绿色碳科学：双碳目标下的科学基础——第292期“双清论坛”学术综述

基于第292期“双清论坛”,本文阐述了“绿色碳科学”理念的科学内涵,综述了当前我国能源与材料科技领域低碳化科学技术的研究进展、相关挑战与未来机遇,凝练了双碳目标的实现路径、关键科学问题、未来研究方向,为自然科学基金委下一步制订碳中和基础研究行动计划与资助方案提供参考。     

“双碳”背景下能源关键元素暴露的神经效应研究进展

为了实现“双碳”目标,能源关键元素(Energy-critical elements, ECEs)在全球范围内的应用将显著增加,增加了人群暴露风险,但是其健康效应尚未明确。ECEs主要为金属元素,如锂、钴及稀土元素。为了解金属ECEs的潜在健康效应,重点关注其神经危害或风险,为其在可持续发展过程中可能产生的健康问题提出干预策略。回顾了与金属ECEs相关的毒理学、职业安全和健康问题以及流行病学调查的文献报道,主要在分子和细胞水平、实验动物和人群流行病学研究等方面对上述金属ECEs神经效应的综述。目前,金属ECEs健康效应的研究面临一些挑战：现有的人群研究数量有限,亟需更多的研究为建立有关健康、环境影响和安全的监测系统提供科学依据,为绿色能源行业建立一个可持续、安全和健康的职业环境,助力实现“双碳”目标。     

“双碳”相关实验开发——蛋壳源CaO的制备、表征及其碳捕集性能

碳捕集技术是实现“双碳”目标的重要途径。高温工业源CO₂的捕集更宜使用钙基吸收剂。本文立足“双碳”背景,将碳捕集前沿技术融入仪器分析实验课程,开发了蛋壳源CaO的制备、表征及其碳捕集性能的设计性综合实验。选择高钙废弃物鸡蛋壳为原料,采用醋酸处理得到醋酸钙,再经高温煅烧制备了具有较好碳捕集性能的CaO;利用EDTA配位滴定、扫描电子显微镜、X射线衍射、红外光谱、拉曼光谱和热重分析等多种分析手段,测试了CaO的纯度、形貌、结构及其对CO₂的捕集性能。本实验采用项目式教学方式,引导学生自行设计实验方案并进行实践和总结,不仅锻炼了学生综合运用专业知识解决实际问题的能力,而且培养了学生的科研素养和团队合作精神。     

“化学实验教学研究”课程的改革探索与实践

重庆师范大学化学学院坚持“以本为本”,针对当前“化学实验教学研究”课程教学存在的问题,开展了教学改革实践探索。改革的总体思路是瞄准“一夯实两提升”,即夯实师范生实验操作技能、提升师范生实验教学能力和实验创新能力的课程目标,构建以“七项训练任务”为核心的课程教学改革内容。采取了包括基于板块任务法开展教学设计训练、基于模型认知开展展示讲解训练、基于模拟授课开展实验探究指导训练、基于素养表现开展实验教学评价训练、基于创新视角开展实验创新能力训练和基于专业发展开展实验反思能力训练等策略的课堂教学改革,成效显著。师范生的各项能力得到不同程度的发展。     

“碳中和”时代愿景下的课题式教学实践——二氧化碳

深入贯彻落实“碳中和”目标是改善环境和气候问题的重要之路。因此,在“碳中和”时代愿景下,利用课题式教学方法,以“珊瑚白化”问题为探究载体,借助数据可视化的数字化实验,在初中教学中开展一节以二氧化碳为中心的课题教学是必要的。不仅可以培养学生的社会责任感,还可以提高学生科学探究的能力和化学素养。     

“科教深度融合”的高分子物理教学探索与实践

“高分子物理”是研究高分子结构与性能之间内在关系及其规律的学科,是材料、化学、化工专业的核心课程,旨在培养学生运用正确的物理思维分析和解决高分子相关问题的能力,为以后专业发展提供重要的学科基础。不同于小分子,高分子在不同空间和能量上具有多尺度特征。同时,相当一部分学生在课堂上的自主学习能力、高阶思维能力、创新意识均较弱。针对该课程的教学“痛点”问题,培养具有原创能力的高素质人才,应以学生发展为中心,大力推进“科教深度融合”课堂改革,以科研项目牵引“高分子物理”课堂的“课前思辨”“课堂体验”“课后实践”各环节,使学生在“探究式”“讨论式”“实践式”的“科教深度融合”过程中进行全身心学习,做到“知行”统一与学思结合,有效实现“知识-能力-素质”一体化育人,本科生在基础研究领域中的原创能力大大增强,教学创新成效显著。     

元素化学“课程思政”教学设计与实践——以碳族元素为例

以碳族元素教学为例,介绍了元素化学“课程思政”教学设计与实践。深入挖掘课程蕴含的思想政治教育元素,充分发挥课程承载的思想政治教育功能,将科技前沿、唯物辩证法与科学认识论、爱国主义精神、生态文明思想、新时代中国“双碳”故事、化学元素发现史和科学伦理道德教育等有机融入课程内容设置和课堂教学等环节中,培养学生的创新精神、科学思维、爱国情怀、生态文明思想、探究精神、职业道德观等,实现“知识传授”和“价值引领”同步提升。     

基于认知模型进阶的“元素周期律”教学——选择元素制备储氢材料

以科学研究热点“储氢材料”为载体进行选择性必修阶段“元素周期律”的教学。应用必修阶段已有的“元素及物质的系统认知模型”,通过选择元素制备金属氢化物、解析氨硼烷2个教学环节,在真实问题解决过程中基于认知需求认识电离能、电负性,了解双氢键,并将新认知与已有认知模型进行融合,实现认知模型进阶和系统思维能力发展,培养社会责任感。     

TEP教学模式在分析化学教学中的应用——以“酸碱滴定分析法”教学为例

为了实现高等教育培养应用型和创新型人才目标,需要改变目前分析化学教学中“重知识和技能传授、轻能力培养和价值引领”的教学现状,提出“理论知识(Theory)–自主实验(Experiment)–实践应用(Practice)”融合教学模式(简称TEP)。TEP教学模式在实施过程中,通过“任务”这条主线将三个教学环节紧密相连,构建一个递进式教学体系。在理论教学中采用“任务和问题驱动式”教学,激起学生学习的主动性和积极性;在实验教学中要求学生自主完成相对简单的实验任务,培养学生自主学习和思考的能力;在实践应用环节,要求学生独立完成有意义有难度的任务,培养学生的应用能力和创新能力。在每个教学环节中巧妙地融入思政内容,实现“立德”与“树人”的有机统一。为了使TEP模式有效实施,还需做好课程的教学评价。     

“碳中和”背景下高分子材料与工程专业课程教学改革

在“碳中和”背景下,高等教育的教育理念和教学模式应围绕国家可持续发展战略对新型人才的需求而做出调整。结合本校高分子材料与工程专业的特点和发展方向,在强化基础理论和知识的基础上,将本专业课程在教学内容、教学方法和课程思政元素融入等方面进行了系列改革和探索,重点培养学生的“碳中和”理念、创新意识和实践能力,以便进一步提高本专业人才培养质量,满足“碳中和”目标下国家对相关人才的需求。     

矿物基环境修复材料制备及应用的综合性实验设计

为促进“研学结合”,增强学生实际操作能力,依托于化学实验平台设计了“矿物基环境修复材料制备及应用”的化学综合实验。实验内容包括改性沸石材料的制备、表征和应用探索。实验由教师科研成果转化而成,已在本校环境化学综合实验课中进行教学实践,该实验可以使学生掌握文献调研、材料制备与表征、性能分析、数据处理等重要技能,锻炼学生综合实验设计和思维创新的能力,激发了学生探索环境修复材料前沿知识的兴趣。     

基于“HEART”理念的化学实验教学改革研究

为提高实验教学质量,分析当前实验教学存在的问题,创建先进的“HEART”实验教学理念。以此教学理念为指导,开展了化学实验教学体系、教学方法、教学团队、教学质量评价研究。建立了“二渗透、四结合”的实验教学体系,培养了学生的创新精神和实践能力;形成了以学生为中心的快乐实验教学方法,激发了学生实验的积极性和创造性;建立了实验教学质量评价体系,完善激励机制,敦促教师不断提高实验教学能力;建立了柔性的实验教学改革运行机制,形成了教学改革长效机制。     

基于“焰色实验”项目的创客教学——制作彩焰蜡烛

以“制作彩焰蜡烛”为项目主题,开展“焰色实验”的创客教学。学生立足教材,从自己的疑惑出发,完成“探究焰色成因”“选择制作材料”“提高彩焰效果”等子任务,最终制作出彩焰蜡烛,掌握焰色实验的实验操作,理解焰色的成因,构建了猜想-证据-结论-应用的认知模型,锻炼了实验探究、合作学习、反思改进等能力,增强了社会责任感。     

“双一流”背景下高等电化学课程改革与创新

以电化学原理与应用课程为例,结合中南大学“双一流”建设需要,提出高等电化学课程改革和创新的重要性。从教学内容、教学模式、教材资料和教学团队等方面的发展历程深入探讨了本课程的改革和创新方法,并对比展示了课程改革的初步成效。相信本课程的改革与创新探索研究对于研究生教育教学改革工作具有积极的推动作用。     

论“异常实验现象”的教学功能

在调查研究的基础上,从创设教学情境、培养问题意识、发展学科能力和强化心理素质等方面对“异常实验现象”的教学功能进行了探讨,论述了“异常实验现象”的教学价值,并提出了相关教学措施。     

通识课“趣味化学实验”存在的问题与对策

“趣味化学实验”是以化学知识科普、能力锻炼与实际生活应用为目标而开设的一门通识选修课程,在学科知识的拓展、深化,科学素养和创新意识的提高上有着重要的作用。对教学内容、教学模式以及评价方式中存在的一些问题进行了分析,结合教学实践和通识课的特点提出了相应的对策,如强化信息收集、优化实验设计、改进教学模式和教学方法、改革评价方式等。     

基于思维能力培养的“香料香精应用”教学改革

以"香料香精应用"教学创新实践为例,从科学设计教学内容和创新教学形态出发,就专业基础课如何将思维能力的培养贯穿在整个理论教学和实验教学的改革过程中,怎样在有效跟踪学生自主学习过程中强化其学习能力及培养思维能力进行了初步探索,就如何通过改革考核模式在公平公正评价学生自主学习效果的同时实现科学评价其学习能力强化程度以及思维能力培养程度进行了研究,并对该课程的理论教学和实验教学改革实践及化妆品专业人才培养方式的创新进行了总结。     

高中化学应用“范例教学”模式的实验报告

面对高考和课程的改革 ,笔者在高中化学教学中使用了“范例教学”模式进行教学的实验。该报告对模式的引入背景、实验的可行性分析以及实验的实施过程、实验的调查分析进行了如实报告。     

适应新工科建设的“计算化学与应用”教学模式

以“学生为中心,教师为主导;理论为基础,实践为主线;育人为目的,能力为目标”作为基本原则,建立一种适应当代新工科建设的“计算化学与应用”新教学模式。形成优化的课程教学体系和科学有效的考核评价方法。通过“理论与实践、基础与前沿、学习与研究”相融合的教学组织模式,全面提升学生的研究能力和创新能力。所设计的新教学模式将计算机、化学、工程等多学科进行交叉和融合,凸显新工科特色。建立了符合新工科建设需求的创新型高素质人才培养模式,课程改革和建设取得了显著成效。     

“虚拟平行班”模式下的研究生专业课程全英文教学研究

总结了“虚拟平行班”模式下研究生专业课程全英文教学的几点经验和探索。通过“虚拟平行班”的构建可以有效缩小学生英语水平方面的个体化差异,引入微课视频,进一步提高了“虚拟平行班”模式的学习效率。研究发现对于研究生专业课程的学习,教师的主导作用不可取代,但可以通过课堂组织形式的改革来拓展课堂的深度和广度。通过“虚拟平行班”的构建结合课堂组织形式和评价方法的改革,最终实现“以培养研究生自主学习能力为目的”的研究生全英文课程建设。