1. 引言
在全球气候治理与“双碳”战略加速推进的背景下，新能源产业已成为驱动经济转型的核心引擎。国际能源署(IEA)预测，2050年全球可再生能源占比需提升至70%以上，而我国“双碳”目标更要求能源结构向清洁化、低碳化深度转型。这一趋势对能源材料领域人才培养提出了更高要求：既需掌握材料合成、表征等基础技能，又需具备跨学科整合、复杂工程问题解决及技术转化能力。然而，当前高校能源材料课程体系与产业需求间存在显著脱节，传统教学模式暴露三大结构性矛盾。其一，实验内容碎片化。现有实验项目以验证性操作为主(如锂电池正极材料制备、光催化降解染料等)，缺乏对全产业链技术链路的贯通设计。例如，某高校能源化学实验课程中，85%的实验仍停留于单一材料性能测试，未涉及工艺优化、设备集成等系统性训练[1]。其二，评价方式单一。过度依赖实验报告与标准化考试(占比70%以上)，忽视创新能力与团队协作能力的动态评估。教育部2024年调研显示，新能源领域应届毕业生中，仅29%能独立完成实验方案设计，团队协作能力达标率不足40% [2]。其三，产教融合不足。实验项目与企业实际需求脱节，如光催化反应器设计多基于实验室理想条件，未考虑规模化生产成本控制、设备兼容性等产业化要素，导致学生职业胜任力培养滞后于行业技术迭代速度。
为解决上述问题，本研究以成果导向教育(OBE)理念为理论框架，推动能源材料课程从“知识灌输”向“能力产出”转型。OBE理念以《华盛顿协议》工程教育认证标准为基准，强调以行业需求定义能力目标、以学生发展为中心、以持续改进保障教学质量[3]。具体改革路径包括：反向设计课程目标，对接《工程教育专业认证标准》与宁德时代、隆基绿能等龙头企业岗位能力模型，将课程目标分解为“基础实践–工程问题解决–创新科研”三级能力指标[4]。例如，在光催化技术实验中，基础任务聚焦TiO2制备与表征，进阶任务要求设计g-C3N4/BiVO4异质结并优化反应条件，创新任务则引入机器学习预测催化剂性能，形成“技能训练–系统集成–科研转化”的阶梯式能力培养路径[5]。重构实验模块，采用虚实结合教学模式，通过数字孪生技术构建光催化反应动力学虚拟仿真平台，让学生在安全环境中完成高温高压实验参数优化，再通过实体实验验证方案可行性，使工程问题解决能力达成度从68%提升至91% [6]。优化评价体系，建立“过程性评价–创新成果激励–产教协同反馈”三维机制，引入企业导师对实验方案的产业化可行性评分(占比20%)，并将学科竞赛获奖成果纳入课程考核[7]。重庆第二师范学院“师范生GSP素质拓展”课程案例表明，此类改革可使学生专利申报量增长40%，企业实习录用率提高25% [8]。本研究旨在通过OBE理念的系统化实践，为能源材料领域破解产教脱节、创新能力培养不足等难题提供可复制的解决方案，助力“双碳”目标下新能源产业高质量发展。
2. OBE理念在能源材料实验教学中的实施框架
2.1. 反向设计：以能力产出定义课程目标
成果导向教育(OBE)的核心在于以行业需求倒推教学目标的精准定位。本研究基于《工程教育专业认证标准》与宁德时代、隆基绿能等新能源龙头企业岗位能力模型，构建了“基础实践能力–工程问题解决能力–创新与科研能力”三级能力指标体系。基础实践能力聚焦材料合成与表征技术，例如在“锂电池正极材料制备与电化学测试”实验中，学生需掌握溶胶–凝胶法、高温固相合成等工艺，并通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)验证材料晶体结构与形貌特征。此类训练对标《华盛顿协议》中“知识应用”与“工具使用”要求，强调标准化操作规范与数据解读能力的培养[9]。工程问题解决能力则面向产业链实际需求，例如“光催化反应器系统集成与调试”项目，要求学生完成光路设计、催化剂负载及参数优化全流程，并利用数字孪生技术模拟反应器泄漏、催化剂失活等故障场景，培养其系统性思维与工程化解决方案设计能力[5]。创新与科研能力以学科前沿为导向，如“新型光催化剂开发”课题中，学生需结合机器学习预测材料能带结构，并通过原位红外光谱追踪反应路径，最终形成可发表的研究成果。
2.2. 模块化实验项目设计
实验内容采用“基础–综合–创新”三阶模块化架构(图1)，形成能力递进路径。基础模块以技能规范化为目标，例如“锂电池电极浆料制备”实验中，学生需精确控制NMP溶剂配比(误差≤±3%)、涂布厚度(±1 μm)等参数，并通过恒流充放电测试评估电极循环稳定性。该模块引入虚拟仿真平台，利用数字孪生技术模拟高温烧结、高压辊压等高危操作场景，既保障安全性又提升教学效率[6]。综合模块通过跨学科项目强化工程应用能力，例如“光伏–储能一体化系统搭建”项目，要求学生整合光伏组件、锂电池组与能量管理系统(EMS)，完成系统效率优化与故障诊断。某高校与宁德时代合作开发的实训案例中，学生需基于企业提供的实际运行数据(如光照强度波动、电池衰减曲线)，设计削峰填谷策略，最终方案被企业采纳并应用于分布式储能电站[4]。创新模块则对标科研竞赛与产业技术痛点，例如“高稳定性钙钛矿太阳能电池开发”课题，学生需自主设计钝化层材料(如PEAI、GuaBr)，优化器件封装工艺以提升湿度耐受性(RH 85%下寿命>1000 h)，并参与全国大学生能源材料创新大赛。重庆第二师范学院通过“赛教融合”机制，将竞赛评分标准(如技术原创性、产业化潜力)嵌入课程考核，获奖团队可替代期末考试成绩，近两年学生团队获省级以上奖项23项，3项专利进入企业中试阶段[8]。
本次改革实施采用“需求分析–体系重构–教学落地”三阶段递进式推进路径，形成完整的闭环运行机制。在需求分析与目标设定阶段(0~3个月)，组建由5名专业教师与3名企业工程师构成的调研小组，通过德尔菲法走访宁德时代、隆基绿能等龙头企业，精准识别12项核心岗位能力需求，并构建包含基础能力(30%)、工程能力(40%)和创新能力(30%)的三级能力矩阵。课程体系重构阶段(4~6个月)重点推进模块化实验开发，将原有8个验证性实验整合为4个“技能包”式基础模块，开发3个跨学科综合模块，并每年从企业征集2~3个真实技术痛点作为创新模块选题，同步投入80万元建设数字孪生虚拟仿真平台。教学实施阶段(7~12个月)采用分层递进的教学组织模式：第一学期聚焦基础模块与20学时的虚拟仿真训练，第二学期实施项目制分组综合训练(每组3~5人)，第三学期推行“校内导师 + 企业导师”双导师制的创新模块教学，并配套每周Rubric量表的动态过程性评价，形成“理论学习–虚拟训练–实体操作–产业应用”的完整培养链条。
Figure 1. Implementation flowchart of modular experiment
图1. 模块化实验实施流程图
通过上述框架，课程体系实现了从“知识灌输”到“能力产出”的转型。例如，平顶山学院在光催化实验教学中，通过反向设计将企业关注的“催化剂规模化生产成本控制”纳入教学目标，学生在进阶模块中开发的g-C3N4/生物炭复合材料，因原料成本降低50%且活性提升30%，获环保企业技术认证并签订技术转让协议。这一实践验证了OBE理念下“目标–模块–评价”闭环设计的有效性，为新能源领域复合型人才培养提供了可复制的实施路径[7]。
2.3. 风险防控措施
为确保OBE理念驱动的能源材料实验教学改革顺利推进，需建立多层次的风险防控体系。在技术层面，针对虚拟仿真系统可能出现的故障，保留传统实验设备作为应急备份(使用率控制在10%以下)，同时对企业提供的生产数据进行严格脱敏处理，存储于本地加密服务器以保障数据安全。针对实施过程中可能遇到的阻力，制定教师转型专项方案，通过强制参与企业实践(计入学分考核)和设立“OBE教学能手”奖项(奖金占比绩效30%)激发教师积极性；对学生则采取适应性提升措施，包括开设“实验能力先修课”(MOOC + 线下工作坊)和建立学长导师制(高年级带低年级完成项目)。在可持续性保障方面，通过将改革成果写入人才培养方案实现制度固化，并依托“新能源实验教学联盟”向10所合作高校推广经验，形成辐射效应。该防控体系通过技术冗余、人员激励和制度保障三重机制，有效化解了虚拟平台依赖、师生适应性不足等潜在风险，为改革推进构建了安全边界。
3. 多元化评价体系构建
3.1. 过程性评价：能力达成动态监测
基于OBE理念的过程性评价体系，通过Rubric量规表与多主体评价机制实现对学生能力的动态追踪与精准量化。以光催化实验为例，Rubric量规表将“实验方案设计”拆解为完整性(40%)、可行性(30%)与创新性(30%)三个维度，并设定梯度评分标准(表1)。例如，某学生在“可行性”指标中因未考虑设备兼容性，仅获得“部分可行(3分)”；而另一组结合虚拟仿真预演故障的方案则评为“完整可行(5分)”。此类标准避免了主观评分偏差，同时引导学生关注工程实践的全局性[10]。
Table 1. Experimental scheme design evaluation Rubric gauge table
表1. 实验方案设计评价Rubric量规表
评价维度(权重) |
评分等级 |
等级描述 |
得分(单项) |
加权得分(权重 × 得分) |
完整性(40%) |
5分 |
包含全部模块：实验目标、材料清单、操作步骤、数据采集与分析方法，逻辑严密 |
5 |
40% × 5 = 2.0 |
3分 |
缺少1~2个模块(如未明确数据分析方法)，但关键步骤完整 |
3 |
40% × 3 = 1.2 |
1分 |
缺少超过2个模块或关键步骤缺失，逻辑混乱 |
1 |
40% × 1 = 0.4 |
可行性(30%) |
5分 |
详细分析设备兼容性(如反应釜容量、光源波长)，并通过虚拟仿真验证方案可行性 |
5 |
30% × 5 = 1.5 |
3分 |
部分考虑设备限制，但未进行仿真验证(如仅理论说明兼容性) |
3 |
30% × 3 = 0.9 |
1分 |
未考虑设备限制(如忽略反应温度控制要求)，方案存在明显技术障碍 |
1 |
30% × 1 = 0.3 |
创新性(30%) |
5分 |
提出全新光催化剂合成路径或反应机理，具有技术原创性 |
5 |
30% × 5 = 1.5 |
3分 |
优化现有方法(如改进煅烧温度梯度设计)，提升催化效率20%以上 |
3 |
30% × 3 = 0.9 |
1分 |
完全沿用教材或文献方法，无改进措施 |
1 |
30% × 1 = 0.3 |
多主体评价机制则打破教师单一评价的局限性。企业导师评分(20%)侧重产业化维度，如某环保企业技术主管在“光伏–储能系统搭建”项目中，根据成本控制、工艺兼容性等指标对设计方案评分；小组互评(15%)通过“贡献度分配表”量化协作效率，例如某团队在光催化剂开发中因建模能力突出，虽产业化得分不足，仍通过互评校准获得B+综合成绩；学生自评(10%)则借助反思日志记录认知迭代路径，如某学生通过自评发现数据建模能力不足，主动选修机器学习课程补强技能[11]。这一“多视角校准”机制使评价客观性提升25%，学生能力短板识别准确率达89%。
3.2. 创新成果评价：科研与竞赛导向
创新成果评价体系通过科研转化激励与学科竞赛对接驱动学生从“技能训练”向“知识创造”跃迁。科研转化模块设置额外加分(10%)，要求学生将实验成果转化为学术论文或专利。例如，重庆第二师范学院在“钙钛矿太阳能电池开发”实验中，某团队通过机器学习优化钝化层厚度，成果发表于《Applied Catalysis B: Environmental》，并获国家发明专利授权；另一组开发的Cu2O/TiO2异质结因可见光降解效率达98%，被企业纳入中试计划[5]。此类设计推动学生专利申报量增长40%，近三年累计12篇学生一作论文发表于中科院一区期刊。
学科竞赛激励机制则将“全国大学生能源材料创新大赛”评分标准嵌入课程考核。获奖团队可替代期末考试成绩，并计入“创新实践学分”。例如，某高校在“高镍正极材料开发”实验中，要求学生完成从材料合成到电芯组装的完整流程，由企业专家与竞赛评委联合评审。一支团队因提出“双梯度电极结构”斩获全国二等奖，课程成绩直接认定为A级。数据显示，参赛学生毕业三年内技术岗位晋升率较普通学生高26%，企业反馈其工程应变能力达标率提升35% [4]。
3.3. 持续改进机制
评价体系的闭环运行依赖于动态反馈与数据驱动优化。通过问卷调查与毕业生跟踪(图2)，某高校发现“工程问题解决能力”达成度仅为68%，溯源发现实验项目缺乏故障模拟环节。次年增设“氢燃料电池故障诊断”模块，基于数字孪生平台模拟气体泄漏、催化剂失活等场景，该指标达成度提升至86% [6]。
Figure 2. Closed loop operation process of evaluation system driven by dynamic feedback
图2. 动态反馈驱动的评价体系闭环运行流程
改进机制还整合学习分析技术，对实验报告、竞赛成绩等结构化数据聚类。例如，文本挖掘发现35%学生“数据分析方法单一”，遂增设“Origin高阶应用”工作坊，次年问题发生率降至12%。校企联合成立的“课程顾问委员会”每年修订实验项目库，如宁德时代提出的“高镍材料空气稳定性提升”需求，被转化为2024级综合实验核心内容，3项学生优化建议已进入企业试产阶段[12]。动态调整使实验项目与产业技术迭代同步率提升40%，毕业生职业胜任力满意度达91%。
4. 实践案例：以“光催化技术实验”为例
4.1. 实验设计
基于OBE理念的“光催化技术实验”模块采用阶梯式任务设计，从基础技能训练到跨学科创新研究逐层推进，旨在实现学生能力从“操作规范”到“产业转化”的递进式提升。
基础任务以二氧化钛(TiO2)光催化剂的制备及染料降解实验为核心，通过溶胶–凝胶法、水热法等经典合成技术(如钛酸四丁酯水解制备纳米TiO2)，要求学生掌握材料合成、表征(XRD、SEM)与性能测试(紫外-可见分光光度法)全流程[10]。例如，在甲基橙降解实验中，学生需控制煅烧温度(400℃~600℃)优化TiO2晶型(锐钛矿/金红石相比例)，并通过光致发光光谱(PL)分析光生载流子复合率，从而建立“结构–性能”关联认知[5]。XRD半定量分析实验结果显示，改革后学生制备的TiO2锐钛矿相含量从82% ± 7%提升至94% ± 3% (p < 0.01)。此阶段引入虚实结合实验平台，借助虚拟仿真系统模拟极端条件(如高温高压)下的材料合成过程，降低实操风险并强化理论理解[6]。
进阶任务聚焦可见光响应型催化剂的开发，以g-C3N4/BiVO4异质结构设计为例，学生需通过能带工程调控(如Z型异质结构构建)拓宽光谱响应范围，并利用响应面法优化反应条件(pH = 3~9、光照强度50~200 mW/cm²)。实验设计融入开放性变量，例如鼓励学生尝试不同沉积顺序(先g-C3N4后BiVO4或反之)对载流子传输路径的影响，或引入原位红外光谱追踪反应中间体，培养其批判性思维与工程优化能力[13]。数字孪生平台模拟的20种故障场景中，学生平均诊断准确率从45%提升至83%。
创新任务则通过学科交叉推动科研转化，要求学生结合机器学习(如随机森林、神经网络)预测催化剂性能。以钙钛矿材料为例，学生需构建包含元素电负性、离子半径、带隙值等特征的数据库，训练模型预测光催化产氢速率，并通过湿化学实验验证预测结果[3]。此阶段成果可直接转化为学术论文或专利，如某团队基于梯度掺杂策略开发的Cu2O/TiO2异质结，其可见光下降解双酚A的效率达98%，相关成果发表于《Applied Catalysis B: Environmental》[11]。
4.2. 评价实施
实验评价体系采用“过程–创新–产业”三维度融合机制，打破传统“重结果、轻过程”的局限。
(1) 过程评分依托Rubric量规表细化指标
实验操作规范性(30%)涵盖称量精度(±0.1 mg)、设备校准(如分光光度计基线校正)等细节；数据处理科学性(25%)要求学生对异常值进行Grubbs检验，并利用Origin软件完成动力学拟合(准一级/二级模型)。例如，在光催化产氢实验中，若学生未考虑气体泄漏对产率计算的影响，则扣除相应分数，促使学生养成严谨的科学态度。
(2) 创新加分机制鼓励技术原创与跨学科融合
新型催化剂设计(15%)侧重材料构效关系创新性，如某团队受仿生学启发开发的“荷叶状”疏水光催化剂，其表面微纳结构可抑制催化剂失活，获全国大学生能源材料创新大赛金奖；跨学科方法应用(10%)涵盖机器学习、微流控技术等，例如将微反应器集成于光催化系统以实现反应条件精准调控。
(3) 企业评价通过产学研深度协同实现
邀请环保企业技术主管从产业化维度评分(20%)，重点关注成本控制(如避免贵金属助催化剂使用)、工艺兼容性(如浆料涂布与辊压工艺匹配度)及环境效益(碳足迹核算)。例如，某小组设计的g-C3N4/生物炭复合材料因原料成本低(农林废弃物)、规模化生产可行性高，获宁德时代技术团队认可并纳入中试计划[12]。
实施成效显示，该模式显著提升学生创新能力与职业竞争力：学生专利申报量同比增长40%，其中“基于机器学习的钙钛矿催化剂设计系统”获国家发明专利授权；企业实习录用率提高25%，合作企业反馈毕业生在工艺优化、故障诊断等岗位表现优异。此外，近三年累计12篇学生一作论文发表于中科院一区期刊，形成“教学–科研–产业”良性循环[14]。
5. 改革成效与推广价值
基于OBE理念的能源材料课程改革，通过能力导向的模块化实验设计与多元化评价体系，在人才培养、师资建设与课程创新层面取得显著成效，为同类高校教学改革提供可复制的实践范式。
学生层面，改革有效解决了传统教学“重知识、轻能力”的痼疾。通过“基础–综合–创新”阶梯式实验模块的递进训练，学生工程实践能力达成度从68%提升至91%。以光催化反应器系统集成实验为例，学生需自主完成工艺参数优化与故障诊断，其设备调试效率较传统教学模式下提升40% [15]。科研项目参与率从22%增至57%，部分学生将实验成果转化为学术论文或专利，如某团队开发的“双梯度电极结构”锂电池技术获国家级创新创业大赛金奖，并发表于《Advanced Energy Materials》。此外，企业实习录用率提高25%，合作企业反馈毕业生在“工艺优化”“跨学科协作”等岗位表现优异，印证了OBE模式下职业胜任力的实质性提升。
教师层面，改革推动了“双师型”教师队伍的建设。通过校企联合课题、产业技术研讨会等机制，教师工程实践能力与科研转化能力显著增强。某高校能源材料教研室与企业共建“光催化技术联合实验室”，校企合作课题数量增加30%，教师团队获批省部级产学研项目5项，发表SCI论文12篇。此外，教师通过参与“OBE三大核心内容设计”专项培训，系统掌握反向课程设计、持续改进机制等关键技能，教学理念从“知识传授者”向“能力培养导师”转型。
课程建设层面，虚拟仿真实验平台与评价体系的创新成为改革亮点。建成“光催化反应动力学模拟系统”等虚拟仿真平台，通过数字孪生技术实现高温高压实验场景的安全模拟，学生可自主调节反应条件并实时获取数据，实验效率提升50%。课程获省级一流课程认定，并入选教育部“新能源材料产教融合示范课”，其“虚实结合、赛教融合”模式被10余所高校借鉴推广。此外，基于机器学习开发的“实验设计智能辅助系统”，可根据学生能力差异推荐个性化实验方案，有效支撑分层教学目标的达成。
6. OBE理念跨学科应用与能源材料教学改革成果
(1) OBE理念的跨学科实践范式
在医学教育领域，中山大学临床技能实验教学中心采用OBE理念构建“基础技能–综合诊疗–创新研究”三级实验体系，通过标准化病人(SP)与虚拟手术系统结合，使医学生临床操作规范达标率提升37% (p < 0.01)。计算机学科中，浙江大学将OBE应用于人工智能实验课程，以头部企业(如阿里达摩院)的算法部署需求为导向设计模块化实验项目，学生开发的模型产业转化率达28%。化学工程领域，天津大学基于OBE重构化工原理实验，通过Aspen仿真与实体装置联动，使复杂工程问题解决能力达成度从54%提升至89% (效应量d = 1.43)。这些跨学科案例共同验证了OBE在实验教学目标精准定位、评价动态化、产教协同三方面的普适价值。
(2) 能源材料实验教学改革核心成果
现有能源材料实验教学改革通过OBE理念的系统实施，已实现三大突破性进展：其一，构建了“虚实结合”的模块化实验体系，使锂电池材料制备等高风险实验的操作安全性提升至100%，同时通过数字孪生技术将工艺优化周期缩短60%；其二，建立了“过程–创新–产业”三维评价机制，企业评分权重占20%的产教协同模式下，学生开发的g-C3N4/生物炭复合材料等12项成果进入产业中试阶段；其三，形成动态改进闭环，基于机器学习分析每年更新30%实验项目，保持与宁德时代等企业技术迭代同步率超85%，最终使毕业生工程能力达成度达91%、科研参与率提高35%，为新能源领域人才培养提供了可量化的改革范式。
7. 结论与展望
本研究验证了OBE理念在能源材料实验教学中的有效性，但改革深化中仍面临三大挑战：其一，产教协同需从“项目合作”向“生态共建”升级。当前校企合作多停留在技术攻关层面，未来可探索“产业学院”“工程师微专业”等深度协同模式，将企业技术标准直接嵌入课程体系。其二，智能化技术赋能实验教学的潜力尚未充分释放。需加快开发“AI+实验设计”系统，利用大数据分析学生能力短板，动态优化实验模块与评价指标。例如，构建钙钛矿材料性能预测模型，指导学生快速筛选最优合成路径。其三，跨校资源壁垒制约改革成效的规模化推广。建议依托“国家级实验教学示范中心”，搭建能源材料实验资源共享平台，实现虚拟仿真系统、校企联合题库等资源的跨区域互通，推动教育公平与质量协同提升。
未来，能源材料课程改革需以“双碳”目标为引领，聚焦氢能、新型储能等前沿领域，构建“学科交叉–产业驱动–智能支撑”三位一体的教学新生态，为我国新能源产业高质量发展持续输送复合型创新人才。