新工科背景下“新能源材料”研究生課程教學(xué)探討

張友魁

（西南科技大學(xué)國(guó)防科技學(xué)院 四川 綿陽(yáng) 621010）

從人類對(duì)火的利用和控制開始，每一種能源的發(fā)現(xiàn)與利用，都成為推動(dòng)人類文明發(fā)展變遷的重要因素之一。人類的日常生活生產(chǎn)活動(dòng)已無(wú)法離開能源，并且對(duì)能源提出了越來越高的需求。如今，隨著“雙碳”目標(biāo)的全面展開，提高傳統(tǒng)化石能源的利用效率與開發(fā)多種形式的新能源并推廣應(yīng)用，推動(dòng)了全球能源加快轉(zhuǎn)型。其中，新能源技術(shù)得以推廣應(yīng)用的關(guān)鍵在于所要用到的材料。這些材料根據(jù)新能源分類主要包括氫電池材料、鋰離子電池材料、燃料電池材料、太陽(yáng)能電池材料以及反應(yīng)堆核能材料等，統(tǒng)稱為新能源材料[1]。

隨著新能源領(lǐng)域的興起，培養(yǎng)國(guó)家建設(shè)和新能源發(fā)展所需的具有創(chuàng)新能力的高層次人才成為我國(guó)高校的重要目標(biāo)之一。“新能源材料”作為一門為能源動(dòng)力、材料工程等專業(yè)碩士研究生開設(shè)的專業(yè)選修課程，融合交叉了能源、材料、物理、化學(xué)等多個(gè)學(xué)科的內(nèi)容[2]。該課程旨在讓學(xué)生了解新能源材料的類型、基本性質(zhì)和常規(guī)生產(chǎn)制備方法，理解新能源材料所要解決的任務(wù)及面臨的挑戰(zhàn)、當(dāng)前研究現(xiàn)狀和未來發(fā)展前景[3]。該課程的教學(xué)任務(wù)與目的是使學(xué)生擴(kuò)大專業(yè)知識(shí)面，培養(yǎng)具備設(shè)計(jì)新能源材料、探索新的生產(chǎn)工藝等創(chuàng)新能力的高水平專業(yè)人才，為將來從事相關(guān)技術(shù)工作打下初步基礎(chǔ)。

本文以西南科技大學(xué)“新能源材料”課程為例，基于本課程在授課實(shí)踐中所遇到的問題，探討了該課程的教學(xué)方式方法的改革探索、學(xué)生興趣的激發(fā)以及對(duì)學(xué)習(xí)成效的考核方式創(chuàng)新等方面，以獲得適用于我校材料工程、能源化學(xué)工程、能源動(dòng)力等專業(yè)碩士研究生的“新能源材料”課程教學(xué)模式，提高教學(xué)質(zhì)量。

1 課程介紹

“新能源材料”是西南科技大學(xué)為材料工程、能源化學(xué)工程、能源動(dòng)力等專業(yè)碩士研究生開設(shè)的一門專業(yè)課，主要學(xué)習(xí)太陽(yáng)能、鋰電池、核能等高性能綠色能源在轉(zhuǎn)化利用過程中所涉及的關(guān)鍵材料，重點(diǎn)介紹新能源材料的類型及其設(shè)計(jì)與制造方法。該課程開設(shè)于碩士研究生一年級(jí)上半學(xué)期，此階段的學(xué)生已經(jīng)通過本科基礎(chǔ)課程的學(xué)習(xí)，具備了材料、化學(xué)、物理等領(lǐng)域的基本理論知識(shí)。“新能源材料”課程的教學(xué)任務(wù)與目的是使學(xué)生掌握鋰離子電池關(guān)鍵正負(fù)極材料、以質(zhì)子交換膜型和中溫固體氧化物為代表的燃料電池材料、硅半導(dǎo)體材料為代表的太陽(yáng)能電池材料以及鈾、氘、氚為代表的反應(yīng)堆核能材料的相關(guān)知識(shí)及應(yīng)用。擴(kuò)大專業(yè)知識(shí)面，為將來從事相關(guān)技術(shù)工作打下初步基礎(chǔ)。新能源材料交叉能源、材料、物理、化學(xué)等多個(gè)學(xué)科，擬培養(yǎng)具備新能源材料專業(yè)基本知識(shí)，掌握新能源材料結(jié)構(gòu)分析方法與性能測(cè)試技術(shù)，了解學(xué)科發(fā)展方向，有能力開發(fā)設(shè)計(jì)新能源材料、探索新的生產(chǎn)工藝的高水平創(chuàng)新人才[4]。

“新能源材料”課程內(nèi)容涵蓋面廣、涉及知識(shí)緊跟時(shí)代前沿，然而，有限的課堂學(xué)時(shí)使教師在每堂課上都需要講授大量的知識(shí)信息，大部分學(xué)生在課堂有限的時(shí)間內(nèi)難以消化吸收課堂內(nèi)容。此外，“新能源材料”課程缺乏實(shí)踐實(shí)驗(yàn)操作，而選課學(xué)生的研究通常只涉及新能源材料中的一種或兩種類型，并不能讓所有學(xué)生對(duì)所學(xué)內(nèi)容產(chǎn)生興趣或?qū)W習(xí)動(dòng)力，導(dǎo)致學(xué)習(xí)效果不佳。

2 課程內(nèi)容與教學(xué)目標(biāo)

新能源材料涵蓋的內(nèi)容涉及能源、材料、物理、化學(xué)等學(xué)科、而且能源與材料的知識(shí)更新速度快。由于課程的這些特殊性，要求學(xué)生在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)能夠了解新能源材料的概念，理解新能源材料的基礎(chǔ)、掌握新能源材料應(yīng)用現(xiàn)狀及未來發(fā)展方向存在一定的難度。因此，合理分配教學(xué)課時(shí)和設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容對(duì)于本課程的教學(xué)非常重要。新能源材料根據(jù)新能源的分類，可以分為太陽(yáng)能電池材料、儲(chǔ)能電池材料、燃料電池材料、核能材料等。鑒于本課程是碩士研究生的專業(yè)選修課，選修學(xué)生具有一定的材料、化學(xué)等學(xué)科背景，因此須對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行選取，突出重點(diǎn)，緊跟學(xué)科發(fā)展前沿設(shè)置教學(xué)內(nèi)容。“新能源材料”課程涉及的教學(xué)內(nèi)容主要包括以下幾個(gè)方面。

2.1 新能源材料概念

從新能源的概念出發(fā)，介紹新能源的種類、特點(diǎn)、用途及發(fā)展歷程，引出新能源材料的概念、新能源材料基礎(chǔ)和新能源材料的應(yīng)用現(xiàn)狀。主要介紹新能源材料的基礎(chǔ)、類型和應(yīng)用前景，使學(xué)生掌握新能源材料的基本概念與種類，了解常見的新能源材料及其應(yīng)用現(xiàn)狀，并與學(xué)生開展討論，分析新能源材料發(fā)展面臨的任務(wù)及困難。

2.2 太陽(yáng)能電池材料

這部分主要圍繞太陽(yáng)能電池材料進(jìn)行講述，從太陽(yáng)能電池的工作原理出發(fā)，介紹太陽(yáng)能電池中的硅材料、非晶硅、碲化鎘等材料基礎(chǔ)，簡(jiǎn)略介紹非晶硅太陽(yáng)能電池材料基礎(chǔ)與應(yīng)用，重點(diǎn)介紹硅太陽(yáng)能電池制造工藝、太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、提高太陽(yáng)能電池效率的途徑等，并討論太陽(yáng)能電池材料的應(yīng)用。

2.3 儲(chǔ)能電池材料

這部分從鉛酸電池的工作原理出發(fā)，簡(jiǎn)要介紹儲(chǔ)能電池技術(shù)與應(yīng)用，詳細(xì)講解鉛酸電池及材料、鎳錳酸鋰電池及材料、鋰離子電池及材料等。重點(diǎn)圍繞鋰離子電池的工作原理，講解鋰離子電池正、負(fù)極材料、隔膜材料、電解質(zhì)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)，與學(xué)生討論我國(guó)新能源汽車的發(fā)展與產(chǎn)業(yè)鏈。

2.4 燃料電池材料

主要介紹燃料電池技術(shù)的工作原理及其應(yīng)用，簡(jiǎn)要介紹基于堿性、磷酸鹽、熔融碳酸鹽及固體氧化物等系統(tǒng)的燃料電池基礎(chǔ)與應(yīng)用，重點(diǎn)講授質(zhì)子交換膜燃料電池材料及其應(yīng)用。通過課堂討論理解各種燃料電池材料的特點(diǎn)、技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)以及提高質(zhì)子交換膜燃料電池催化劑壽命的方法。

2.5 其他新型能源材料

這部分主要介紹核能、風(fēng)能、潮汐能等其他類型的新能源及其中應(yīng)用的材料，重點(diǎn)介紹核能的工作原理，詳細(xì)介紹核裂變、核聚變、核反應(yīng)堆、核電站以及核能衍生的核技術(shù)，課堂討論核能的歷史及巨大的發(fā)展遠(yuǎn)景。

課程的教學(xué)目標(biāo)是使學(xué)生通過本課程的學(xué)習(xí)，能夠了解新能源材料的基礎(chǔ)知識(shí)和應(yīng)用領(lǐng)域，掌握新能源材料生產(chǎn)工藝技術(shù)，具有新能源材料設(shè)計(jì)和研究能力，為將來從事新能源和材料開發(fā)領(lǐng)域的工作提供一定的基礎(chǔ)知識(shí)儲(chǔ)備。通過本課程的學(xué)習(xí)，要求學(xué)生能從知識(shí)、能力和素質(zhì)三個(gè)方面達(dá)到了解新能源材料的基礎(chǔ)與應(yīng)用方面的基礎(chǔ)知識(shí)、掌握初步的功能材料研究和設(shè)計(jì)能力、提高人際交往與團(tuán)隊(duì)意識(shí)等三個(gè)方面的目標(biāo)。

3 教學(xué)方法與考核方式改革探索

“新能源材料”課程涉及的學(xué)科領(lǐng)域多、知識(shí)點(diǎn)廣泛，且選課學(xué)生已經(jīng)具有相關(guān)的知識(shí)基礎(chǔ)儲(chǔ)備，因此，在有限的課程學(xué)時(shí)內(nèi)，不適合深入展開講解細(xì)節(jié)知識(shí)點(diǎn)。在教學(xué)過程中，除了由老師進(jìn)行傳統(tǒng)的課堂講授外，還需要利用多媒體開展案例式、研討式等多種方式融合的教學(xué)方法。隨著網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的快速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)資源的使用，可以以豐富的多媒體課件，使課件實(shí)現(xiàn)文、圖、視頻并茂，有助于激發(fā)學(xué)生興趣，有利于學(xué)生掌握教學(xué)內(nèi)容。

網(wǎng)絡(luò)資源的使用，可以在教學(xué)過程中引入典型案例進(jìn)行分析，將理論聯(lián)系實(shí)際，抽象的教學(xué)內(nèi)容具體化，從而進(jìn)行案例式教學(xué)。這種教學(xué)方式能夠開闊學(xué)生思路，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行互動(dòng)或討論。以太陽(yáng)能電池材料為例，在講授這部分內(nèi)容時(shí)，除了講授太陽(yáng)能電池材料的工作原理、材料類型等基礎(chǔ)知識(shí)，還可以結(jié)合國(guó)內(nèi)外最新科研前沿引入太陽(yáng)能電池材料的研究案例，從材料的設(shè)計(jì)合成、表征分析、性能測(cè)試等方面展開太陽(yáng)能電池材料的研究關(guān)鍵技術(shù)和發(fā)展難點(diǎn)，再引出太陽(yáng)能電池的應(yīng)用實(shí)例，引導(dǎo)學(xué)生討論太陽(yáng)能電池材料的改進(jìn)方向以及潛在的未來應(yīng)用前景，從而培養(yǎng)學(xué)生聯(lián)系實(shí)際、發(fā)現(xiàn)問題和思考問題的能力。

此外，由于授課學(xué)生為材料、化學(xué)、能源等領(lǐng)域的碩士研究生，學(xué)生除了必要的課程學(xué)習(xí)外，主要的精力都投入到學(xué)術(shù)研究之中。要做好學(xué)術(shù)研究，查閱文獻(xiàn)資料、撰寫研究論文、開展學(xué)術(shù)匯報(bào)是研究生培養(yǎng)過程中必不可少的訓(xùn)練內(nèi)容。因此，在“新能源材料”課程的授課過程中，教師可以根據(jù)授課內(nèi)容設(shè)置多個(gè)研究方向的系列專題，學(xué)生根據(jù)自己的研究方向和興趣進(jìn)行專題選擇，利用課后時(shí)間完成文獻(xiàn)資料調(diào)研并制作成PPT，在相應(yīng)內(nèi)容的授課課堂上進(jìn)行調(diào)研報(bào)告分享。通過全體學(xué)生對(duì)每次分享的內(nèi)容進(jìn)行點(diǎn)評(píng)與討論，活躍學(xué)生思維，開闊學(xué)生視野，激發(fā)學(xué)習(xí)熱情。

考核是檢驗(yàn)學(xué)生學(xué)習(xí)情況的必要環(huán)節(jié)，能有效檢查學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解和掌握情況，是評(píng)定學(xué)習(xí)成績(jī)、持續(xù)改進(jìn)教學(xué)方法、提高教學(xué)質(zhì)量的必要手段[5]。目前“新能源材料”課程的考核方式主要采取平時(shí)成績(jī)和期末成績(jī)的百分制加和，平時(shí)成績(jī)主要以平時(shí)客觀題作業(yè)為主，期末成績(jī)?nèi)Q于期末考試卷面成績(jī)。但生硬、陳舊的考試內(nèi)容具有較大局限性，難以避免抄襲作弊等情況，不能反映學(xué)生的綜合能力。

因此，為了適應(yīng)新工科建設(shè)要求，培養(yǎng)具有優(yōu)秀創(chuàng)新能力的復(fù)合型人才，我們探索采用多元化的考核方式來評(píng)判學(xué)生的綜合學(xué)習(xí)能力。圍繞課程大綱涉及的知識(shí)點(diǎn)，注重對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)過程的評(píng)價(jià)，主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行改革：一是平時(shí)作業(yè)以主觀題和調(diào)研題為主，考查學(xué)生平時(shí)主動(dòng)學(xué)習(xí)、積極思考以及資料調(diào)研的能力。二是通過課堂分享內(nèi)容的豐度、深度以及與其他學(xué)生討論互動(dòng)的情況，考查學(xué)生多媒體制作、語(yǔ)言表達(dá)、自我展示等方面的能力。該環(huán)節(jié)還能夠培養(yǎng)學(xué)生的研究興趣、樹立學(xué)生自信心、拓寬學(xué)術(shù)視野，提高學(xué)生分析問題的能力。三是在期末考試中，設(shè)計(jì)更多靈活開放的題目，讓學(xué)生在答題過程中思考如何利用所學(xué)知識(shí)來解決能源問題，同時(shí)能夠?qū)ξ磥淼哪茉葱枨蠛筒牧显O(shè)計(jì)提出自己的創(chuàng)新方案。該環(huán)節(jié)不僅能夠考查學(xué)生創(chuàng)新思維、多學(xué)科知識(shí)交叉應(yīng)用的能力，還能夠引導(dǎo)學(xué)生對(duì)本領(lǐng)域的未來發(fā)展趨勢(shì)有自己的獨(dú)立思考，真正做到學(xué)以致用。

這幾點(diǎn)關(guān)于教學(xué)過程和考核方式的改革，更加注重對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)過程的全方位培養(yǎng)與考查，能夠督促學(xué)生在短時(shí)間內(nèi)查閱大量文獻(xiàn)，學(xué)會(huì)從海量信息中進(jìn)行篩選、分析和總結(jié)。學(xué)生得益于平時(shí)考核的過程，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)自己的不足，改進(jìn)學(xué)習(xí)方法，培養(yǎng)專業(yè)知識(shí)總結(jié)和應(yīng)用的能力。同時(shí)，教師也能從這種考核過程中發(fā)現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)存在的問題，將有利于持續(xù)改進(jìn)教學(xué)方法，提高教學(xué)質(zhì)量。

4 結(jié)語(yǔ)

“新能源材料”是一門面向材料、化學(xué)、能源等領(lǐng)域碩士研究生開設(shè)的重要專業(yè)課程，以培養(yǎng)具有專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)和創(chuàng)新能力的新能源領(lǐng)域復(fù)合型人才為目標(biāo)。在新工科背景下，通過改變傳統(tǒng)的教學(xué)模式，以學(xué)生學(xué)習(xí)過程為主，探索有效的課堂教學(xué)和考核方式，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考、分析問題和解決問題的能力，提高創(chuàng)新精神，為新能源領(lǐng)域培養(yǎng)國(guó)家和社會(huì)需要的創(chuàng)新人才。