基于“新农科+新工科”融合教育模式的“能源化学”课程教学改革与探索

杨 帆，王 莉，靳登超，彭锦星

（天津农学院 工程技术学院，天津 300392）

当前正处于知识经济时代，以互联网和工业智能为核心的新兴产业蓬勃发展。我国工程教育的“新工科”建设改革运动为新经济时代工程科技人才的铸就和培养提供了保障。农业农村现代化建设、实施乡村振兴战略和生态文明建设同样需要强有力的农业科技人才支撑，“新农科”建设也已成为农科类高校教育教学改革的重要方向[1-2]。

以大数据、人工智能、云计算等技术为代表的新工业反哺农业，促进现代化农业发展。“新农科”和“新工科”教育的内涵都是科学、人文和工程多学科交叉融合和跨界整合，创新技术和材料，实现对传统产业的信息化、智能化改造。“新农科”和“新工科”教育模式融合后主要致力于培养知识结构宽、科学基础厚、工程和创新能力强、具有交叉融合能力、综合素质高、适应农业农村现代化建设的高层次人才[3-6]。

1 “能源化学”课程

1.1 课程特色

天津农学院是一所具有地方特色的农业高校，为新能源科学与工程专业本科生开设了一门专业基础课—“能源化学”。该课程是能源、化学、材料学、物理学、生物学、环境学等多学科融合形成的综合型课程，对后续专业课的学习具有深远影响。本课程涉及节能环保、高端装备制造、新能源和新材料等领域，可为新农村能源环保工作培养具有深厚学科基础的专门人才。

1.2 总体改革措施

通过学习本课程，学生要掌握常规能源和新能源的开发、转化、高效利用、储存以及传输过程中应用的基本化学原理，掌握常规能源和新能源的开发、转化以及高效利用过

程中应用的主要化工工艺和设备，掌握能源开发、转化和利用过程中污染物的消减以及再生利用技术。本课程旨在培养学生的社会责任感、刻苦钻研的工作精神，为社会输送从事能源开发利用和节能减排等相关领域产品生产、研发、管理等方面的应用型人才[7]。

目前，“能源化学”课程教学主要存在以下3个问题：（1）教学内容中密切联系新经济时代农业现代化建设和新工业生产实践的知识较少，能源开发利用的前沿知识引入不足；（2）教学方式单调，学生简单倾听，属于“被动式学习”，教学模式陈旧；（3）考核模式单一，难以评价学生的综合能力、科研素养和创新思维活跃度。因此，学生的学习兴趣、积极主动性及课堂参与度不高，教学效果不佳。

中国农村清洁能源建设发展是农村现代化建设的重中之重，迫切需要综合型知识结构宽、创新能力强的应用型农业人才。在“新农科”和“新工科”融合教育背景下，针对上述问题，“能源化学”课程教学改革主要从以下3个方面进行：（1）基于成果导向教育（Outcome Based Education，OBE）理念制定符合“新农科”和“新工科”教育培养目标的教学大纲和教学内容；（2）基于OBE理念调整课堂教学策略和方法，运用多种教学方法，结合线上线下混合式教学模式，提高教学成效；（3）改革考核评价方式，以多种考核形式综合反映学生的学习态度、学习能力、沟通与协作能力和创新能力等。

2 基于OBE理念的教学内容改革

2.1 OBE教育理念

结合“新农科”和“新工科”的教育培养要求，在OBE教育理念的指导下，根据工程教育专业认证标准和毕业要求，明确了“能源化学”课程能够支撑的毕业要求是“工程知识、问题分析、使用现代工具、环境与可持续发展、职业规范、沟通、终身学习”7条毕业要求一级指标点[8-10]。根据“能源化学”课程内容梳理出能达成以上培养目标的课程目标和相应的章节内容，设计教学日历、大纲和教案等教学资料，合理规划课程教学进度。

2.2 课程培养目标

支撑“工程知识”一级指标点的课程培养目标有：掌握能源化学领域的基本概念、基本理论；掌握常规能源和新能源技术（新型煤化工、石油、天然气、太阳能、核能、生物质能、氧化还原反应和电池、氢能，储能技术和燃料电池等）研究、开发、应用及前景；掌握常规能源和新能源在能量转换和利用过程中应用的基本化学原理、主要化工工艺和设备；能运用所学理论和技术解决能源转化和利用领域中的相关化学问题。支撑“问题分析”指标点的课程目标为：掌握洁净煤技术的主要化学原理和化工技术；掌握天然气分离和净化的主要化学原理和化工技术；掌握天然气化工利用的主要途径；掌握太阳能光热利用、光电利用和光化学利用的基本化学原理；掌握生物质制取燃料乙醇和生物柴油的主要化学原理和化工技术；掌握典型化学储能技术中的基本化学原理和化工技术（锂离子电池、燃料电池和超级电容器）；熟悉能源转化和利用过程中的水污染问题及其治理技术；掌握煤炭燃烧过程中的污染物治理技术。支撑“使用现代工具”指标点的课程目标是：熟练利用Excel、计算机辅助设计（CAD）等软件进行数据分析和工程制图；熟练利用中英文数据库检索和阅读相关科技文献。支撑“环境与可持续发展”指标点的课程目标是：熟悉循环经济、清洁生产、环境保护和可持续发展等理论，在工作和生活中树立科学发展观，秉承可持续发展理念。支撑“职业规范”指标点的课程目标是：坚守诚实守信、爱岗敬业、严谨求实、服务大众、勇于担当和勇于拼搏的职业品德，树立保护公众安全和促进社会可持续发展的职业理念。支撑“沟通”指标点的课程目标是：能够熟练阐述能源化学工程领域的相关内容、清晰地表达个人观点。支撑“终身学习”指标点的课程目标是：能够根据专业和职业的发展需求，了解能源行业相关技术的发展现状和趋势，主动自觉地学习相关内容，适应自我发展需要[11]。

根据课程培养目标，对“能源化学”课程各章节知识点进行优化和整合，提炼和整理各章节知识点的联系和交叉，调整课程内容和学时安排。课程主要突出当前农村能源环保建设热点和难点问题，重点讲解当前农村清洁能源利用技术的化学原理和化工技术，注重跨界整合知识，即各章原理和技术的交叉应用，并适当引入学科前沿知识。

由于学时缩减，将原有的十一章内容整合为七章，其中，原第三章和第六章调整为线上自学，其他线下讲授的章节也依照知识点的重要性进行了学时的调整。将化学储能技术、燃料电池和超级电容器这三章内容整合为一章，主要讲解二次电池、锂离子电池、燃料电池和超级电容器等化学储能技术。调整后的各章节将重点讲授具有“新农科”特色的“新工科”技术（见表1）。

表1 基于“新农科”“新工科”融合教育培养目标的“能源化学”教学内容改革

依据各章节知识点的联系，提炼出不同新能源技术的交叉应用，并采用案例法或任务驱动法等重点讲授。例如第二、四、五、七、八章的交叉应用内容：洁净煤技术、生物质能、太阳能等其他新能源在新农村建设中的推广应用；农村新能源技术与储能技术的关系；农村能源利用过程中的环境保护问题。

3 基于OBE理念的教学方法改革

依据新设置的教学计划，以工程教育专业认证的毕业要求为导向，设计教学方案，运用多种教学方法，提高学生的学习积极性和课堂参与度，进一步提升教学效果。针对每章节的重难点，运用问题驱动教学法（Problem-Based Learning，PBL）、任务驱动法、案例法等教学方法。

例如教授第二章“煤化工中的洁净煤技术”时采用PBL法。课前，教师布置任务：学生课下观看智慧树上的伦敦烟雾事件、洛杉矶光化学烟雾事件、雾霾污染等视频，分组查阅资料和文献，找出这些严重污染公害事件的污染物及来源、污染物造成危害的原因和其中涉及的化学原理或反应。课上，教师请学生展示课前预习成果，并归纳燃煤引起的环境污染问题，针对学生总结的燃煤可能产生的污染物提出相应的解决措施，进而引出洁净煤技术，激发学生的学习兴趣、提升学生的学习效果。

再如采用任务驱动法讲解第二章、第四章、第五章和第六章具有突出农业特色且多学科交叉应用问题“煤改气、煤改电、太阳能、生物质能在新农村建设中的推广应用及其面临的困境”。学习完这些章节后，教师将学生分成四大组，分别针对以上问题查阅文献、撰写论文、制作PPT，并在课堂上汇报。教师和学生围绕不同的话题展开课堂讨论，每个学生都要回答教师提出的问题。教师根据论文、PPT、课堂汇报、课堂讨论和回答问题的情况给学生评分。每组的论文和PPT都要上传至智慧树平台，供全班学生评阅打分。

又如采用案例法讲解燃料电池中氢能的来源和储运问题。以“氢能汽车的发展”为案例，引入制备和储存氢气的方法，通过课堂提问回顾前几个章节中化石燃料和生物质制氢、光化学制氢的化学途径。教师提出储存氢气的技术方法并引导学生思考保障氢能汽车安全性的储氢方式。

采用线上线下混合式教学模式，所有章节涉及的学科前沿知识和第六章或第十二章的内容采用微课或翻转课堂教授。将每章节重要知识点的应用、源于实际生产生活的视频或优秀的互联网教学资源上传到智慧树学习平台，并开展灵活多样的教学活动，如话题讨论、问卷调查等，调动学生的学习热情，使学生能及时复习知识，加深对知识点的掌握程度。

4 课程考核评价方式改革

利用智慧树平台发布章节作业和期中测试任务，可以通过线上监测的学习情况量化学生在整个学习过程中的学习态度和过程性成绩。在线下课程中设置期中测试，教师提前分组并布置任务，每组学生分工合作完成任务相关论文的撰写、PPT答辩等；教师课上组织小组学生展示成果、进行课堂研讨。期中测试成绩由教师评分和组间互评分按照一定比例构成。期末考核评价成绩由课堂考勤∶线上作业成绩∶课堂讨论∶实践作业∶期末考试=5∶10∶5∶10∶70构成。这种考核方式既能反映学生的学习过程成绩，又能反映学生的学习态度、合作和交流能力以及创新、思辨和表达能力。

5 结语

在“新农科”“新工科”建设背景下，“能源化学”课程按照“安吉共识”“复旦共识”和“北京指南”的建设要求，遵循“新农科”和“新工科”的发展理念，以培养“创新型、复合型、应用型的新型工农人才”为根本目标，开展教学改革的探索与实践。基于OBE理念，依据课程对毕业要求指标点的支撑作用，梳理出相应的课程培养目标，优化课程结构，整合课程内容，突出“新农科”特色以及跨界整合和学科交叉应用的特色。紧紧围绕“新农科”“新工科”建设的教学目标，改革教学方法，引入PBL法、任务驱动法、案例法等教学方法。同时采用线上线下混合教学模式，提高学生的学习积极性，提升教学效果。采用结合线下课堂考核、线上平台考核和期末考核的动态考核评价方法，实现对学生学习态度、学习能力和综合素质的客观、全面评价。本次教学改革可以提高教学质量，有效培养学生的学习能力、科学研究能力和创新能力，为新能源科学与技术专业工农融合型人才的培养提供借鉴。