新能源材料導論教學的實踐與思考

張玉娟

（北京科技大學材料科學與工程學院 北京 100080）

隨著經濟社會的發(fā)展，人類對能源的需求越來越大。而傳統化石能源是不可再生能源。據報道，目前已知的石油儲量約為2300 億噸，按目前的石油消費速度計算，僅夠人類消費40-50 年左右。因此，人類必須尋找新的能源方式以滿足人類發(fā)展的需求。同時，傳統化石能源的使用造成的環(huán)境問題越來越嚴峻。化石能源均通過燃燒轉化為能量，而這個過程會產生大量硫和氮的氧化物等有害氣體以及PM2.5 等固體粉塵。化石能源燃燒產生的巨量二氧化碳也會造成全球變暖等其他環(huán)境問題。因此，人類必須尋找更為環(huán)保和友好的能源方式。而解決能源問題的關鍵是新能源技術和材料的突破。開發(fā)和利用新能源技術和材料，是當今能源領域科學界和工業(yè)界所面對的重要課題。新能源技術和材料的水平及產業(yè)化規(guī)模是當今衡量一個國家經濟發(fā)展、科技進步和國防實力的重要標志。因此，加快培養(yǎng)新能源材料領域的技術人才具有重要的意義。

在新能源技術和材料迅速發(fā)展的背景下，國內很多高校除了開設新能源材料專業(yè)外，還開設了面向非本專業(yè)學生的新能源材料導論的課程。這一課程一般作為公共選修課，以開拓學生視野為主要目的，并為學生未來的研究深造或者就業(yè)提供一定的知識儲備。本課程一般包括新能源材料的發(fā)展背景和現狀，以及各種新能源材料的工作原理、制備方法、發(fā)展趨勢等。雖然該課程為選修課，但是屬于多學科的綜合交叉學科，要求學生具備較廣泛的知識儲備，包括無機化學、高分子化學、凝聚態(tài)物理、量子物理甚至核物理等學科基礎。因而，教師講授和學生聽課均面臨不小的挑戰(zhàn)。

筆者在北京科技大學開設新能源材料導論全校公共選修課多年來，緊跟新能源技術和材料的前沿進展，不斷優(yōu)化課程內容，持續(xù)進行教學改革，并適當調整考核方式，加強和學生的溝通交流，取得了較好的教學成果，學生對課程的滿意度逐年提升。本文將對筆者開設新能源材料導論課程的教學體會做簡要介紹，以期能對相關課程老師的教學有所啟發(fā)。

1 內容設置優(yōu)化

課程內容一般以某本特定教材或推薦讀物為依托。新能源材料導論課程比較經典的幾本教材有吳其勝教授主編的《新能源材料》、朱繼平教授主編的《新能源材料技術》以及王新東教授主編的《新能源材料與器件》。第一本教材主要介紹了新能源材料的發(fā)展歷史，應用前景以及材料性能的基礎性理論，整體上內容較系統全面，原理方面知識相對較深奧；后兩本主要介紹了新能源技術中所要用到的關鍵材料，以及新能源技術和器件的應用現狀，難度適中。由于筆者所開課程面向全校本科生，學生基礎差別較大，因此一般將這幾本書作為推薦讀物，學生可以根據自己的具體情況自行選擇。考慮到學生接受程度的差別，筆者講授的內容主要選自后兩本教材。

就具體內容而言，由于本課程為選修課，時間一般為32 學時甚至16 學時，因此，內容不可能面面俱到，必須主次分明。那么，選取內容主次的依據就是相關技術和材料本身的先進性以及與國民經濟的結合緊密程度。筆者認為，課程內容的重點可以是鋰離子電池材料、燃料電池材料、核電材料、太陽能電池材料；其他新能源材料的相關內容可以適當減少講授課時，如相變儲能材料、非鋰金屬離子電池材料、生物質能材料等。對這些新能源材料的講授，筆者通常從所對應的新能源器件的工作原理入手，通過原理介紹引出器件的關鍵材料，再對材料的結構和性能展開詳細介紹。

新能源技術和材料日新月異，因此該課程講授的內容每年都要進行適當更新和調整，基本原則是緊跟技術發(fā)展的前沿。這也是本課程最大的特點，對授課教師形成了很大的挑戰(zhàn)。比如，近年來隨著電動汽車需求越來越旺盛，鋰離子電池技術和材料迅猛發(fā)展。因而鋰離子電池材料的內容講授越來越多，而像鎳鎘電池、鎳氫電池由于環(huán)保問題以及記憶效應較大等問題逐漸退出歷史舞臺，筆者已經逐漸不再講授。再比如，隨著人類對大容量、高能量密度的動力電池的需求越來越高，非鋰金屬離子電池技術發(fā)展迅速，如鈉離子電池和鋁離子電池材料均取得了巨大的飛躍，筆者對非鋰金屬離子電池講授的內容也在增加。再如，為應對“碳達峰、碳中和”的目標需求，國家十四五規(guī)劃提出，要積極發(fā)展核電，預計十四五末核電發(fā)電量比十三五末增長40%，為此，筆者也計劃在未來的課時中逐漸增加核電材料的講授。

2 教學方法改革

2.1 適當增加視頻教學

對任何課程，若直接采用填鴨式的教授方式，學生的接受程度都不理想。新能源材料導論課程尤其如此，死板講授新能源器件的工作原理以及和材料性能的關聯，學生的專注度和參與度都不高。該課程的背景應用性較強，而視頻教學則可以大大改善教學效果。筆者幾乎在每堂課都會有相關內容的視頻播放，在播放前要先布置好要思考的問題，播放完之后讓學生來回答。筆者在教學中發(fā)現，一旦有視頻播放，學生的積極性和專注度大為提高，學習效果也有大幅提升。對考試的結果分析發(fā)現，學生對視頻播放內容的掌握要比單純教授知識的掌握更加牢固。

2.2 加強課堂互動

課堂有效互動是實現有效教學的必然要求，課堂互動的活躍性直接影響了學生學習的積極性和教學質量的提高。學生是教學的積極參與者、促進者，只有學生參與了，才能真正完善教學環(huán)節(jié)。要充分調動學生參與教學的積極性，最好的方式就是調動學生思考。筆者在教學過程中，不管是直接講授的知識，還是結合視頻播放的知識，都會進行大量的提問。學生在回答的過程中，會進行深度的思考，從而能夠對知識形成很好的鞏固。就提問的內容而言，更多的是與日常生活相關的或學生接觸較多的內容，比如在鋰離子電池章節(jié)，鋰離子電池容量為什么隨著循環(huán)次數有所衰減，三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池的優(yōu)劣勢是什么，鈉離子電池比鋰離子電池的優(yōu)勢是什么，等等。即使學生回答得不理想，通過教師再講解，學生的掌握程度也會提高不少。

2.3 強調自主學習的重要性

在互聯網高度發(fā)達的今天，獲取知識變得輕而易舉。這也意味著，課堂教學在知識傳播方面的重要性也日趨下降。在這樣的背景下，教師需要讓學生養(yǎng)成善于自主學習的習慣，學生可以通過互聯網開展自主學習，以解決課程疑問。為此，筆者在教學過程中，讓學生根據自己的興趣愛好，就某一種新能源材料進行文獻資料或實驗調研并進行歸納總結，總結形式可以是PPT、視頻材料或者論文報告等，也可以在課堂上進行簡要的報告講解。為有效提高學生參與的積極性和主動性，歸納總結可以作為課程考試成績的一部分。此外，筆者也推薦學生多從新能源技術和材料相關的網站獲取資訊，如新能源網、電動汽車網等，以了解新能源技術和材料最新發(fā)展趨勢，拓展學生的視野。

2.4 增加案例教學

案例教學可以使課堂增加活力，提高課堂的教學效率。筆者在講授核電材料章節(jié)時，會著重介紹我國自主研制的第三代核電“華龍一號”。作為中國核電的“國家名片”，“華龍一號”的特點在于，它是我國具有完全自主知識產權的第三代百萬千瓦級核電技術，其全球首堆建設設備國產化率高達88%。這意味著我國核電技術水平和綜合實力躋身世界第一方陣。鋰離子電池章節(jié)的案例最為豐富。在講授鋰離子電池工作原理時，會用濃重的筆墨介紹鋰離子電池之父，諾貝爾獎獲得者Goodenough 先生是如何為鋰離子電池的發(fā)展而奮斗一生的。作為鋰離子電池最大使用載體之一的電動汽車近年來在全球范圍內尤其在中國得到了突飛猛進的發(fā)展，全球TOP20 的電動汽車生產商中，中國占8 家，遙遙領先于其他國家。受益于我國新能源汽車的快速發(fā)展，比亞迪公司和寧德時代公司已成為全球范圍內動力電池的一級生產企業(yè)；在動力電池四大材料方面，上海杉杉、上海恩捷、深圳貝特瑞、蘇州捷力等公司的產能規(guī)模已居于世界前列。鋰離子動力電池龍頭寧德時代于2021 年7 月發(fā)布鈉離子電池，引起了行業(yè)轟動，其成本低，循環(huán)壽命長，安全性好的特點極有可能成為未來動力電池的主力。筆者的介紹不僅增加了學生的學習興趣，也使學生們的民族自豪感和自信心大為增強。學生對案例感興趣了，會順藤摸瓜主動去了解相關新能源材料的專業(yè)知識，從而大大提升學習的效果。

3 考核方式調整

作為最終考核成績的重要部分，傳統期末筆試的作用仍然無法取代。通過筆試，學生的課程聽講和課后復習都得到了加強。當然，筆試成績不能代表學生的學習綜合情況。如前所述，筆者在教學過程中，會讓學生根據自己的興趣愛好，就某一種新能源材料進行文獻資料查閱或實驗調研并進行歸納總結，并作為最終成績的一部分。這部分歸納總結的成績既加強了知識的鞏固，又培養(yǎng)了學生學術論文的寫作能力。這些報告中，有的學生介紹了二維片層材料作為電池負極材料的優(yōu)勢，有的學生介紹了鈾的碳/氮化合物作為第四代核燃料的發(fā)展趨勢，也有學生介紹了鈉離子電池的發(fā)展狀況等等。這其中不乏精彩之作，甚至作為綜述論文發(fā)表在了高水平學術期刊上。

4 結論

本文在新能源技術和材料快速發(fā)展的背景下，結合筆者多年來開展“新能源材料導論”本科生選修課的經驗，探討了“新能源材料導論”課程的內容設置優(yōu)化、教學方法改革、考核方式調整等內容，以增強學生的學習興趣，提升課程的教學質量和教學效果，并希望能對相關課程老師的教學有所啟發(fā)。