新能源環(huán)境下“燃料電池”課程的教學(xué)與實(shí)踐探索

李伏虎，武成利，張曄，榮俊鋒，熊金鈺

（安徽理工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，安徽 淮南 232001）

石油、天然氣和煤炭等傳統(tǒng)化石燃料燃燒產(chǎn)生的二氧化碳等溫室氣體是造成大氣污染和地球環(huán)境變暖的主要因素，直接影響人類賴以生存的地球生態(tài)環(huán)境，已經(jīng)成為重大的全球性問題；另一方面，石油、天然氣和煤炭等傳統(tǒng)化石燃料的長期過度開采，已使這些資源面臨枯竭。因此，新能源是人類社會(huì)未來能源發(fā)展的必然趨勢[1]。在2020年11月2日國務(wù)院辦公廳發(fā)布的《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021-2035 年）》文件中，明確提出“燃料電池汽車實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用，氫燃料供給體系建設(shè)穩(wěn)步推進(jìn)”的發(fā)展愿景[2]。因此，在我國大力推進(jìn)新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的大環(huán)境下，培養(yǎng)能源化學(xué)工程專業(yè)人才需要注重新能源課程的設(shè)置和教學(xué)實(shí)踐工作的開展。燃料電池是清潔高效利用氫能源的發(fā)電裝置，也是新能源發(fā)展的重要領(lǐng)域。因此，“燃料電池”課程的設(shè)置和開展對(duì)于能源化學(xué)工程專業(yè)具有重要意義?！叭剂想姵亍闭n程教學(xué)需要緊跟新能源發(fā)展方向，為社會(huì)培養(yǎng)高素質(zhì)能源化工專業(yè)人才。

同時(shí)，在教育部印發(fā)的《關(guān)于加強(qiáng)“質(zhì)量工程”本科特色專業(yè)建設(shè)的指導(dǎo)性意見》（教高司函［2008］208號(hào)）文件中，也明確指出“特色專業(yè)的課程建設(shè)應(yīng)緊緊圍繞教育目標(biāo)，根據(jù)相關(guān)產(chǎn)業(yè)和領(lǐng)域的新發(fā)展和新要求，加強(qiáng)課程體系、教學(xué)內(nèi)容、教材、教學(xué)方法和手段等方面的改革與建設(shè)”[3]。由此可以看出專業(yè)特色課程教育教學(xué)的重要性以及專業(yè)特色課程在專業(yè)課程體系中的重要地位?！叭剂想姵亍闭n程作為安徽理工大學(xué)能源化學(xué)工程專業(yè)的特色課程之一，主要講授燃料電池的原理、技術(shù)和應(yīng)用等方面的專業(yè)知識(shí)。結(jié)合安徽理工大學(xué)在新能源環(huán)境下重點(diǎn)發(fā)展煤化工和新能源化工的專業(yè)建設(shè)思想，“燃料電池”課程確定了多方法融合的教學(xué)思路和低碳排放新能源的發(fā)展方向。

1 “燃料電池”課程教學(xué)現(xiàn)況

“燃料電池”課程主要介紹燃料電池的基本原理、基礎(chǔ)概念、基本技術(shù)及發(fā)展應(yīng)用等知識(shí)，是一些高校的能源類和化工類專業(yè)特色課程[4]。安徽理工大學(xué)能源化學(xué)工程專業(yè)的發(fā)展方向是能源低碳轉(zhuǎn)化、可再生能源利用及相關(guān)領(lǐng)域，自本專業(yè)設(shè)立以來一直開設(shè)“燃料電池”課程。近年來，隨著國際上石油和煤炭等傳統(tǒng)化石能源供求關(guān)系的變化，同時(shí)新能源技術(shù)持續(xù)創(chuàng)新，新能源設(shè)備不斷更替，對(duì)能源化學(xué)工程專業(yè)的人才培養(yǎng)提出了更高的要求。這也使得能源化學(xué)工程專業(yè)特色課程“燃料電池”必須進(jìn)行教學(xué)改革。

目前，“燃料電池”課程在教學(xué)過程中存在一些問題，主要包括：①教學(xué)內(nèi)容與新能源發(fā)展不同步，課堂教學(xué)無法滿足學(xué)生對(duì)新知識(shí)的需求。由于新能源領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展很快，燃料電池發(fā)展和應(yīng)用方面的參考教材出版相對(duì)滯后，所以“燃料電池”課程的教學(xué)內(nèi)容與實(shí)際發(fā)展存在不同步的現(xiàn)象。②“燃料電池”的傳統(tǒng)課堂多以“板書+ppt”模式為主，課后作業(yè)為輔，這種教學(xué)方式相對(duì)單一，致使學(xué)生對(duì)課堂學(xué)習(xí)的熱情不高，教學(xué)效果不好。③理論與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)不足，課堂教學(xué)中普遍存在講授理論知識(shí)多，實(shí)踐知識(shí)少，學(xué)生缺乏動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力。以上問題既有傳統(tǒng)課堂教學(xué)中普遍存在的，又有“燃料電池”課程特有的，因此需要探索專業(yè)特色課程教學(xué)改革之路。

2 新能源環(huán)境下“燃料電池”課程教學(xué)實(shí)踐探索

針對(duì)目前“燃料電池”課程在教學(xué)中出現(xiàn)的問題，結(jié)合能源化學(xué)工程專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)對(duì)學(xué)生素質(zhì)和能力的要求，對(duì)本課程進(jìn)行改革創(chuàng)新和實(shí)踐教學(xué)探索。

2.1 修訂教學(xué)大綱，明確教學(xué)目標(biāo)，滲透思政教育

“燃料電池”課程的教學(xué)改革需要緊密圍繞能源化學(xué)工程專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)，修訂課程教學(xué)大綱，加強(qiáng)本專業(yè)課程體系建設(shè)，從大綱中總結(jié)出教學(xué)目標(biāo)是教學(xué)實(shí)踐探索的龍頭，根據(jù)修訂的課程大綱制定出課程目標(biāo)，總共有四項(xiàng)，分別是：

目標(biāo)1：掌握燃料電池基本原理、技術(shù)、設(shè)備組件及應(yīng)用的特點(diǎn)及發(fā)展趨勢。

目標(biāo)2：掌握燃料電池教學(xué)上的實(shí)際問題，提高學(xué)生觀察問題、分析問題和解決問題的能力。

目標(biāo)3：根據(jù)能源可持續(xù)發(fā)展的理念，能初步設(shè)計(jì)燃料電池工藝過程，并能進(jìn)行工程技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析和能量效率分析。

目標(biāo)4：具有自主學(xué)習(xí)和終身學(xué)習(xí)的意識(shí)，有不斷學(xué)習(xí)和適應(yīng)發(fā)展的能力，能及時(shí)了解燃料電池的最新理論、技術(shù)及國際前沿動(dòng)態(tài)。

以上四個(gè)課程目標(biāo)點(diǎn)，在課程達(dá)成度評(píng)價(jià)時(shí)所占的比例分別為35%、35%、20%和10%，在考試和平時(shí)成績評(píng)價(jià)時(shí)按照以上比例計(jì)算各個(gè)課程目標(biāo)點(diǎn)的達(dá)成情況，嚴(yán)格考核課程目標(biāo)的達(dá)成度。

同時(shí)，在修訂的教學(xué)大綱中穿插思政教育元素。教學(xué)大綱由課程思政、教學(xué)內(nèi)容、基本要求、知識(shí)結(jié)構(gòu)、教學(xué)實(shí)踐和考核方式與要求等組成。安徽理工大學(xué)是傳統(tǒng)的能源煤礦院校，在新能源環(huán)境下和國家政策導(dǎo)向下，其專業(yè)特色在教學(xué)大綱中應(yīng)更加鮮明地體現(xiàn)。鑒于“燃料電池”是一門專業(yè)應(yīng)用性很強(qiáng)的專業(yè)學(xué)科，課程教學(xué)大綱需要層次分明、突出重點(diǎn)、專業(yè)特色、滲透思政；其課程教學(xué)理念必須以學(xué)生為中心，滿足能源化工專業(yè)人才培養(yǎng)的需求。該課程的教學(xué)目標(biāo)為引導(dǎo)學(xué)生掌握燃料電池的基礎(chǔ)知識(shí)、基本技術(shù)和應(yīng)用前景，通過圖片、視頻、實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐等形式感受新能源技術(shù)發(fā)展前沿；在參與過程中激發(fā)每位學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新思維，鼓勵(lì)學(xué)生提出疑問、進(jìn)行討論并找到答案，尋找新能源技術(shù)未來發(fā)展的方向。只有通過學(xué)生自己開動(dòng)大腦進(jìn)行思考，掌握的知識(shí)才牢固，才能達(dá)到勤思考、出成果、產(chǎn)創(chuàng)新的效果。

2016 年12 月，習(xí)近平總書記在全國高校思想政治工作會(huì)議上強(qiáng)調(diào)，高校思想政治工作關(guān)系高校培養(yǎng)什么樣的人、如何培養(yǎng)人以及為誰培養(yǎng)人這個(gè)根本問題[3]。要堅(jiān)持把立德樹人作為中心環(huán)節(jié)，把思想政治工作貫穿教育教學(xué)全過程，實(shí)現(xiàn)全程育人、全方位育人，努力開創(chuàng)我國高等教育事業(yè)發(fā)展新局面[5]?！叭剂想姵亍闭n程教學(xué)大綱修訂過程中充分注重立德樹人，滲透思政元素。課程團(tuán)隊(duì)將立德樹人視為根本，充分將思政元素融入教材的各個(gè)章節(jié)中，不斷提升學(xué)生的政治素養(yǎng)和專業(yè)素養(yǎng)。

2.2 教學(xué)內(nèi)容推陳出新，引入新能源前沿發(fā)展現(xiàn)狀

“燃料電池”課程使用的參考教材多是2000年前后編寫的，由于這些參考書出版時(shí)間較早，一些燃料電池領(lǐng)域的新進(jìn)展是空白知識(shí)點(diǎn)，這不僅導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)效果不佳，也給教學(xué)組織管理增添了困難。于是，課程團(tuán)隊(duì)參考與整理大量國內(nèi)外相關(guān)的文獻(xiàn)資料和課程信息，將相關(guān)性高的內(nèi)容進(jìn)行整合梳理，完成了“燃料電池”課件的制作工作。在課件整理編寫過程中，必須要把握課程內(nèi)容具有一定的深度和廣度，要在教學(xué)的知識(shí)中呈現(xiàn)出新的、深層次的內(nèi)容，并與能源化學(xué)工程專業(yè)相關(guān)工程實(shí)踐相融合，積極引導(dǎo)學(xué)生思考并訓(xùn)練學(xué)生的創(chuàng)新思維。例如，在課堂教學(xué)中介紹燃料電池的應(yīng)用新進(jìn)展時(shí)，引用最新實(shí)例為學(xué)生進(jìn)行講解，主要實(shí)例：2022 年北京冬季奧運(yùn)會(huì)使用的氫能源燃料電池賽事交通服務(wù)用車以及山東省建設(shè)加氫站為氫能產(chǎn)業(yè)配套[6-7]。這些知識(shí)點(diǎn)增加了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，促使學(xué)生更加關(guān)注燃料電池新能源的應(yīng)用與發(fā)展。

2.3 突出學(xué)生實(shí)踐能力，提升專業(yè)素質(zhì)

“燃料電池”課程是理論與實(shí)踐相結(jié)合的課程，在課堂教學(xué)的過程中需要突出學(xué)生的實(shí)踐能力。為此，在能源化學(xué)專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程中增加了燃料電池實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及電化學(xué)方面的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容；另外，還在教學(xué)過程中演示甲醇燃料電池的工作過程和原理；在能源化學(xué)工程專業(yè)學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，增加了燃料電池系統(tǒng)的設(shè)計(jì)題目。通過這些教學(xué)和實(shí)踐內(nèi)容的開展，增加了學(xué)生對(duì)燃料電池原理的感性認(rèn)識(shí)，提升學(xué)生的實(shí)踐能力和專業(yè)創(chuàng)新能力，使學(xué)生能夠?qū)W有所用，進(jìn)而提升學(xué)生的專業(yè)素質(zhì)。

2.4 豐富教學(xué)手段，提升教學(xué)效果

在“燃料電池”課程的教學(xué)過程中，除了傳統(tǒng)課堂“板書+ppt”的教學(xué)模式外，還積極探索多種教學(xué)模式，例如：課堂教學(xué)中布置開放性討論課題，讓學(xué)生拓展想象空間，思考未來燃料電池可能應(yīng)用的領(lǐng)域；同時(shí)，布置學(xué)生課下查找閱讀文獻(xiàn)，撰寫燃料電池發(fā)展的綜述；另外，還可以在課堂教學(xué)中播放燃料電池應(yīng)用的視頻資料及演示圖等，增加學(xué)生對(duì)燃料電池原理和應(yīng)用領(lǐng)域的認(rèn)識(shí)，這樣既豐富了教學(xué)手段，又改變了傳統(tǒng)教學(xué)模式，同時(shí)提升了教學(xué)效果。

3 新能源環(huán)境下“燃料電池”課程教改效果及持續(xù)改進(jìn)

3.1 教改效果統(tǒng)計(jì)分析

近年來，通過持續(xù)進(jìn)行“燃料電池”課程的教學(xué)改革，加強(qiáng)了能源化學(xué)工程專業(yè)的課程建設(shè)。通過分析近三年來的課程達(dá)成情況（表1）可以看出，課程平均達(dá)成度分別為66.2%、70.8%和72.1%，學(xué)生課程達(dá)成度穩(wěn)步提高。通過最近一次課程總目標(biāo)的達(dá)成情況（圖1），可以看出學(xué)生達(dá)成情況良好。另外，以學(xué)生為主體進(jìn)行調(diào)查與統(tǒng)計(jì)，學(xué)生對(duì)該課程的學(xué)習(xí)自主性、積極性明顯提升，不僅對(duì)學(xué)習(xí)充滿興趣，還能對(duì)知識(shí)點(diǎn)舉一反三，對(duì)能源化工專業(yè)知識(shí)掌握較好。

表1 近三年“燃料電池”課程達(dá)成情況

圖1 能源化學(xué)工程專業(yè)“燃料電池”課程最近一次課程總目標(biāo)達(dá)成度散點(diǎn)圖

3.2 完善課程評(píng)價(jià)體系，持續(xù)改進(jìn)

為了持續(xù)保持教學(xué)改革成效，“燃料電池”課程借鑒工程教育認(rèn)證體系中的課程評(píng)價(jià)體系和持續(xù)改進(jìn)措施（Continuous Quality Improvement，CQI），對(duì)課程的教學(xué)效果進(jìn)行客觀評(píng)價(jià)?！叭剂想姵亍闭n程必須建立有效的質(zhì)量監(jiān)控和持續(xù)改進(jìn)機(jī)制，能持續(xù)跟蹤改進(jìn)效果并用于推動(dòng)課程教學(xué)質(zhì)量不斷提升?！叭剂想姵亍闭n程持續(xù)改進(jìn)系統(tǒng)分為以下四個(gè)部分：

首先，以學(xué)生為主體，對(duì)學(xué)生課程考試情況和平時(shí)學(xué)習(xí)情況的四個(gè)課程目標(biāo)達(dá)成情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析和評(píng)價(jià)。在計(jì)算課程目標(biāo)達(dá)成度的過程中，學(xué)生的考試課程目標(biāo)達(dá)成度可以通過考試卷面分?jǐn)?shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，學(xué)生的平時(shí)學(xué)習(xí)情況課程目標(biāo)達(dá)成度主要通過學(xué)生的課堂表現(xiàn)、課堂作業(yè)和課后作業(yè)等情況來確定，考試成績和平時(shí)成績在總達(dá)成度的計(jì)算中占比分別為70%和30%。

其次，在“燃料電池”課程四個(gè)課程目標(biāo)點(diǎn)的達(dá)成度中找出達(dá)成情況最低的目標(biāo)點(diǎn)，組織教師和學(xué)生座談，分析情況，查找原因，制定課堂教學(xué)改進(jìn)措施。通常目標(biāo)2（解決問題的能力）和目標(biāo)3（持續(xù)發(fā)展的理念）這兩項(xiàng)達(dá)成度較低，在改進(jìn)措施中需要有針對(duì)性。

再次，在新學(xué)期的教學(xué)中執(zhí)行改進(jìn)措施，做好檢查和驗(yàn)證工作，樹立高標(biāo)準(zhǔn)，補(bǔ)足教學(xué)短板，在保障教學(xué)質(zhì)量的同時(shí)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)教學(xué)過程中存在的問題，提升課程目標(biāo)點(diǎn)的達(dá)成情況。

最后，進(jìn)行新一輪的課程評(píng)價(jià)，總結(jié)課程目標(biāo)的達(dá)成情況，尋找新的需要改進(jìn)的課程目標(biāo)點(diǎn)。通過以上循序漸進(jìn)的教改步驟，持續(xù)改進(jìn)了“燃料電池”的課程教學(xué)，獲得了明顯的效果。教學(xué)改革喚起了學(xué)生的自我主動(dòng)力和行動(dòng)力，課程內(nèi)容的新穎性和授課模式的趣味性重新點(diǎn)燃了學(xué)生及教師對(duì)課程的學(xué)習(xí)熱情。

4 結(jié)束語

安徽理工大學(xué)能源化學(xué)工程專業(yè)“燃料電池”課程通過三年多的教學(xué)改革探索，已取得一定教改效果，學(xué)生的專業(yè)能力和課程成績均有一定的提高，“燃料電池”課程也入選安徽省省級(jí)教學(xué)示范課建設(shè)課程。在新能源發(fā)展的大環(huán)境下，對(duì)能源化學(xué)專業(yè)的學(xué)生素質(zhì)提出了新的要求，“燃料電池”課程的教學(xué)改革探索，提升了學(xué)生理論與實(shí)踐水平，也鍛煉了教師的教學(xué)能力，為培養(yǎng)具有良好思政素質(zhì)、較高專業(yè)技術(shù)水平及正確價(jià)值觀的綜合應(yīng)用型人才奠定了基礎(chǔ)。