《新能源材料》課程的教學探討

劉法謙 郭志巖 張乾

摘要：《新能源材料》是新能源材料與器件專業的核心專業課程之一，專業性強，涉及面廣。作者根據目前國際的研究熱點，確定了《新能源材料》課程的教學范圍，并從教學手段的運用、課堂—實驗室—工廠三位一體的培養模式以及交互式教學等方面，提出了一些個人見解。

關鍵詞：新能源材料；教學內容；教學手段

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）29-0132-02

隨著經濟社會的快速發展，能源短缺成為全球日益突出的問題。為此，發展以太陽能為代表的新能源已經成為各個國家的共識。美國俄勒岡州科技學院于2005年率先開辦了可再生能源四年大學本科學位課程，之后，紐約州立大學Canton分校于2006年、伊利諾伊州立大學于2008年都開設了可再生替代能源專業。2009年底，我國開始布局戰略性新興產業，新能源產業作為戰略性新興產業的代表，成為低碳經濟的發展方向。2010年，“新能源材料與器件專業”被教育部批準為戰略性新興產業相關專業之一。作為新能源的轉化和利用以及發展新能源技術的關鍵，新能源材料則成為了關乎國家發展的戰略性重大問題，而《新能源材料》這門課程也成為新能源材料與器件專業的核心課程之一。

《新能源材料》是建立在高等數學、大學物理、大學化學、材料科學基礎、半導體物理與器件、新能源轉換與控制技術、凝聚態物理等基礎課和專業課之上的一門課程，專業性強，涉及面廣，是材料科學與電子科學、化學、物理學、能源技術科學等多學科交叉的綜合性學科，涵蓋了太陽能電池材料、儲氫材料、鋰電池材料、燃料電池材料等先進能源材料。盡管我國已經有一些高校開設新能源材料與器件專業，但作為一個新興專業，其相關課程建設仍相對滯后。《新能源材料》作為其中的核心課程，其建設具有重要意義。作者經過近幾年的教學，針對新能源材料的課程特點，在教學過程中采用了一些新型的教學方法和手段，在啟發學生學習興趣，增加該課程的興趣點的同時，提高了教學效果。

一、《新能源材料》教學內容

目前，可供新能源材料選用的教材非常有限，且大多數編著于多年前。新能源領域的發展可謂日新月異，陳舊的教材已經無法適應新形勢下的需要。基于此，我們以最近幾年的科學研究熱點為依據，厘定了以下教學內容：

1.太陽能電池材料。太陽能電池是通過光電效應或者光化學效應直接把光能轉化成電能的裝置，是目前最有應用前景的可再生能源。本部分主要講述太陽能電池原理、太陽能電池的結構與特性、太陽能光伏發電系統、太陽能光伏發電系統的應用以及各種太陽能電池。太陽能電池的分類很多，較傳統的主要包括：硅太陽能電池、有機聚合物電池、染料敏化太陽能電池和量子點敏化太陽能電池等。自2013年起，以CH3NH3PbI3為代表的鈣鈦礦太陽能電池逐漸成為研究的主流。[1]鈣鈦礦型復合氧化物ABO3是一種具有獨特物理性質和化學性質的新型無機非金屬材料，A位一般是稀土或堿土元素離子，B位為過渡元素離子，A位和B位皆可被半徑相近的其他金屬離子部分取代而保持其晶體結構基本不變。目前，鈣鈦礦太陽能電池的效率已經接近20%。

2.鋰離子電池材料。鋰離子電池是一種二次電池（充電電池），它主要依靠鋰離子在正極和負極之間移動來工作。[2]在充放電過程中，Li+在兩個電極之間往返嵌入和脫嵌：充電時，Li+從正極脫嵌，經過電解質嵌入負極，負極處于富鋰狀態；放電時則相反。電池一般采用含有鋰元素的材料作為電極，是現代高性能電池的代表。鋰離子電池的研究是當前能源領域的研究熱點，本部分主要講述的內容包括：鋰離子電池的工作原理、鋰離子電池負極材料、鋰離子電池正極材料、鋰離子電池電解質材料以及鋰離子電池隔膜材料。

3.金屬氫化物鎳電池材料。20世紀60年代末，科學家發現儲氫合金。進一步的研究發現儲氫合金在吸放氫的過程中伴有電化學效應、熱效應等。1973年起科學家開始把LaNi5型儲氫合金作為二次電池負極材料，1987年建成Ni/MH電池的試生產線，1990年，Ni/MH電池商業化，日本居于世界前列，1990年，日本三洋公司開始批量生產，美國、德國相繼開始生產。我國近年來發展很快，相繼建立的一些電池生產企業，如天津和平海灣，深圳比亞迪等。本部分主要講述的內容包括金屬氫化物鎳電池原理、結構和特性以及其優缺點、儲氫合金負極材料、鎳正極材料以及Ni/MH電池材料的再生利用。

4.燃料電池。燃料電池是一種不經過燃燒而在等溫下直接將儲存在燃料和氧化劑中的化學能高效而又環境友好地轉化為電能的發電裝置。它的最大特點是燃料和氧化劑是從電池外部連續注入電池的，是繼水利、火力和核能發電之后的第四類發電技術。2005年，日本Honda推出50kW的燃料電池轎車，2006年三星公司推出燃料電池筆記本電腦，極大的推進了燃料電池的工業化進程。本部分主要講述的內容包括燃料電池原理、質子交換膜型燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池、固體氧化物燃料電池以及燃料電池汽車基礎。

二、《新能源材料》教學手段嘗試

1.各種教學手段和教學方法的綜合運用。《新能源材料》涉及的范圍很寬，包括無機、有機，非金屬、金屬等知識體系，著重強調數理基礎，理化結合，材料、器件、系統的結合。[3]由于該課程較抽象，且都是學生還沒有接觸到的領域，學生在初次接觸本門課程時經常會遇到知識過于抽象不好理解的困難。因此需要改變傳統的教學方法，采用多種多樣的教學模式和教學手段，尤其是要充分利用多媒體技術和網絡技術等現代教學手段，形成直觀形象和生動的教學場景，從而提高教學質量和教學效率。多媒體課件能將新能源材料中抽象難懂的概念、關系、原理以圖像、聲音、動畫、視頻的形式變得具體化，從而可以增強學生學習的主動性和積極性，提高教學效果。比如可以在鋰離子電池基礎部分講述完成后，使用視頻的形式來闡述鋰離子電池完整的制作過程，加深學生的印象。在講解燃料電池時，可以先利用通用公司制作的關于燃料汽車的廣告，來激發學生對燃料電池的興趣。但應用現代化教學手段并不等于全盤拋棄傳統的教學手段，黑板的隨意性和互動性不是多媒體所能完全替代的。對于原理的闡述時，例如闡述各種電池器件的工作原理、電化學原理和固相合成原理等難點問題時，應該通過板書逐個擊破。因而在實際教學中要合理地將現代教學手段與傳統的教學手段結合起來，提高課堂教學的質量。

2.課堂—實驗室—工廠三位一體的培養模式。《新能源材料》所涉及到的理論內容較為抽象，僅靠課堂上的教學很難實現讓學生對新能源材料的了解和認識。作為課堂理論教學的補充和延伸，通過開設課程實驗可以加深學生對理論知識的理解，并提高學生的動手能力和分析解決問題的能力。實驗內容的設計，不僅要注重實時性，同時還要突出實驗的專業背景，這樣才能真正體現實驗教學的系統性和專業性。目前，本課程開設的基礎實驗包括：鋰離子電池正負極材料的制備，電池裝配及性能測試；基于TiO2的染料敏化太陽能電池正負極制備，電池裝配及性能測試；燃料電池的基本原理和燃料電池的性能測試。實踐活動包含著與理論教學相關的實踐活動內容，不僅體現著理論聯系實際的教學理念，還可以培養學生實踐能力和創新能力。青島科技大學在城陽區青大工業園和平度新能源材料產業園區均設有實習基地。其中城陽區可以進行動力型鋰離子電池正極材料、負極材料的制備以及電池的裝配實驗；平度市新能源材料產業園區里的企業可以進行單晶硅太陽能電池、多晶硅太陽能電池以及完整的太陽能電池裝配線。通過學生走進實驗室，再走進企業，可以實現課堂—實驗室—工廠三位一體的理論與實踐相結合的模式。

3.實施交互教學，讓學生走上講臺。為了進一步激發學生的學習興趣，我們安排了每個學生都有上臺演講機會，讓學生參與到教學中來。每人大概分配10分鐘時間，一個學生一個命題。題目主要分為二類：一類命題來源于前沿領域。即從最新的Science、Nature及其系列子刊等國際著名期刊上尋找關于新能源材料的最新進展，讓同學們完成從資料查找、到閱讀，再到課堂講授的完整流程。比如，針對目前太陽能電池中，研究最熱的鈣鈦礦電池，讓學生通過查找文獻，指出鈣鈦礦電池效率高的原因所在，效率可能繼續提高的因素以及鈣鈦礦電源目前存在的缺陷。另一類命題來源于生活，比如目前國家大力推行電動汽車，那么最適合作為動力型鋰離子電池正極的材料有哪些？目前大多數農村用的小型電動車采用的是哪一類電池？太陽光的光譜范圍是多少？什么樣的材料才能最大范圍的吸收太陽光，并將其轉變為可存儲能量？等等。另通過這種交互的教學方式，學生的積極性普遍得到了提高，學生在講授過程中，不但自己有了很大的收獲，教師也能在相互的交流中獲益頗多。

三、結論

我們根據目前國際的研究熱點，確定了包含太陽能電池材料、鋰離子電池材料、金屬氫化物鎳電池材料以及燃料電池材料四大領域的教學內容。并根據新能源材料課程的特殊性，改變傳統的教學方法，通過各種教學手段和教學方法的綜合運用、課堂—實驗室—工廠三位一體的培養模式以及交互式教學等方式，調動學生學習的主動性和積極性，使《新能源材料》的教學手段更加完善和成熟，并取得了令人滿意的教學效果。

參考文獻：

[1]Hodes，Gary.Cahen，David，Perovskite cells roll forward[J]. Nature Photonics，2014，（8）.

[2]F.-Q. Liu，H. Wu，T. Li，L. R. Grabstanowicz，K. Amine and T[J]. Xu，Nanoscale，2013，（5）.

[3]雷永泉.新能源材料[M].天津大學出版社，2001.