新工科背景下微項目式新能源專業實驗教學
——鋰離子電池實驗案例

吳 玨， 陳 昕， 成錦強， 莊智鵬， 王顯赫

（珠?？萍紝W院應用化學與材料學院，廣東 珠海 519041）

0 引 言

在國家“雙碳”政策支持下，新能源、新材料等國家戰略性新興產業快速發展，儲能電池、光伏電池等相關企業不斷涌現［1］。為適應當前新能源、新材料、節能環保、高端裝備制造等國家戰略性新興產業發展需求，由化學、材料、物理、電子、機械等多學科交叉，以能量轉換與存儲材料及其器件研究、設計、制備與應用為人才培養特色。

項目式學習（Project-Based Learning，PBL）目前已成為我國教育教學理論研究和教學實踐改革的重要途徑［2-4］。其核心是驅動性問題的設計、實施、管理、評估與反思。驅動性問題一般源于真實問題情境，在教師的科學合理設計下，衍生出一系列子問題以開啟項目式教學和PBL，激發學生進行持續的、有意義的探索性學習，使學生獲得通過科學研究或實踐創新進而解決問題的沉浸式學習體驗［5］。

近年來，國內教學研究者和一線授課教師圍繞PBL開展了探索性改革和教學實踐研究。然而，目前的PBL多以初高中課堂教學為主，PBL 在大學的研究較少，尤其是在高等教育工科類實驗課程的研究尚為欠缺。為此，本文以“新能源汽車動力電池續航”為情境，開展驅動性問題的設計和實施策略研究，對新能源材料與器件專業綜合實驗課程“鋰離子電池實驗”進行改革，以改善傳統重復性、驗證性實驗教學的弊端［6-8］。課程面向新能源材料與器件專業大三本科生開設。常見的項目式教學時間和學科跨度較大，本實驗課程結合課程目標及實際情況，采用微項目式教學模式展開。

1 實驗課程設置

新能源材料與器件專業綜合設計實驗是新能源材料與器件專業的重要實驗課程［9］。通過綜合實驗訓練，旨在使學生鞏固物理化學、新能源材料、電化學原理等專業課程基本理論，掌握多種電池器件的制造工藝和測試技術，初步具備新能源器件等相關產業領域的研究、開發能力。該綜合實驗課程開設有鋰離子電池、光伏電池、超級電容器等多項應用性實驗。單門實驗課程的時間為24 課時。在傳統教學模式下，綜合實驗課普遍存在著電池理論與實踐分離、實驗內容固化、上課形式單一等問題，由此導致學生參與實驗積極性不高，學生在學習過程中易產生“為什么要學”的疑問。對此，本文基于以學生為中心的教學理念和微項目式學習的教學模式［10］，以鋰離子電池實驗為例，對實驗開展涉及的各環節展開論述（見表1），以期為高等學校相關工科專業實驗課程的實踐教學改革提供參考。

表1 改革前后實驗教學模式比較

2 微項目式實驗教學

本課程改變傳統的教學模式，開展“以學生為中心”的微項目式實驗教學（見圖1）。實驗課程以學生為主體，教師僅作為實驗教學的引導者［11］。學生自主探索，分工合作、群策群力；教師主要引導、促進，在項目實施過程中與學生進行充分交流和探討。由此提高學生創新和合作能力，培養學生的創新精神和團隊精神。

圖1 微項目式實驗教學過程

2.1 教師設計驅動性問題，學生半自主擬定項目

教師團隊結合社會熱點問題及自身科研課題，設計驅動性問題（見圖2）。在日常生活中，新能源汽車動力電池的續航里程是許多用車家庭的痛點問題。新能源汽車續航里程有限影響高速行駛、冬季續航里程下降造成用車困難等。汽車續航里程是源自生活的真實場景，以真實生活痛點為驅動性問題設計，既涵蓋真實生活場景元素，又具有導向型、探索性和科學性，引導和驅動學生持續不斷地挖掘隱藏在生活痛點背后的科學問題，探索可行的解決方案或改進措施。

圖2 驅動性問題的設計

（1）學生的前期理論知識儲備。該實驗教學課程安排在大三下學期。此前，本科生已基本掌握了“物理化學”和“電化學原理”課程中，電池的結構、工作原理等理論知識框架，以及“新能源材料”和“電池材料與器件”課程中常見電池材料的結構與性能、電化學表征方法等理論知識框架，以及正極材料改性處理等應用方法。

（2）學生半自主擬定項目方案。教師引導學生以團隊形式針對驅動性問題及其子問題，通過線上文獻調研、小組討論等方式制定項目方案。學生選題可包括正極材料優化、隔膜改性、負極材料改進等方向。例如，針對新能源汽車續航里程問題，設計高能量正極材料（負極材料），提出隔膜改性提高電池能量密度等。在確定研究方向后，學生可結合理論課程、文獻檢索等方式制定詳細方案。教師在項目方案制定過程中僅作為引導者，通過審核學生團隊自主擬定方案、與學生基于實驗內容討論，對方案的可行性給予把關。

2.2 學生預實驗優化方案，教師線上線上混合式指導

教師指導學生以“預實驗”方式開展探究式實驗，獲得實驗重要參數。傳統實驗過程通常由教師告知學生具體實驗參數，學生根據講義內容“依葫蘆畫瓢”。在該實驗課程開展過程中，教師盡可能地讓每位學生參與到自行設計實驗具體步驟過程中，提高學生對綜合實驗的認知。

首先，開展線上預實驗，通過仿真教學加深學生對鋰離子電池材料制備及組裝的實驗操作的熟悉度。仿真教學可基于國家虛擬仿真實驗教學課程共享平臺的“鋰離子電池生產關鍵技術虛擬仿真項目”和“鋰離子電池正極材料制備及性能探究虛擬仿真實驗”展開。例如，鋰離子電池生產關鍵技術虛擬仿真項目，以鋰離子電池的制備和表征為主線，包括正極材料合成和表征、鋰離子電池制備、電池性能測試等七個虛擬仿真實驗模塊。學生通過觀看實驗流程視頻和參與仿真實驗，對實驗操作步驟進行提前“預熱”，對實驗過程有整體了解。

同時，課程還設有線下預實驗。例如，在鋰離子電池的電化學測試環節，僅告知學生電池充（放）電的安全電壓范圍，讓學生通過查詢儀器電壓量程，實驗觀察截止電壓數值大小對電池容量釋放影響等方式，自主設置充（放）電截止電壓。

通過線上與線下相結合的預實驗環節，有效培養學生自主探索、勇于創新的科學素養［12］。

2.3 師生實時互動交流，多維度推進項目實施

實驗過程采用互動式教學，包括“學生-教師”間互動、“學生-學生”間互動和“學生-社會”間互動3 種模式。

實驗開展過程中，教師通過線下“學生-教師”互動模式進行實驗指導。實驗開展前，教師分組查閱學生擬定的實驗方案，并與學生小組就主要問題展開討論，重點關注實驗研究對象是否合理、實驗步驟是否準確。同時，實驗操作過程中，引導學生面對實驗問題時，結合課堂理論知識、主動思考。例如，在涂漿時出現漿料無法涂布現象，引導學生回顧理論課程知識、分析前期操作過程，找到問題原因（包括球磨時間過長、環境濕度高），并指導學生優化實驗參數（調整球磨時間、降低環境濕度、縮短涂布時間）。再例如，電池組裝過程中，出現電池輸出電壓為零現象，引導學生思考操作過程是否存在不規范行為（電池組裝過程正極與負極接觸、隔膜破損等）造成短路。引導學生通過“實驗-問題-反思-驗證-實驗“的正反饋過程，綜合鍛煉分析能力、邏輯思維能力和動手能力。

2.4 學生項目成果匯報，教師反饋總結經驗

設計項目成果匯報環節，通過“線上與線下相結合”的“學生-學生”間和“學生-社會”間互動模式展示和討論項目結果。為了讓學生展示和分享項目成果和經驗，同時吸收來自其他團隊和教師的經驗和教訓。

匯報過程以“項目結題展示會”形式展開，并邀請本專業教師及電池企業工程師線上參與討論。學生以團隊形式開展項目匯報，從項目實施方案、實驗結果與分析、項目實施過程問題及其解決方案等多個方面進行組間展示在每個團隊展示完畢后，安排問答環節，鼓勵各團隊成員之間互動交流，分享經驗和思路。任課教師和線上人員（教師或工程師）給予專業點評，就學生的展示內容、演講能力、項目質量等，進行綜合評估和反饋。

該方法有效提高學生的積極性、表達能力和應變能力，同時考察學生在實驗過程中是否主動思考和掌握實驗要點。

3 微項目式教學對學生能力的培養

通過項目式的新型實驗課程教學模式，體現課程的“兩性一度”［13-14］，全方面培養新能源材料與器件專業學生的綜合能力。

3.1 自主設計實驗方案，培養創新意識

組織學生以團隊形式自主討論、制定項目方案，培養學生的科研創新意識。實驗課程通過教學內容和教學模式創新，打造“線上-線下”相結合的雙線教育。學生通過復習電池電化學性質及其組成等基本知識和閱讀科技論文，圍繞實驗課程的選題范圍，自主設計實驗探索的具體內容和步驟。綜合實驗課程結束后，學生還可通過大學生創新創業項目、學科競賽、畢業論文等途徑，在指導教師帶領下進入科研實驗室，結合科研實驗室的大型分析儀器，對電池相關課題進行更進一步的深入探索。

3.2 獨立分析實驗數據，塑造高階人才

引導學生團隊自主分析實驗數據，培養學生嚴謹、求實的科研素養。在實驗數據分析過程中，指導學生使用Origin等科學數據分析軟件分析電池的電化學性能數據。同時，學生可以結合多種結構及電化學表征方法多維度分析電池的綜合性能。例如，通過X 射線衍射（XRD）測試方法和Jade結構分析軟件，自主分析電化學過程中電極材料的結構演化規律；通過電化學阻抗譜（EIS）測試方法和Zview分析軟件，科學考察電池工作過程的鋰離子擴散路徑的演化過程；結合差示掃描量熱法（DSC）測試方法和分析軟件，了解探究電池材料的熱穩定性能等。通過本實驗數據的系統分析，使本專業學生掌握相關科學軟件應用、并培養學生的數據分析、演繹推導能力。

3.3 實驗環節綜合考量，提升挑戰高度

針對傳統教學“教學評價單一”問題，本實驗課程考核采取“學習效果和學習過程并重、終結性評價和過程性評價相結合”的多元評價模式，實時、全面地考核學生實驗效果。在實驗課程開展過程中，設計相應細致的考核評價表，盡可能考核每位學生處理分析實驗數據、項目展示會、撰寫實驗報告等多個環節。考核內容重在肯定學生在課程學習中的努力和進步，并及時將考核結果反饋給每位學生。各評價環節均有據可查，綜合考察學生的能力和態度，以及個性和提升幅度等因素，激勵學生將實驗課程學習的重心從實驗報告轉移至綜合能力素質的整體提升。

4 結 語

以珠海科技學院新能源材料與器件專業綜合設計實驗的“鋰離子電池”實驗課程教學為例，針對傳統教學模式存在問題，結合“學生為中心，理論聯系實際”

的教學理念，開展微項目式實驗教學，旨在緊跟新能源行業步伐、為本專業科研及企業生產輸送專業型人才。以上教學方式已面向珠海科技學院2021 級新能源材料與器件專業學生開展，經過實踐教學，學生反饋較好。當然，工科綜合實驗的教學改革是個任重而道遠的過程，需要不斷摸索前進。