，但是整個(gè)過程是快樂的，也是新穎的。對(duì)于這種作業(yè)方式我是十分感興趣并喜愛的，不僅鍛煉了我們的動(dòng)手能力，也培養(yǎng)了協(xié)作能力，對(duì)微型法拉第電容的結(jié)構(gòu)也更了解”。以上教學(xué)改革措施通過在《超級(jí)電容器材料與技術(shù)》課程中近三年的實(shí)施與改進(jìn)，學(xué)生對(duì)本課程的教學(xué)參與度越來越高，課程考試的卷面成績(jī)大幅提升，并且學(xué)生也更能適應(yīng)學(xué)習(xí)效果評(píng)價(jià)中的開放式考核，創(chuàng)新思維能力得到了顯著提升。更重要的是，該課程的教改措施激發(fā)了學(xué)生們對(duì)新能源類專業(yè)知識(shí)的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)了學(xué)生對(duì)學(xué)好專業(yè)知識(shí)和看好專業(yè)前景的信心。

四、結(jié)束語

新工科專業(yè)的教學(xué)效果關(guān)系著本領(lǐng)域的人才培養(yǎng)質(zhì)量。為適應(yīng)不斷發(fā)展的社會(huì)需求，創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)模式也要作相應(yīng)的改變，而持續(xù)改進(jìn)也是工程教育質(zhì)量保證的重要環(huán)節(jié)。經(jīng)過近幾年專業(yè)課教學(xué)改革的創(chuàng)新與實(shí)踐，合肥工業(yè)大學(xué)的新能源材料與器件專業(yè)終于獲批了2020年度國家級(jí)一流本科專業(yè)建設(shè)點(diǎn)。這既是對(duì)本專業(yè)近年來教學(xué)效果的肯定，又對(duì)本專業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展提出了更高的要求。因此，在專業(yè)教學(xué)方面需要堅(jiān)持目前的成功措施，同時(shí)積極引進(jìn)先進(jìn)的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合新能源行業(yè)的用人要求和國內(nèi)外的發(fā)展動(dòng)態(tài)，在教改實(shí)踐中不斷創(chuàng)新、永遠(yuǎn)前進(jìn)，進(jìn)一步提升新能源材料與器件專業(yè)的人才培養(yǎng)質(zhì)量，為未來中國的高端制造業(yè)發(fā)展做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。

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作者簡(jiǎn)介：

孟凡成（1986年12月-），男，安徽合肥人，博士，副研究員，碩士研究生導(dǎo)師，主要從事新能源材料與器件相關(guān)的教學(xué)與科研。