科研反哺教学在《新能源技术》中的探索与实践

＊蒋青青 胡军成

（中南民族大学化学与材料科学学院 湖北 430074）

1.前言

民族高校建设要更好地助力国家重大战略目标实现、助力民族地区经济社会发展的质量与水平提升。在国家“双碳目标”战略的指引下，新能源技术相关产业高速发展，少数民族地区新能源技术相关人才较为短缺，本校为民族院校，培养的一大批学生会选择回到民族地区就业，新能源技术相关人才高质量的培养，对于民族地区新能源相关产业发展意义重大。

教育部于2019年10月份印发了《关于深化本科教育教学改革，全面提高人才培养质量的意见》，明确指出高校课堂应满足“两性一度”的评价标准，即高阶性、创新性、挑战度。明确了要强化科研育人功能，实行科研反哺教学模式，推动高等院校及时将科学前沿以及最新科研成果转化为教学内容，用于保证教学内容的高阶性、创新性。本论文立足中南民族大学化学与应用化学专业的重要专业课程《新能源技术》，探索建立了以教材为主线，科研反哺教学为辅线，及时将最新科学前沿及科研成果融入课堂教学，对教材内容进行补充更新，有效增加教学信息量，引导学生主动提出问题，增加探索科学研究的兴趣，进而提升课程的高阶性、创新性[1-4]。经过5年实践证明，学生科研及创新能力得到显著提高，为民族地区培养了一批优秀的新能源技术领域的创新型人才。接下来，将对科研反哺教学的具体实施措施、典型教学案例、实施效果进行论述。

2.科研反哺教学具体实施方案

(1)强化顶层设计，完善教学目标

我们强化课程顶层设计，优化了人才培养方案，将《新能源技术》课程放在第三学年的上学期，同时在该学期设置了配套综合实验，综合实验的内容包含新型光催化制氢技术、钙钛矿类光伏电池材料的制备、锂离子电池电极材料的制备、二氧化碳催化转化制备太阳燃料等内容。除了将科学前沿转化为理论教学内容外，基于科研平台，将实践内容与《新能源技术》理论内容匹配，学生能够提前进入实验室，体验科学研究，提高学生的创新实践能力，基础理论与专业实验融合，可以更好地执行科研反哺教学育人理念。此外，完善了教学目标，在原教学目标的基础上（掌握课程知识要点，强化绿色低碳教育，树立节能减排理念），新增加“激发学生创新热情，结合课程内容激发学生追求科学的兴趣”这一目标。

(2)模块化教学，高水平师资支撑科研反哺教学

高水平师资队伍是保证高素质创新人才培养的基础[5-6]。在一个领域从事研究多年的学者，对学科前沿及发展趋势把握准确，可以做到对专业知识讲解的深入浅出。中南民族大学化材学院有数十名从事新能源技术研究的教师，为充分利用上述人才资源，首先，对教学内容进行模块化处理，根据各章节之间的内在逻辑连贯性，将整个课程内容重塑。将全部课程内容分为两大专题：低碳减排的化石能源替代技术以及二氧化碳资源化利用技术。将新型二次电池、光伏电池、燃料电池、生物质能源、超级电容器等内容纳入第一专题中讲解；将二氧化碳资源化利用技术与太阳燃料等内容纳入第二专题中讲解。其次，我们根据模块化的教学内容，将师资进行模块化，任课教师做到术有专攻，能够很大程度上提高教学质量，做到“好钢用到刀刃上”，保证科研反哺教学的准确性以及教学深度。

(3)典型教学案例

大量的科学研究使得新能源技术的发展日新月异，科研反哺教学的过程可以对知识体系、学科前沿进行有效补充[7-9]。以光伏电池章节为例，目前教科书主要介绍的光伏电池技术为：硅基光伏电池、薄膜型光伏电池、染料敏化光伏电池、有机光伏电池。在过去十年左右的时间内，钙钛矿太阳能电池效率从不到4%提高到30%左右，成为太阳能行业中巨大潜力股。由于出现时间短，很多教材中并未出现该部分内容，我们整理了该研究过程中最具有标志性的文献，将钙钛矿太阳能电池发展的关键内容，以时间轴为顺序，向同学们讲述。例如，Miyasaka等人于2009年第一次制造出钙钛矿结构的太阳能电池；Park等人通过改善工艺，提升钙钛矿太阳能电池的光电转化效率至6.5%（2011年）；Snaith等人用Al2O3层将钙钛矿太阳能电池结构中的TiO2层进行替代，将电池能量效率提升至11%（2012年）；2013年，染料敏化电池之父Gratzel等人进一步优化工艺，制备了光电转化效率为15%的钙钛矿太阳能电池，截至2021年11月，串联钙钛矿电池的光电能量转化效率已经达到30%。该部分内容讲完以后，很多同学意犹未尽，又自己查阅文献资料及学术报告，并提交了自己撰写的相关综述论文，还有数位同学在研究生阶段从事钙钛矿太阳能电池相关的研究。

以燃料电池章节为例，燃料电池中涉及五个电催化反应：氢氧化反应、氧还原反应、氢气析出反应、氧气析出反应、小分子的催化氧化反应。燃料电池的发展与电催化技术突破密切相关。在过去十年左右的时间内，从事上述电催化剂研究的人非常多，在讲述燃料电池部分时，我们给学生补充了电催化剂的研究进展，包含单原子催化剂、铠甲催化等概念，扩充了学生视野。在配套的综合实验中，学生完成了电催化分解水探索实验，尝试了氢气析出反应、氧气析出反应，分析了线性扫描曲线、循环伏安曲线、阻抗测试等电化学数据，更深入地了解电催化过程存在的挑战。

以二次电池章节为例，目前广泛使用的二次电池为锂离子电池与铅酸电池、早于锂离子电池广泛使用的为镍铬电池、镍氢电池。教材中目前主要介绍锂离子电池的基本工作原理、常用正负极材料、电解液材料等，对于目前正在广泛研究的锂离子电池的替代体系并没有太多介绍。授课人将目前广泛研究的锂离子电池替代体系分为两大类：针对锂资源的离子替代（如钠离子电池、钾离子电池、镁离子电池、铝离子电池等）与金属锂能源化学（锂-空气电池、锂-硫电池、全固态电池等）相关的替代体系，将每一类替代体系的优劣势、重难点，通过重要文献的形式进行讲解。授课时，学生讨论激烈，提出了很多有意思的设想。在该部分的配套实验中，学生动手合成了磷酸铁锂材料，刮涂了电极极片，并组装了纽扣电池，测试了电池的电压值、比容量等性能参数，极大地激发了学生的兴趣。部分毕业学生就业时选择了亿纬动力、国科高轩、赣锋锂业等锂电池相关企业，从事锂电池相关的研发工作。还有部分学生继续攻读二次电池相关的研究生，继续深造。

以二氧化碳资源化利用章节为例，碳达峰碳中和的目标提出以后，科学界与工业界对于二氧化碳的关注度空前高涨，其中，液态阳光是最具前景的技术之一。液态阳光以太阳能作为能源来源，通过光伏电池、电催化分解水制氢、二氧化碳加氢制备液态甲醇串联耦合的形式，同时实现太阳能的储存与二氧化碳资源化利用。在该部分内容的讲解中，以兰州新区的液态阳光示范工厂为课程导入视频，以大连化物所李灿院士团队在液态阳光研究中的文献为主线，向学生讲述液态阳光从2018年概念提出，到2023年市场估值300亿人民币的快速发展历程。在该部分的配套实验中，学生动手合成了二氧化碳加氢制备甲醇的催化剂，极大地激发了学生的学习兴趣。

(4)引导学生参加竞赛，以赛促教、以赛促学

科研反哺教学的另一个重要措施为加强对学生科研活动的指导，支持学生提前进入科研实验室与科研平台的建设，使得学生的创新实践能力得到切实提高[10-11]。近三年，先后有10名本科学生发表新能源技术相关的SCI论文，并进入更高层次的高校学习深造，多名学生参加新能源技术相关的大学生创新创业、挑战杯、湖北省大学生化学化工学术竞赛等，达到了以赛促教、以赛促学的效果。

3.科研反哺教学的实践效果

我们从学生评教、同行评议、自我建设、示范辐射的角度来评价课程改革成效。

（1）学生评教：本课程连续五年的评教结果均为优秀。同学们非常喜欢科研反哺教学，学习兴趣大增，部分同学对新能源材料的研究表现出来极大的兴趣，主动要求加入教师课题组进行相关研究。部分学生在攻读研究生学位的时候，选择新能源材料作为自己的研究方向。学生对任课教师的评语也显示学生认为这门课课堂气氛活跃、生动有趣、内容丰富多彩、有干货、有收获、视野被打开、了解到很多学科前沿、教学有特色等。这些充分说明了改革效果显著，值得推广。

（2）同行评议：教学督导在听课的过程中，给出的评价为：课程内容前沿，科研反哺教学补充内容与教学内容融合的恰到好处。

（3）自我建设：在本门课程的建设中，教师本人也积累了大量丰富的经验与教学资源，申请人将这些内容整理发表，并延伸到其他课程的教学中。

（4）示范辐射：课程视频上线智慧树学习平台，有24所高等院校选择该门课程。课程资源成功入选教育部双碳资源建设平台，可供其他兄弟院校参考。

4.结语

《新能源技术》课程自2015年开设以来，已经实施了7年的“科研反哺教学”实践，利用科学前沿、科研成果，对学科前沿内容进行教学设计，实现对教材的补充，解决教材内容陈旧，无法满足新能源技术突飞猛进发展的问题。同时，设置了配套综合实验，实践内容与《新能源技术》理论内容匹配，基于科研平台，让学生能够提前进入实验室，体验科学研究，提高学生的创新实践能力，基础理论与专业实验融合，可以更好地执行科研反哺教学育人理念。此外，充分利用科研人才资源，将部分模块化的教学内容由资深研究人员讲解。该教学建立了科研与教学相结合的协同育人体系，改革取得了明显的效果，实现了教学与科研的融合发展。该教学改革提升了学生的科研创新意识和探索未知的科学精神，为民族地区培养了一批优秀的新能源技术领域的创新型人才，有效支撑了民族院校应用化学国家一流本科专业建设。此外，将课程内容与国家双碳理念糅合，以最新科学技术前沿与国家政策规划相结合的形式，打造碳达峰碳中和领域的示范性课程。科研反哺教学也可以为其他课程提供借鉴，具有较强的推广应用价值。