“能源电化学”课程建设的初步探索*

2021-12-20 06:32李宇明刘海燕宋卫余
广州化工 2021年23期
关键词:应用化学电催化本科生

张 楠,李宇明,孙 晖,刘海燕,宋卫余

(中国石油大学(北京),北京 102249)

在世界能源博弈日趋激烈的当下,作为世界最大能源生产国和消费国,大力发展绿色可持续的新能源是我国“十四五”规划的战略性决策。同时,碳达峰,碳中和的能源发展目标对于具有传统能源特色的中国石油大学(北京)的科研和教学均提出了新的要求和挑战。高校承担着人才培养和科技创新的重要使命[1]。因此,围绕绿色化学的重要手段电化学技术在新能源领域的重要应用所开展的“能源电化学”课程建设,对于培养满足新时代发展需求的创新型人才,强化国家战略科技力量至关重要,为新一轮科技和产业革命机遇提供强大动力和有力保障。

近年来,我国部分高校陆续开始设置“能源电化学”同类课程[2],但现有类似课程各自的体系及使用教材内容覆盖面广,重点各有不同,需要结合各高校和开课院系的自身特点进一步完善。针对于此,基于笔者多年教学和实践经验,以及我校应用化学专业本科生的实际教学情况,本文对课程内容的教学理念、教学设计和课程特色进行了探索,提出了适合于应用化学专业本科生的 “能源电化学”课程建设方案。

1 面向应用化学专业本科生的“能源电化学”课程建设的必要性

目前,我校已开设一门“能源电化学”课程,是由新能源与材料学院面向新能源专业本科生于2019年开设的。该课程授课时间在本科生的大二下学期,先行课程包括“无机化学与分析化学”(64学时,大一上学期)、“有机化学”(64学时,大一下学期)、“物理化学”(64学时,大二上学期)的四大化学专业基础课程。然而,该课程不适用于应用化学专业的本科生教学。

与新能源专业不同,面向应用化学专业本科生的四大化学专业基础课程“无机化学与分析化学”(I)(II)(共88学时,大一上、下学期),“有机化学”(I)(II)(共88学时,大二上、下学期)、“物理化学”(I)(II)(共88学时,大二上、下学期)均采用更长的学时,因而允许对于各知识点进行更详细的授课,尤其是涉及电化学知识板块的“无机化学与分析化学”和“物理化学”课程,导致上述四大化学作为先行课程,部分知识点与现有的“能源电化学”课程重复,如“平衡电极电位”、“电位-pH图”、“双电层”等。综上,由于现有面向新能源专业的“能源电化学”课程授课内容不适合应用化学专业的本科生,因此,有必要建设一门适用于应用化学专业本科生的新型“能源电化学”课程。

化学是一门实验科学,学习基础理论的最终目的是利用理论知识解决复杂的实际问题。对于应用化学专业本科生来说,四大化学专业基础课程学习任务的完成不应该是专业基础课的终点,而应该是专业基础知识运用的起点。因此,面向应用化学专业本科生建设的新型“能源电化学”课程是一门应用型实用技术课程,是培养学生“将知识转化为能力”、“学以致用”的必要环节,有利于我校构建厚基础、宽专业、强能力、高素质的人才培养体系[3]。

2 面向应用化学专业本科生的新型“能源电化学”课程建设

2.1 贯彻以“培养符合社会需求的应用型人才”为目标的教学理念

目前,工程技术人才的培养与社会需求、行业需求脱节;综合性和创新性训练偏少[4],使学生进行基础理论知识的学习之后,不知道在当今社会中,可以将这些知识运用到哪些专业领域中的哪些地方,具体又能够做些什么事请,导致“学”与“用”分离,大幅降低了学生对于基础理论知识的学习热情,最终造成“基础理论知识差——面对实际的专业问题时不会应用”的恶性循环。

我校应用化学专业本科生在四大化学、大学物理、结构化学、纳米复合材料、催化原理为先行课程的学习过程中,已经掌握了化学、物理、材料等专业的必要理论基础知识,但仍缺乏以实际应用为目的,贯穿各知识点自主地进行正确的挑选和运用的能力。而且上述传统的课程体系缺少对学生交叉类学科的培养,可能造成各知识点在学生头脑中的分立存在。

基于以应用目标为导向、多学科跨专业、重视实践、全方位进行科研融入的课程内容设计和特色,“能源电化学”课程坚持贯彻以“培养符合社会需求的应用型人才”为目标,是一门帮助学生建立化学—物理—材料多学科之间联系的理解,培养学生多学科知识关联运用能力,提高应用化学专业本科生综合素质的综合性训练课程。

2.2 以应用目标为导向

“能源电化学”课程的内容设计如图1所示。首先,电化学在能源领域的应用讲解分为电催化能源转化和电催化能源存储两个模块,分别包括电催化裂解水制氢,电催化裂解水制氧,电催化氮气还原合成氨、电催化二氧化碳还原、燃料电池,以及锂离子电池和超级电容器等多个具体应用方向,讲解内容包括市场价值和研究意义,近几年的研究现状,电催化性能参数,热门材料及其催化机理,尚未解决的科学问题等。其次,为了加深学生理解催化材料与活性和机理之间内在联系,对与电催化材料设计相关的半导体基础和异质结理论进行讲解。最后,对于本课程所介绍的各项应用所涉及的重要电催化测试技术进行专题讲解并安排课内实验,使学生不仅有针对性地深入理解前面所授的电催化性能参数的数据分析原理,而且具备电化学技术的各项电化学技术的实际操作能力。综上,本课程整体的内容设计是以电催化能源领域的应用为开端,深入到材料催化机理,再回到电催化测试技术应用实践的过程,充分体现了以应用目标为导向的课程内容设计。

图1 “能源电化学”课程的内容设计

2.3 多学科跨专业

现如今,学科的交叉与融合已成为科学发展的创新源泉和时代特征[5]。能源电化学作为典型的交叉学科,近年来的迅速发展对于从业人员的知识结构提出了新的要求。相应地,本课程不拘泥于单一学科或专业,而是涉及到化学-物理-材料三个学科和专业的理论基础知识,课程内容本身具有多学科跨专业的特色。也正因如此,不同于传统的课程,现有的教材与讲义无法满足本课程的内容结构,编写本课程讲义和教材的师资队伍也具有多学科跨专业的特色。

在本课程的讲义和教材中,既包括我校新能源与材料学院的老师对于材料合成方法与近代表征技术的讲解,又包括理学院应用化学系的老师从物理化学专业的角度出发进行电催化测试操作技术及数据分析的讲解,上述两部分从应用型的技术层面讲明“怎么做”;此外,本课程还从理论层面更深层次地讲明“为什么这么做”,既有理学院物理系老师对固体物理和半导体物理相关知识点进行讲解从而阐明材料的改性导致电子结构如何变化,又有理学院应用化学系的老师从计算化学专业的角度对电荷密度差分法、态密度计算等多种理论计算方法进行讲解,引导学生从分子原子水平上去认识反应的微观过程,深入理解电子结构变化是如何改变催化机理进而影响电催化活性的。综上,通过跨学院,跨专业的分工与合作进行本课程讲义和教材的编写,实现本课程的多学科跨专业特色,可以避免学生在不同专业角度上对于同一知识点的理解冲突,建立学生多学科知识点之间的逻辑关联,构造学生的三维理化知识网络。

2.4 重视实践

实验实践是高校开展素质教育、提高知识向能力转化、培养合格应用型创新人才的必要途径[6]。因此,“能源电化学”课程设置课内实验,从电化学基础操作打磨玻碳电极入手,系统地进行循环伏安测试,线性扫描伏安测试,阻抗测试等常用电化学技术的教学。同时以应用目的为导向,将各项电化学技术与电催化析氢,电催化析氧等应用相结合,教会学生如何通过多种电化学测试手段,对各项应用所采用催化剂的电化学性能进行全面的评价。

随着电化学新技术的不断发展和需求的提升,面向应用化学专业所设置的“电化学实验”课程已经逐渐开展于各个高校[7-8]。不同于设置个别零散电化学实验的“无机化学与分析化学实验”及“物理化学实验”课程,“能源电化学”课程中,所有课内实验项目均为电化学实验,正填补了我校应用化学专业本科生 “电化学实验”课程设置的空缺。

此外,“能源电化学”课内实验对于当代能源电化学领域广泛采用的电化学技术培训,目标集中且与现代科研和应用技术衔接紧密,应用性和实用性强,有利于学生提高专注力,激发专业兴趣。相比于过分重视基本操作、验证性的传统实验教学,“能源电化学”的课内实验的前沿性和不确定性给学生以挑战,在提高本科生科研素养、培养学生创新思维等方面发挥重要作用[9]。

2.5 全方位进行科研融入

戴安邦院士曾提出“全面的科学教育要求教学既传授知识和技术,更训练科学方法和思维,还培养科学精神和品德”[10]。因此,在化学学科的教学过程中,应有意识地将科研与教学进行有机的融合,促进科研与教学的良性互动。“能源电化学”课程中,对应电催化能源转化和存储领域的各个具体应用方向,选择近几年刊登在国内、外高水平期刊上,且对本科生难度适中的文献,基于纳米催化材料的设计制备-形貌组成表征-电催化性能测试-机理分析的完整科研工作,向学生讲解合成方法与近代材料表征技术、电化学测试和数据分析、固体物理和半导体物理理论、理论计算结果分析。在具体文献背景下的上述知识讲解更加有针对性,有利于提高教学效果,而且这种课程设计有利于培养本科生对于电化学能源领域文献的阅读和理解能力。此外,除了课堂上对于各电催化能源领域应用的一个代表性工作文献介绍及其对应的知识点讲解之外,还向学生提供多篇文献作为课后读物,并鼓励学生自己进行文献查找和阅读,加深了解各电催化能源应用方向的科研工作设计。综上,“能源电化学”课程全方位进行科研融入有助于科研能力训练实现本科生全覆盖和创新型人才的培养。

3 结 语

针对应用化学专业的特点,开展面向应用化学专业本科生的《能源电化学》跨专业挑战性课程建设的教学探索,建立以应用目标为导向的知识体系,在多学科跨专业的情况下,既考虑知识内容的系统性,又强调技能训练的系统性,同时将当今电催化能源转化与存储的科研前沿和研究热点进行有机融入,顺应多学科融合的教学发展趋势和社会对于应用型人才的需求,可以为提升我校化学专业的本科教学质量,培养理学综合型应用创新人才打下坚实的基础。

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