新能源材料課程教學改革的探索與實踐

蔣青青，黎永秀

(中南民族大學 化學與材料科學學院，湖北 武漢 430074)

隨著經濟快速發展和人口增長，資源短缺、能源危機、環境污染等問題日益尖銳，新能源材料與技術的突破與否成為解決能源危機與環境污染的關鍵，新能源技術成為當前社會最具有戰略意義的領域之一。太陽能、風能、新型二次電池、儲能電池等新能源產業在國民經濟中的地位日益攀升。近年來，基于晶體硅的太陽能電池，基于鋰電池、燃料電池、鎳氫電池的新能源汽車產業都在我們國家得到了蓬勃發展，新能源相關領域的產業甚至走在世界前列，但核心技術依然受控于歐美發達國家，這嚴重制約著我國新能源產業的發展。

目前，知名工科院校已陸續開設新能源材料與器件專業，新能源材料相關課程，以便滿足新能源產業對相關專業人才的需求。材料的發展對于提升新能源器件的效率至關重要，因此培養新能源材料的人才是十分必要和緊迫的。此外，知名院校及研究所從事新能源研究的人員也日益增多，選擇繼續深造讀研究生的學生也需要掌握相關知識。本校應用化學專業開設《新能源材料》課程的目的在于：拓寬學生的視野、更新學生的能源知識體系、培養能夠從事新能源材料及其器件開發、研究的高素質人才。

新能源課程涉及材料、物理、化學、電子、機械等多交叉學科內容，各高校一般依托自己的辦學特點來設置該課程教學內容的側重點，有側重電子工程、電化學工程的，也有側重化學化工、材料學科的，本校應用化學專業根據自己的培養特點，主要側重于化學與材料部分。目前該課程交叉明顯、教學內容尚無系統、現成的經驗可以借鑒。本文作者在教學期間，學生反映該課程內容過于繁雜，深度不夠，學習起來有一定難度，導致學生學習積極性不高。根據本專業教學大綱的設置，《新能源材料》學時有限，只有 32 學時，課程學時較短而需要講授的內容卻十分復雜，如何整合教學內容，改進教學方法，盡可能的提升學生學習的積極主動性，讓學生愛上這門略顯枯燥而又非常主要的新能源材料課程呢，這是擺在我們面前亟待解決的問題。本文結合筆者講授新能源材料課程的體會，初步探討了該課程的教學內容、教學方法和考核方式的優化和改革。結合《新能源材料技術》課程特色研究制定符合本課程實際應用和科研需求的特色專業培養目標。

1 整合教學內容

由于新能源材料是新設課程，已經出版的參考書相對較少且內容有待完善，因而，任課教師對該課程教學內容的選擇至關重要，筆者將授課內容分成緒論、材料物理基礎、燃料電池、鋰離子電池、太陽能電池、并輔以介紹生物質能源等其他新能源形式。緒論部分主要介紹各類新材料的出現對于人類文明發展的影響，例如半導體硅材料的出現，引發了近五十年的工業革命，讓同學認識到人類利用材料的歷史，就是一部人類進化的歷史；介紹世界能源結構和現狀、中國能源現狀及面臨的問題等入手，從而引入新能源的概念、分類、特點、應用條件和前景等。

材料物理基礎部分給學生講述新能源材料中常用的物理概念，讓學生理解半導體、磁性、導電性、介電性的物理模型，可以從微觀角度理解材料結構與性能之間的關聯。具體的新能源部分，重點介紹鋰離子電池、太陽能電池、燃料電池這三類目前應用最廣泛的新能源，講述不同電池的基本原理、常用概念、基本參數、常用的材料以及選擇這些材料的原因。此外，給大家介紹一些生物質能源中乙醇汽油、生物柴油等基本概念。

新能源材料與技術是當前社會最具有戰略意義的領域之一，國際國內無數的科學家致力于該研究，新能源材料是一門新興的并且還在不斷發展中的學科，每時每刻都有大量的新的研究成果報道，授課教師在教學中以教材中的知識點為基礎，更要時刻結合前沿性的科研論文和產業進展進行介紹，筆者不僅自己閱讀相關領域的最新的研究論文，將這些成果融入到課堂上；而且鼓勵學生閱讀文獻，通過文獻閱讀使學生跟蹤世界上最先進的研究成果[2]。除專業知識的內容講授外，我們將增加英文文獻閱讀討論部分。我們每兩周給學生發放一次最新的文獻資料，讓學生自己選擇感興趣的一篇，組成一個小團隊，通過文獻閱讀、總結，舉行小型報告會的形式，培養學生綜合能力的目的。另外，還增加了互動的環節，提高學生的注意力，提高學生參與科研的能力，達到本門課程的授課目的，體現了以人為本，以能力培養為核心的教學理念。

2 改進教學方法

如何改進教學方法，把學生從死板、被動的學習中解脫出來，讓學生體會到學習的快樂，是筆者在教學過程中一直思考的問題，筆者采取了課堂講授、討論及前沿文獻閱讀相結合的教學方法。新能源、新材料為新興學科，筆者緊密結合教學內容精心準備了圖文并茂的課件，將石墨烯、碳納米管、太陽能器件、燃料電池等內容通過視頻、圖片向學生展示，使得學生對新能源、新材料獲得足夠的感官認識；另一方面將該技術的應用實例，研究的最前沿文獻，與課程理論知識相結合，來強化學生對理論知識的理解、激發對專業學習的興趣。

課堂引入研究式教學方法，培養學生嚴謹的科學態度和科研能力。筆者在進行新能源材料及其應用課程的教學中，依據目前國內外在新能源材料領域的研究熱點，設計一些研究性課題，布置學生課后查閱相關參考文獻資料，結合課程的學習，開展前沿課題的科學研究[3]。學生以PPT 形式和綜述小論文的形式完成相關討論，這一舉措可使學生很好地掌握新能源材料等知識內容，對研究現狀及發展趨勢能有較多的了解。通過這種方式，把傳授知識與文獻檢索能力、思考能力和寫課題報告等能力的培養結合了起來。

案例教學改變了以往傳統的教學模式，實現了師生互動，突出了學生學習的主體地位，改變了以往死氣沉沉的課堂，真正使課堂充滿了活力，這樣必然能大大提高課堂的教學效率。在講授鋰離子電池時，介紹鋰離子電池之父，Good enough 先生如何為鋰離子電池的發展而奮斗，要求學生翻譯該位作者在2018年94歲高齡情況下寫下的關于鋰離子電池展望的文章，以手機電池的發展為例，介紹電極材料，電解質的發展歷程。

3 配套實踐教學環節

新能源材料課程的特色決定了其對實踐環節的需求，構建與實際應用結合緊密的課程實踐體系成為整個教學過程中的重要組成部分。上述問題可通過學院安排的認識實習與專業綜合實驗與來解決。首先本學院有十位左右的老師從事鋰離子電池、太陽能電池、燃料電池的相關研究，通過綜合實驗、專業實驗、大學生創新實驗等共計96個學時的自主選題實驗，鼓勵學生結合興趣自主選題，教師指導下完成某一新能源方向的研究工作。讓學生們通過參與項目研究，使其在新能源材料的設計、制備、結構、器件制備、性能測試、數據整理和分析、撰寫論文等方面得到全面的鍛煉，提升了他們的創新能力和科研實踐能力，給予學生對新能源材料及器件直觀的感受和了解。其次，加強校外實習基地建設，加強與武漢新能源公司相關的合作，為學生的參觀實習和生產實習[4]。

4 改革考核方式

學生成績是檢驗教學質量的重要環節，可以評定學生對教學內容的掌握程度。

本課程的期末考試題目分為三個類型，第一題，名詞解釋，通過這道題目讓學生掌握常用的基本概念，第二題為問答題，比如新能源對于我們生活的影響，讓學生自己梳理各類新能源形式的優缺點，解釋自己手機電池的組成，以及充放電過程的基本原理。第三題為英文文獻翻譯題目，找一段描述燃料電池、鋰離子電池、太陽能電池基本原理，常用電極材料的文獻資料，讓學生翻譯。這樣設置考試題目不僅需要學生掌握課堂或教材中的內容，還需要增加最新文獻資料的課外閱讀，并加入自己的理解與思考才能完成作答，避免學生考前突擊、死記硬背，考試結束內容全部丟棄的情況。期中成績是完成一篇課程論文，即針對任一種新能源材料，談談自己對本專業的認識和體會，培養學生學術論文的寫作能力。有的學生選擇了石墨烯，介紹了石墨烯作為電池負極材料的優勢，有的學生選擇介紹鈣鈦礦太陽能電池，這些都是新能源領域中研究最為熱門，最為前沿的內容，學生能將小論文寫到這些點子上面，說明學生已經有了一定的科學素養。這種平時成績、前沿小論文和期末考試相結合的形式，有助于督促學生對所學課程內容進行思考，從而有利于提高學生的綜合素質。

5 總結

新能源材料是一門建立在多學科交叉基礎上的新興學科，作為一門綜合性、前沿性、交叉性的課程，想真正學好這門課程并不容易。筆者從事新能源材料教學已有五年時間，根據教學過程中遇到的問題，該學科的實際情況，對教學內容、教學方法及考核方式進行了調整和改革，課程效果得到了明顯改善，學生的綜合能力得到了提高，甚至有一定數量的畢業生因為此課程，對新能源材料產生了濃厚興趣，并繼續在新能源材料領域進行深造，這些結果均證明了該課程改革取得了良好的效果。