基于成果导向教育理念的工程专业教学改革

[摘 要] 针对国家工程专业教育认证的导向和要求，结合“新能源材料与器件”这门课程的特点，通过将成果导向教育这一先进教学理念引入该课程的教学实践中，在成果导向教育理念指导下，从教学设计、授课内容、教学形式及考核方式等方面出发，充分贯彻以学生为中心和教育成果为导向的教学理念，从而调动学生学习的积极性和自觉性，并在培养学生进行科研的兴趣、科学思维方式、科技报国情操、创新意识等方面取得理想的教学效果。

[关键词] 新能源材料与器件;教学改革;教学内容;系统思维能力

[基金项目] 2019年度国家自然科学基金面上项目“锑/掺杂碳设计与储钾机理研究”（51971090）

[作者简介] 马建民（1981—），男，山西临汾人，材料學博士，湖南大学物理与微电子科学学院教授，硕士生导师，主要从事材料学研究。

[中图分类号] G642.0     [文献标识码] A   [文章编号] 1674-9324（2021）07-0061-04     [收稿日期] 2021-01-07

新能源材料与器件是发展新能源技术和实现新能源利用的关键。为了适应新能源技术进步和电池产业蓬勃发展，笔者所在的湖南大学近年来在物理与微电子科学学院为本科三年级应用物理学、电子科学技术专业学生开设了“新能源材料与器件”课程，共32学时。该课程以储能器件为主，包括铅酸电池、镍氢电池、锂离子电池、锂-硫电池、固态锂电池、锂-空气电池、钠离子电池、太阳能电池、超级电容器等多种类型。开设该课程的意义在于给学生传播新能源材料与器件领域相关的前沿科学知识，同时为电池产业输送高质量的生力军做准备[1]。该课程早期以单一课堂教学形式开展，以课程内容为中心、教师为主导，存在知识讲解枯燥乏味、学生上课不积极、课程效果不佳等缺点。为此，经历5年的教学改革与实践，笔者成功将成果导向教育（Outcome Based Education，以下简称OBE）这一先进教学理念引入该课程的教学实践中，不仅强调学生在教学过程中的主体作用，更加注重学生获得的成果和能力，从而实现了以成果为导向的教学模式。

一、激发学生对前沿科学的兴趣

OBE理念是Spady等[2]人在1981年提出的先进教育理念，指教学设计和教学实施目标源自教育过程最后取得的学习成果。“新能源材料与器件”经过五轮课程的探索与实践，逐渐形成了基于OBE理念将课题教学内容外延，培养学生的科学兴趣的模式。锂-空气电池部分是“新能源材料与器件”课程重要内容之一，早期涉及锂-氧电池的基本原理、正极催化剂体系等内容讲授。课堂内以讲解锂-空气电池系统的基本概念和基本原理为主，内容主要基于电化学理论讲解，针对新能源材料与器件来讲，学生很难把握理论与前沿科学、理论与产业化之间的对应关系。基于作者在前沿科学基础研究领域的成绩，我们在课堂上将讲授内容拓展到锂-二氧化碳电池、锂-氮电池，将锂-氧电池的基础理论对应科研过程中的实验、测试、分析[3，4]，让学生产生“算账时数学很有用”的体验。通过一系列拓展教学内容及科研前沿实例展示的措施，在课程上明显感受到学生对基础理论知识的鲜活展现的兴趣、对科学内涵的渴望。

基于OBE理念，通过对学生的学习效果进行总结分析，笔者得出学生在对基本理论概念理解基础上，更渴望知悉所学的内容在具体科研工作中对应着哪些应用。因此，“新能源材料与器件”课程在基础理论概念的教授过程中将教学内容外延到前沿科学中去，让学生清楚地明白所学理论在具体科研实验中是如何发挥作用的，进而使学生摆脱基础理论枯燥乏味的学习，激发学生对前沿科学的兴趣及渴求。

二、注重培养学生系统理论思维能力

在作者多年的本科教学经历中，明显感到有很大一部分同学可以很好地学习各门课程，但是很难将各学科课程系统地关联起来。因此，基于OBE理念，在教学过程中培养学生系统思维能力迫在眉睫。

随着课程的教学经验积累，逐步总结分析发现，本科生对基础理论概念接受与理解能力很强，但是因为大学与高中的教学模式的区别，很多同学很难在课堂上找到学习的兴奋点，而课后自学练习又没有高中时教师和家长随时督促。因此，在有限的课堂上把基础理论知识讲透彻的基础上，更关键的是激发学生的兴趣点，让学生从兴趣—知识—追求上形成系统的理论思维能力。基于OBE理念，作者注重每轮课程、每节课程学生的感受和实际学习效果（课堂提问、讨论、随堂测试）。通过不断总结优化，“新能源材料与器件”课程课堂形式丰富活泼、教学效果扎实稳定，正成为最受学生欢迎的专业课程之一[5]。

锂离子电池、钠离子电池、钾离子电池等碱金属电池部分是“新能源材料与器件”课程的重要内容，早期课堂上以章节形式分别讲授其原理、正负极电极材料及其电解液。由于这几类电池具有类似的摇椅式工作原理，正负极材料类型很类似[6]。然而各类碱金属电池的基础电化学原理又存在细微差异，进而课堂罗列一系列的基础电化学概念，教师备课量庞杂，学生反映“感觉高大上、实际没听懂”。采用OBE理念，我们课堂采用类比式、对比式等授课形式讲授电极材料的相似性与差异性。以正极材料的类型的类似性为例，层状氧化物、硫及氧都适合碱金属电池。当然差异性也需要讲授。以碱金属离子脱嵌层状石墨负极为例，离子半径较小的锂离子和离子半径较大的钾离子易于脱嵌于石墨层。然而，处于中间大小的钠离子不容易插入石墨层。显然这与离子半径大小没有直接关系，这与钠离子与石墨形成的中间相物质的稳定性不高有关系。另外，作者还鼓励同学利用课余时间实地去实验室看看，了解理论与现实科研之间的关联。通过这种类比式授课方式，学生可以较好地掌握系统知识，为培养系统思维模式提供锻炼机会。

作者课题组招纳了两名上过“新能源材料与器件”课程的本科生在课题组攻读硕士学位，因为扎实的本科基础和系统的思维能力，两名研究生均取得了优异的研究成果。另据调研得知，本专业的同学毕业继续攻读研究生比例和读研成果均表现卓越。随着时间的推移，我们的课程体系基于OBE理念正逐渐形成具有特色、课堂形式鲜活丰富、讲授效果突出等优点。

三、培养学生创新意识和实践能力

经过深入的教学研究与实践，学生实地进入电池专业实验室，操作锂离子电池的电极材料制备、电极制作、电池组装与测试、电池性能分析等实验环节，锻炼了学生的实践能力，同时也激发了学生对课程的热情[7]。

通过“新能源材料与器件”课程的学习，学生在本科阶段均积极加入相关研究方向的专任教师的实验室进行科研实验。学校和学院给予了高度评价和大力支持。近年来，本科毕业论文水平有了明显的提高，已经涌现出一大批本科阶段即可以掌握专业科研实验的独立操作和深入研究的学生，据统计，新能源材料与器件专业每年毕业论文成果列表里均有3～5篇本科生为第一作者的英文文章。也正是本科阶段即获得了成熟的实验技能和科研创新能力，本科毕业生们无论是继续深造读研，还是参加工作，均显示出喜人的成绩。

作者在讲授“新能源材料与器件”课程的班级里，接收了一名2015级本科生进入课题组做课题，该学生在大学三年级时进入实验室，初入实验室时并不能把课本上的基础理论概念和实验室的科研实验联系起来，在经过近一个学期的业余科研实验经历后，学生在数学建模大赛找到突破点，总结实验室的科研成果，通过数学模型的建立，在材料计算领域取得突出性成果。该学生通过第一性原理计算，澄清了锂离子电极材料的储锂通道，并通过计算成果推导出电极材料改性的关键点，后续课题组学生通过实验验证计算出可行性[8-10 ]。在电化学储能领域，几十年来通过不断尝试新型电极材料来探索新型储能电极，通过引入计算大大提高了科研效率，可以更高效地设计材料并有目的地创造新型电极材料。基于OBE理念的教学模式大大激发了学生的创新意识，通过基础理论概念和实验实践的碰撞，本科生可以激发出极大的原创能力，真正做到从书本中来，到科研中去，最终成果又回到书本中。

提高高等学校人才培养、科学研究、社会服务和文化传承创新水平的重任在从事教学科研的一线教师。高校教师有义务为知识发现和科技创新提供重要力量、先进思想和优秀文化传承。我国的高等教育正面临着新的挑战，随着社会的发展和国际化进程的深入，国家对高端人才的需求越来越大了。基于OBE理念，把国家的理念、社会的需求融入课程中去，通过考查学习成果，不断调整完善教学设计和教学实施，目的是为我国高校发展“双一流”提供支持。

四、基于OBE理念培养学生的科研兴趣

近年来，通过对“新能源材料与器件”课程的学习，越来越多的本科生加入笔者课题组从事电池研究。他们对电池材料美妙的纳米结构的合成充满好奇，对优异电池性能充满期待，对课题组内学术交流表现出踊跃与自信，都体现出他们对“新能源材料与器件”外延的科研活动的浓厚兴趣。通过参与科研活动，课题组已有十余名毕业生在国外著名大学继续深造，从事电池领域的相关研究。

笔者在对“新能源材料与器件”课程讲授的过程中，发现其中一批本科学生对科研产生了浓厚的兴趣，并且利用业余时间在实验室工作，取得了一定的创新性科研成果。进入研究生阶段后，学生不仅仅是对实验过程逐渐熟悉与理解，而是找到了追求更深入科学知识的直接开关，通过一个个的科学难题的解决，真正做到了把科研工作变成了科研兴趣。

2019年化学诺贝尔奖得主之一正是对锂离子电池发展起到至关重要作用的约翰·古迪纳夫教授。约翰·古迪纳夫教授讲过：“我们有些人就像是乌龟，走得慢，一路挣扎，到了而立之年还找不到出路。但乌龟知道，他必须走下去。”当代大学生更应该有目的地走下去，真正找到自己的兴趣。在“新能源材料与器件”课程的学习过程中，学生更容易找到自己的专业兴趣。因为该课程注重在课堂的细节中潜移默化地培养学生的科研兴趣，通过基础电化学理论概念在各类新能源材料与器件中的一一关联，逐渐有更多的学生在本科生阶段走进实验室，本科毕业即继续在科研道路上追求真理。多名通过“新能源材料与器件”课程和新能源材料研究结缘的同学，在本科毕业后加入了新能源研究领域继续深造。

在学生继续深造方面真正体现了祖国的魅力，也正有大批的留学生归国投入祖国建设的各行各业中去。科学研究最终是为人服务的，学生掌握了技术后更愿意让其在祖国的大地上生根发芽，为祖国繁荣做出贡献。

五、基于OBE理念构建多元的学习效果评价体系

“以学生为中心”是构建成果评价体系的基本原则。针对该课程的不同阶段，对已达成的学习效果，分别进行学生自我评价和教师评价，并和预先设置的学习效果进行比较，再进行持续改进。所以，在对学生学习效果进行评价时，应通过构建合理有效的学习效果评价方法来提高学生的学习积极性和主动性，采用多元化的评价方法，将教与学等过程考核结果与学生学习效果的反馈进行有机融合，使学生能够积极参与到自身学习效果评价中，增加考核评价方式的多样性（如教师科学评估、学生自评和学生间互评等）[ 11，12 ]。

基于OBE理念，笔者制定了一系列的考核与评估机制。针对教学成果评价方面，我们包含了期末考试、课堂表现、课后作业、研究报告、科研论文读后感、实验设计等多元化考核，注重发现学生的创新成果，不拘泥于某一项的成绩;针对学生自我评价方面，通过课堂讨论与课后兴趣科研等途径，逐渐形成了学生为什么学、想学什么、应该学什么、学后有什么用等诸多逻辑清晰的学习思路和模式，学生不再迷茫于学成后将来干什么用的问题;针对教师评价方面，作者自身通过学校学院的教学评估，通过对学生学习成果的总结分析，通过对学生评价的深入剖析和反思，不断地改善自己的教学思路、完善教学理念。

印象深刻的是2014级一名本科生因为“新能源材料与器件”课程对锂离子电池产生了浓厚兴趣，大二下学期加入我的课题组做科研工作，该同学各科成绩都非常优秀，在繁重的课业负担下始终坚持利用业余时间进入实验室做课题。这位同学也是我第一位授予的本科生操作手套箱权限资格的同学，经过近三年的科研实验，其在大四下学期初完成了一篇英文科技论文的写作并投稿。这位同学从开始的好奇，到进实验室后的兴趣，再到后来的对科研的熱爱，也深深激励了我对本科教育的忠诚与热爱。优秀的教师培养优秀的学生，优秀的学生也同时激励着教师。该同学最终以优异的学习成绩和丰富的科研经历被保送到国内一所顶级知名高校继续深造。

總之，本科生的课程已经不再是只讲公式、只记笔记就可以让学生领悟到当下科学前沿思想的教学模式。人类的科技在近20年时间呈现了井喷式发展，高等教育的师资力量也呈现出跨越式提高。本科教学是体现高等教育先进性的晴雨表，只有搞好本科教学，才能为我们国家提供大量的技术型人才、科研型人才。高校教师更应该适应时代需求、读懂学生心声，在教育理念上不断推陈出新，让学生真正站在巨人肩膀上不断前行。

六、结语

综上所述，在OBE理念的指导下，通过教学内容、授课方式与手段、课程形式、案例选择、实践环节等方面的综合教育教学改革与长期实践，对学生的科学兴趣培养、系统理论思维方式锻炼、创新意识与能力培养等起到推动作用，同时通过这门课程，学生培养了科技报国情操，提高了制造强国热情，增强了服务社会报效祖国的决心。教学实践表明，“新能源材料与器件”这门课程的改革效果显著，具有交流推广意义。

参考文献

[1]钟海长，赖贵文，吴丽芬.新能源材料与器件专业课程体系探索[J].大学教育，2020（3）：61-63.

[2]Spady，William.Light，Not Heat，on OBE.[J].American School Board Journal，1994（181）：29-33.

[3]张志佳.前沿科研成果在无机非金属材料专业英语中的融合应用[J].教育教学论坛，2020（9）：206-207.

[4]苏芃，李曼丽.基于OBE理念，构建通识教育课程教学与评估体系——以清华大学为例[J].高等工程教育研究，2018（2）：129-135.

[5]Ge S.Evaluation of Learning Outcome under the OBE Education Model[J].China Modern Educational Equipment，2018.

[6]J. Ma，D.Bao， M. Shi， J. Yan， X. Zhang. Reversible nitrogen fixation based on a rechargeable lithium-nitrogen battery for energy storage[J].Chem，2017（2）：525-532.

[7]Kim S W，Seo D H ， Ma X，et al.Electrode Materials for Rechargeable Sodium-Ion Batteries： Potential Alternatives to Current Lithium-Ion Batteries[J].Advanced Energy Materials，2012， 2（7）：710-721.

[8]Deng X，Jiang Y， Wei Z， et al. Flexible quasi-solid-state dual-ion asymmetric supercapacitor based on Ni（OH）2 and Nb2O5 nanosheet arrays[J].绿色能源与环境：英文版，2019，4（4）：382-390.

[9]Wang D， Guo J， Cui CY，et al. Controllable synthesis of CNT@ZnO composites with enhanced electrochemical properties for lithium-ion battery[J]. Materials Research Bulletin， 2018（101）：305-310.

[10]Wei， Zengxi， Zhang， et al. Fe-doped phosphorene for the nitrogen reduction reaction[J]. Journal of Materials Chemistry A， 2018（6）：13790-13796.

[11]梁小平，张志佳，张桂芳，等.双一流大学专业建设中以学科竞赛促进基础课程实验教学改革的实践与研究[J].教育教学论坛，2019（15）：168-169.

[12]黄勇，吴益霜，刘沙沙，等.新能源科学与工程专业人才培养方案再思考[J].广东化工，2020（47）：155-156.

Teaching Reform of Engineering Major Based on Results-oriented Education Concept：

Taking the Course of New Energy Materials and Devices as an Example

MA Jian-min

（School of Physics and Electronics， Hunan University， Changsha， Hunan 410082， China）

Abstract： According to the orientation and requirements of the national engineering education certification， and combined with the characteristics of the course of New Energy Materials and Devices， the advanced teaching concept of results-oriented education is introduced into the teaching practice of the course. Under the guidance of the results-oriented education concept， we fully implement the student-centered and results-oriented teaching concepts from the aspects of teaching design， teaching content， teaching form and assessment method， so as to mobilize the enthusiasm and consciousness of students learning， and achieve ideal teaching effect in cultivating students interest in scientific research， scientific thinking mode， the dedication spirit of serving the country with science and technology and their innovation consciousness.

Key words： New Energy Materials and Devices; teaching reform; teaching content; systematic thinking ability