能源材料課程授課方法探索

盧周廣 袁惠敏 程化

摘? 要 能源材料是材料科學與工程專業的一門核心專業課程，內容涉及面廣。以電化學教學部分為例，設計三位一體的教學模式，即電化學基本理論是基礎，分不同的能源材料專題講解和討論，結合配套的創新實驗實踐，形成“理論—講解—實驗”三位一體，讓學生在學習中進行課題研究，在課題研究中加深對知識的理解和掌握。

關鍵詞 能源材料;電化學;創新實驗

中圖分類號：G642.3? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2019）20-0085-03

Exploration of Teaching Mode in Course Energy Materials： Case

Study of Electrochemical Part//LU Zhouguang， YUAN Huimin， CHENG Hua

Abstract Energy materials is a major core course for students ma-jored in material science. It covers a wide range of subjects. Here we?use the electrochemical parts as a case to study the teaching mode for?this course. It is found that the three in one mode is very helpful for?teaching effect. Three refers to the basic knowledge， teaching and project lab. Students can learn to do project research and enhance their understanding by project research.

Key words energy materials; electrochemical; innovative experi-ment

1 引言

能源和材料是當今支撐人類文明和保障社會發展的最重要的物質基礎。在國家對新能源的產能需求逐漸擴大的新形勢下，中國新能源產業的發展尤其重要[1]。目前，能源危機和環境問題隨著社會的發展更加突出，傳統能源結構已經很難滿足人類社會的發展要求。人們普遍認為，解決能源危機的關鍵是在新能源材料技術上取得突破[2]。隨著能源結構的變化，對于新能源方面的人才需求也在不斷增加，因而在高校開設能源材料課程顯得尤為重要。高等教育的重要目標之一就是培養學生獨立工作的能力，使他們在經過高校的教育和學習后，具有在今后幾十年在社會中獨立工作的能力。

能源材料是將材料科學的理論基礎應用于能源材料領域的一門課程，在介紹各種能源材料的理論、構成、制備、表征、性能與應用和發展趨勢的同時，要求學生初步具備將材料科學基礎理論和能源材料科研與生產實踐相結合的能力。筆者所在的南方科技大學作為國家試點研究型高校，具有國家高等教育改革發揮先導和示范的作用，服務國家創新型建設和深圳城市教育建設，非常注重培養學生的實踐能力和科研創新能力，將培養學生科研能力作為本校教育的重要部分。因此，本校的能源材料課程主要考慮不斷把新能源材料科研方面的最新成果與進展引入課堂，并在教學中積極培養學生的理論與實踐結合、科技創新能力。課程的教學目標不僅僅是使學生掌握各種能源材料的基礎知識，更重要的是通過課堂內容來了解和掌握能源材料領域的最新研究進展，向學生講述科學研究的樂趣和方法，拓寬學生的專業知識面，培養學生學科交叉的思維方法和獨立創新能力，最終能結合各自研究課題，為深入開展能源材料方向的研究奠定堅實的基礎[3]，改變學生“高分低能”，使知識增長、能力培養與素質提升有機結合。

筆者以自己多年科研方向結合課程要求，提出電化學基本理論是基礎、課程講解是主題、創新實驗是鞏固的三位一體的教學方法。基本的電化學理論為基礎，分不同的能源材料專題講解和討論，結合配套的創新實驗實踐，理論—講解—實驗，三位一體地加強學習效果（圖1），在學習中進行研究，在研究中加深對知識的理解和掌握。這種三位一體教學模式注重學生的科研素質能力的培養，特別是在論文的文獻檢索、研究內容的設計、研究方法的選擇、研究過程的檢查以及論文的撰寫等方面的培養[4]。不僅使學生掌握該專業領域方面的知識，而且分析問題、解決問題的能力也得到提高。本文將以電化學教學部分為例，探索能源材料課程的授課方法。

2 三位一體教學方法的主要研究內容

理論與實踐結合，深入學習理解課程內容? 能源材料課程理論部分主要包括電化學相關的理論知識，各種能源材料的研究現狀、制備方法、性能及應用現狀與前景，如傳統的火電、核電材料，新能源材料（如燃料電池、太陽能電池、二次電池材料），以及可再生能源材料（如風電材料、熱電材料等）。對于理論知識部分的教學，首先將能源材料的知識點進行分類，規整為一個個專題，對各種能源材料的基礎知識進行系統講解，讓學生能夠掌握一定的電化學理論知識，為后續理解電池材料的種類及應用打下基礎，同時培養提高學生對于能源材料研究的興趣[5]。結合實驗課程的教學，讓學生對于如何制備與表征能源材料有更深入理解，指導學生查閱文獻，了解能源材料科學研究的前沿內容，同時能夠反哺課堂所學的理論知識。最后通過社科調研、進工廠參觀等方式，讓學生充分將理論與實踐聯系起來，并能夠用所學能源材料科研的基本理論解釋現實能源材料器件的工作原理。

結合學生興趣，選擇研究方向，開展創新實驗? 在學生完成部分簡單的專題實驗后，引入創新實驗，讓學生所學得到利用。創新實驗的主題可由本科生根據個人興趣來選擇與能源材料有關的內容，與指導教師討論之后來確定。學生需要查閱一定的文獻來支撐這個主題，即學生需要參與實驗方案的設計。與傳統教學不同，學生不是根據規定好的步驟來開展實驗，而是需要自己制訂實驗方案，決定每一步做什么。因此，指導教師要引導分析學生的哪種實驗方案可行，對學生實驗方案在實施過程中可能碰到的實驗問題進行預判，隨時跟蹤實驗進展，給學生提供堅實的后援。通過這個創新實驗，學生能夠了解與所研究能源材料相關的各種知識，能在實驗中與指導教師進行深入討論，能夠提高分析問題和解決問題的能力，科研素質、文獻查閱能力也會有很大提高。

以學生為主導，注重提高學生的科研創新能力? 學生根據前期科學調研，提出具有創新性的實驗研究課題，分析課題的可行性，確定所要創新的材料。在新材料的制備與研究過程中，學生將要閱讀大量前瞻性文獻，翻閱電化學理論方面的書籍，注重與教師探討，以解決實驗過程中遇到的難題。通過這種方法，學生可以迅速提高科研創新能力。

3 能源材料授課方法探索

以電化學基本理論為基礎? 教師在本課程開始授課前，應充分了解課程知識體系的發展脈絡及邏輯關系，然后根據學生的認知特點，將基本的電化學理論梳理成一個個簡單易懂的模塊，以便學生能更快、更好地建立扎實的理論和技能基礎;和學生一同對相關教材內容進行分析，結合學生基礎與興趣設計教學內容和方式，同時考慮教材內容的難點和重點，明確學習目標、學習任務與問題。

課程講解是主體? 通過對課程內容的選擇，把一些基本概念和容易混淆的概念通過動畫形式表現，著重解釋重點和難點內容，營造良好的教學氛圍。學生可以無壓力地表達自己，充分發散思維，更好地集中精力與課堂，主動提出問題，增強對課程學習的興趣。要使學生在課堂上敢于問疑，并在下課后設有練習題檢查學習效果，通過打分考核形式評估學生是否掌握基本的電化學理論基礎，否則需要重新學習。

創新實驗是鞏固，三位一體? 本科生提前進入實驗室，開展創新性的實驗研究，是對電化學基本理論和課程講解內容的進一步完善和升華。在實驗的探索與研究過程中，學生將有一定突破性的發現撰寫成論文，發表于學術期刊上。這不僅可以保障學生順利完成畢業論文，還會對他們本科畢業后申請國際知名科研院校有很大幫助。創新性的實驗研究學習是培養學生創新精神和實踐能力的有效途徑，讓學生通過實驗獲取知識和運用知識分析與解決問題。

4 實例及效果介紹

能源材料課程包括理論學習和實驗內容兩個部分。其中，電化學理論知識的教學在課堂上完成，結合雨課堂、慕課等手段進行。電化學的實驗包括兩個部分：一個是基礎專題實驗，提供固定的實驗方案，讓學生合成一個多孔材料薄膜作為超級電容器的負極材料，通過這個實驗，學生能夠掌握基本的電化學測試方法;另一個是創新實驗，沒有現成的實驗方案，給定一個主題，如鋰電負極材料的合成以及電化學性能的研究，結果部分學生合成了鋰電的正極材料，部分學生合成了負極材料，所有學生都將自己合成的材料封裝成扣式鋰離子電池，并對自己合成的材料進行了表征。

通過三位一體教學模式在能源材料課程中的實踐，學生能夠積極主動地參與實驗方案的設計，掌握相關的基礎知識，對實驗結果進行分析和討論，具備一定的科研素養。學生反饋教學效果良好，以本課程中參與創新實驗的本科生為例，開展“黑磷基復合材料的制備與鋰離子電池負極性能研究”的本科生在國際刊物上以第一作者發表英文論文一篇，合作發表學術論文八篇，并成功申請香港科技大學攻讀博士學位;開展“富鋰層狀過渡金屬復合氧化物的合成及氧還原和氧析出性能研究”的本科生在國際刊物上以第一作者發表英文論文一篇，合作發表學術論文七篇，并成功申請香港理工大學攻讀博士學位;開展“合成結構可調的過渡金屬氧化物及其在氧還原電催化方面的應用研究”的本科生在國際刊物上以第一作者發表英文論文兩篇，合作發表學術論文七篇，并成功申請加利福尼亞大學圣迭戈分校攻讀博士學位。

5 結語

本文以能源材料中的電化學部分為例，探索基于三位一體的教學模式，不僅使學生掌握各種能源材料的基礎知識，更重要的是通過創新性實驗研究了解能源材料領域的最新研究進展，向學生講述科學研究方法和藝術，拓寬學生的專業知識面，培養學生學科交叉的思維方法和獨立創新能力，最終能結合各自研究課題，為深入開展能源材料方向的研究奠定堅實基礎。充分發揮學生的主觀能動性，采用理論聯系實際、同時實踐聯系理論的雙向思維模式，加深對能源材料課程的理解掌握。實踐表明，此方法可以使學生更加深入地理解課程內容，顯著提高科研能力與素養。總之，三位一體的教學模式應用于能源材料課程教學中，可以使學生更好地掌握書本內容，提高創新能力，對我國突破能源危機及加大創新型人才輸出具有積極意義。

參考文獻

[1]趙昕，朱連磊，丁黎黎.能源結構調整中政府、新能源產業和傳統能源產業的演化博弈分析[J].武漢大學學報：哲學社會科學版，2018（1）：145-156.

[2]陶雪鈺，范賀良，朱亞波.《能源材料導論》課程教學實踐與探索[J].科技資訊，2014（32）：173-174.

[3]秦海英.研究生《能源材料》課程教學改革探索[J].教育現代化，2017（26）：46-47.

[4]施曉秋，劉軍.“三位一體”課堂教學模式改革實踐[J].中國大學教學，2015（8）：34-39.

[5]郭炳焜，李新海，楊松青.化學電源：電池原理及制造技術[M].長沙：中南大學出版社，2009.