能源材料課程教學改革探究

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2025）21-0145-05

DOI：10.19980/j.CN23-1593/G4.2025.21.032

Abstract：Torespond tothedemandforthecultivationofcompound talentsintheconstructionofnewengineering construction，aimingattheproblemsofdisconectionofteachingcontent，faultofpracticalabilityandsinglevaluationdiesion intheexperimentalteachingofEnergyMaterialscourse，thestudysystematicallconstructsafive-n-oneteachingmodeof\" problemorientation-practicereinforcement-industry-universityresearchlinkage-multipleevaluation-ideologicalandpolial integratin\".Thoughthereconstructionofthcuriculumsystem，thedesignofexperimentalactivities，theintegrationofindustry universityresearchtheinovationofevaluationmethods，andtheintegrationofideologicalandpoliticaleducation，students learningmotivationhasbeenefectivelystimulated，andstudents’inovativethinkingandpracticalabilityhaveben simultaneouslyenhanced.Thisstudyprovidesascalableteachingmodelforcuriculumconstructionandtalenttraininginthe field of energy materials.

Keywords：EnergyMaterials；innovativethinking；problem-orientedteaching;industry-academia-researchintegration；multiple evaluation

在全球變暖和化石燃料枯竭的雙重壓力下，新能源材料的應用和創新已成為實現社會可持續發展的核心課題。隨著新能源材料的迅速發展，太陽能、風能、氫能等清潔能源正在積極推動能源結構的調整。然而，能源材料的發展面臨產教錯位、技能人才缺失和學科融合不足等挑戰，阻礙了其進一步發展。

能源材料課程是以能源材料的基本理論、制備技術、應用性能和發展趨勢為主要內容的一門專業課程。課程的開設對于培養高層次科技人才，推動能源材料的創新和應用具有重要意義。結合內蒙古自治區發展需求，內蒙古大學于2019年開設了能源材料課程。然而，近年來隨著科技和能源的快速發展，能源材料課程也面臨一些問題，包括教學內容脫節：課程仍沿用2015年前教材，未涵蓋最新前沿技術（如鋰電池、固態電解質、鈣鈦礦太陽能電池等）；實踐能力斷層，實驗課局限于簡單的材料表征（如X射線衍射儀、掃描電子顯微鏡），缺乏電芯組裝與應用訓練；評價維度單一，課程仍以筆試主導，忽視工程文檔撰寫、跨學科協作等核心能力評估。因此，如何提升能源材料課程的教學質量和水平，協同促進學生創新思維與實踐能力，更好地滿足學生和社會發展的要求迫在眉睫。

針對上述問題，本研究以新工科教育理念為指導，通過“理論-實踐-創新\"全鏈條培養機制，重構“問題導向-實踐強化-產學研聯動-多元評價-思政融合\"五位一體的課程體系（圖1），探索協同培養學生創新思維與實踐能力的有效路徑。

問題導向教學

（1） 課程問題情境設計

基于能源材料的復雜性與前沿性，課程可以“學術會議”為背景設計相應的問題情境，引導學生完成以下調研（圖2）：首先，選擇一種可再生能源材料（如鋅離子電池電極材料），解析其結構、工作機制及實際應用。其次，針對所選擇的可再生能源材料，探討其在實際應用中可能遇到的問題和挑戰，以及可能的改進方向和解決方案。進一步，結合所學知識，提出一種新型的可再生能源材料設計方案，包括材料的選擇、結構設計、制備工藝等，并闡述其在能源領域的潛在應用前景。同時，考慮可再生能源材料的生命周期，探討其在生產、使用和廢棄處理過程中可能存在的環境和資源問題，提出可持續發展的建議和措施。最后，結合當前國際能源形勢和政策，分析可再生能源材料在未來能源發展中的地位，以及相關政策與市場影響。

針對上述問題，學生需進行大量文獻檢索、實驗數據分析和思考，這有助于培養學生解決問題的能力和創新思維。同時，這種由淺入深的情境設計也能夠增強學生對所學知識的理解和應用，為未來學術研究和工程實踐打下良好的理論基礎。

圖1能源材料課程五位一體教學模式

圖2能源材料課程問題情境設計流程

（二）教師角色轉變與學生學習效果評估

在傳統教學模式中，教師作為知識的單一輸出者，學生處于被動接受狀態，這種模式限制了學生自主學習能力和創新思維的發展。隨著教育理念的更新與教學技術的進步，教師角色急需向多元化轉變。教師不僅要成為知識的引導者，還應是學生學習過程的陪伴者和學習效果的評估者。

為全面了解學生學習情況，教師可要求學生制定定期個人學習計劃，詳細規劃每周學習內容、目標及時間安排，以此培養學生自主規劃學習的能力。同時，教師能據此把握學生學習節奏，提供針對性建議。學習日志也是重要工具，學生記錄學習心得、遇到的問題及解決思路，教師通過閱讀日志，深人了解學生思維過程，及時發現知識理解誤區和學習困難點，給予一對一指導。學習小組討論則為教師提供觀察學生協作能力、溝通能力和知識運用能力的機會，教師適時參與討論，引導學生深人思考，糾正錯誤觀點

評估學生綜合能力和創新能力時，項目作業要求學生以小組或個人形式完成特定能源材料項目，如設計新型電池材料制備方案，這能檢驗學生知識整合、實踐應用和創新思維能力。實踐報告讓學生總結實驗過程、結果和結論，鍛煉其科學寫作和邏輯思維能力，教師從實驗設計合理性、數據準確性和結論可靠性等多方面評估。對于學術論文，教師指導學生選擇前沿課題進行研究，從文獻查閱、實驗設計到數據分析和論文撰寫全程參與，評估學生學術研究潛力和對學科前沿的把握能力，為學生未來學術發展奠定基礎。

二 實驗室實踐

（1） 實驗活動設計

除了理論學習，還需設計相應的基于能源材料的實驗室實踐活動，培養學生的動手能力。在此過程中，實驗室活動需要綜合考慮實驗的目的、內容、步驟和評估方法。以“水系功能電解液設計與鋅枝晶抑制研究”為例，能源材料課程的實驗活動可分為功能電解液的制備與物化性能測試、功能電解液的電化學性能評估、鋅電沉積形貌分析、虛擬仿真實驗設計以及電池器件應用場景設計五個層面。具體地，對于功能電解液的制備與物化性能測試實驗，可在基礎電解液中引入一些功能添加劑，例如文獻中報道的乙醇4-吡啶甲酰胺、三氟甲磺酸鑭等。學生可以親自操作實驗步驟，掌握電解液的配置技術，并通過測試實驗來評估電解液的基礎物理化學性能，如離子電導率、電化學窗口、離子遷移數和腐蝕行為等。對于功能電解液的電化學性能評估實驗，可進行水系電池的組裝與測試，如循環性能、倍率性能、庫倫效率和自放電性能等。學生可以通過實際操作來了解水系鋅離子電池的工作原理，探究能源轉換過程中的能量轉化效率，并通過實驗數據進行分析與評估電池的儲能狀態。對于鋅電沉積形貌分析實驗，讓學生在學習各種材料表征技術（如掃描電子顯微鏡、X射線衍射儀、原位光學顯微鏡等）的基礎上，了解鋅電沉積行為。對于虛擬仿真實驗設計實驗，學生可通過模擬軟件深人揭示功能添加劑的作用機制，強化對知識點的理解。對于電池器件應用場景設計實驗，學生可通過組裝的水系鋅離子電池給各種微型電子設備供電，使其運行，激發學生的探索興趣。具體實施案例可設置如下。

4虛擬仿真實驗設計

分子動力學模擬作為一種強大的計算模擬技術，能夠在原子尺度上對功能電解液的微觀結構進行深入探究。在這里，可引導學生完成功能電解液的微觀結構模擬。通過對模擬軌跡的分析，能夠清晰地觀察到溶劑化結構，如鋅離子周圍的溶劑化殼層組成、配位數以及離子與溶劑分子間的相互作用模式等，進而深入理解功能電解液的微觀結構特征及其對鋅枝晶抑制的內在機制。在此基礎上，進一步指導學生借助COMSOL模擬軟件模擬電解液中離子在電池充放電過程中的傳輸行為，包括離子在電解液中的擴散和遷移，計算離子濃度分布和電流密度分布，強化學生對電解液作用機制的理解8。

5電池器件應用場景設計

在教學環節中，可增加水系鋅離子電池驅動小型電子器件工作的驗證環節，激發學生的興趣。當學生親手參與到水系鋅離子電池的組裝與測試過程，通過不斷調整電池的各項參數，如電極材料、電解液成分等，最終成功驅動小型電子器件（如LED燈、微型計算器、小型風扇等）工作，會獲得強烈的成就感。這種從理論到實踐，再到實際應用的完整過程，能讓學生深刻體會到科研的魅力，激發他們對科研的好奇心與探索欲。

通過這種系統的科研訓練，不僅可以激發學生的學習興趣，還可以提升學生科研素養。同時，在實驗活動結束后，可采用多種評估方式。除了通常采用的實驗報告評估方式，還可通過口頭答辯的方式，讓學生對實驗結果進行解釋和討論，檢驗他們對實驗原理和結果的理解。此外，還可通過實驗成果展示或者小組討論的方式來評估學生的綜合能力和團隊合作能力。

（二）學生參與度提升與教師培訓

學生參與度提升和實驗室教師培訓是實驗室教學中十分重要的兩個方面（圖3）。從學生參與度角度，在提供實驗室技能培訓的基礎上，教師通過提出問題、組織小組討論、展示實驗成果以及引入現代教學技術等互動式教學方式，激發學生的興趣。進一步地，設計啟發式實驗活動，讓學生設計實驗方案、解釋實驗現象、提出實驗改進方案等，從而激發學生的學習興趣和主動性。此外，還可提供豐富的實驗項目選擇，讓學生根據自已的興趣選擇適合的實驗項目，增加學習的投人和積極性。

三產學研深度融合

（一） 校企協同育人

能源材料課程的產學研結合有助于促進人才培養與產業需求對接，培養更符合行業發展需求的專業人才，促進科研成果的轉化應用、產業技術升級和產業結構優化。首先，學?；驅W院可與企業建立聯合研究中心或基地，共同開展科研項目、技術研發和人才培養（如讓企業工程師參與畢業設計指導）等活動。在此基礎上，實施產學研合作項目，深化合作深度，促進科研成果轉化，提高學生創造積極性。此外，進一步開展實習實訓基地合作，進行相應能源技能培訓（如在電芯裝配、分容檢測、模組封裝等工序讓學生累計完成產線輪崗），培養學生的實踐能力[]。

（二）科研成果反哺教學

將國內外學者在能源材料領域取得的進展（如科技論文、專利、競賽獲獎等）在課堂進行講解和演示，強化學生對能源相關材料的理解，激發學生創造的積極性。如將陳軍院士課題組在Angewandte ChemieInterna-tional Edition 發表的“Designing anion-type water-freeZn²⁺ solvation structure for robust Z_n metal anode”論文作為案例進行講授。在此基礎上，可進一步設計開放性課題“功能保護層對鋅枝晶生長的影響機制研究”，引導學生主動嘗試創新。類似的案例可在鈣鈦礦太陽能電池、光催化 CO₂ 、電解水等能源材料領域進一步拓展。

四 多元評價體系

（一） 評價方式設計

為全面考察學生的知識掌握程度、實踐能力和創新能力，能源材料課程可考慮設計如下評價方式： ① 項目實踐評價，如設計能源材料相關的實驗方案、進行材料制備與測試、解決實際能源材料應用問題等。評價方式可采取項目報告、項目成果展示和答辯等。實施時可以設置實踐項目，鼓勵學生團隊合作，指導學生進行實驗操作、數據分析和成果展示[3]。 ② 課堂互動評價，如小組討論、問題解答、案例分析等，考察學生對于能源材料知識的理解和應用能力。實施時可以設置針對性的問題或案例，引導學生進行討論和思考。 ③ 實驗操作評價，考察學生的實驗設計能力、操作技能和數據處理能力。實施時可以設置具有挑戰性的實驗項目，指導學生進行實驗操作和數據處理。 ④ 學術論文評價，鼓勵學生基于學術論文深入研究和探討前沿問題。實施時可以指導學生進行文獻綜述、實驗設計和數據分析，撰寫學術論文。 ⑤ 開放式問題解答評價，通過設計開放式問題，鼓勵學生進行獨立思考和解答。實施時可以提供具有挑戰性的問題，引導學生進行獨立思考和解答。

具體評價方式可以結合課程教學目標和學生實際情況進行組合，以全面考察學生的知識水平、實踐能力和創新能力，具體評價指標和權重見表1。在實施過程中，需給予學生充分的指導和支持，鼓勵學生積極參與，形成良好的評價氛圍。

表1課程評價維度與權重分配

（二） 評價反饋與改進

課程評價可通過多種方式和角度對學生進行評價，包括考試成績、課堂表現、實驗報告等。評價完成后，需要依據評價結果進行針對性改進。首先，教師通過分析學生的評價結果，把握學生的學習水平和特點。其次，基于評價結果發掘存在的問題，幫助學生克服學習中的困難，提出針對性策略，制定相應學習計劃，提高學習效果。同時，基于評價結果教師需對課程內容和教學方法進行針對性調整和改進，使教學更加貼近學生的實際需求。最后，建立“評價一反饋一改進\"閉環機制，形成“以評促學、以評促教\"的良性循環。

五思政元素融合

在能源材料課程教學改革中融人思政教育，是落實立德樹人根本任務、培養全面發展人才的重要舉措。能源材料的發展歷程蘊含著深厚的愛國情懷與艱苦奮斗精神。以我國鋰離子電池產業為例，早期國內鋰離子電池技術嚴重依賴進口，關鍵材料和核心技術被國外企業壟斷。在這種困境下，我國科研人員懷揣著科技報國的信念，從零開始，刻苦鉆研。例如，陳立泉院士在資金短缺、實驗設備簡陋的情況下，依然堅持不解地進行技術攻關。此后，在國內首先研制成功鋰離子電池，解決了鋰離子電池規模化生產的科學技術與工程問題，并實現了鋰離子電池的產業化。如今，我國鋰離子電池技術已全球領先，儲能電池產銷量穩居世界第一。通過講述這樣的案例，能激發學生的愛國熱情和民族自豪感，培養他們勇于面對困難、敢于創新的精神，讓學生明白個人的科研努力與國家發展緊密相關。

同時，能源材料的應用與社會可持續發展息息相關，這是思政教育的重要切入點。在講解太陽能材料時，可以引入內蒙古自治區部分地區利用太陽能光伏扶貧的案例。該地區曾經因地理位置偏遠、自然條件惡劣，經濟發展滯后。后來，政府與企業合作，在當地大規模建設太陽能光伏電站。一方面，光伏電站的建設為當地提供了大量就業崗位，使貧困群眾實現家門口就業，增加了收入；另一方面，通過光伏發電產生的收益，改善了當地的基礎設施，如修建學校、醫院和道路等。同時，太陽能作為清潔能源，在使用過程中幾乎不產生碳排放，對當地生態環境起到了很好的保護作用。這個案例讓學生深刻認識到能源材料在解決社會問題、推動可持續發展中的重要作用，培養學生的社會責任感和環保意識，引導學生樹立正確的價值觀，思考如何運用所學知識為社會創造更大價值。

此外，在能源材料課程的實驗教學環節，也可以融入思政元素。比如在進行電池材料性能測試實驗時，要求學生如實記錄實驗數據，培養學生的科學精神和誠信品質。實驗過程中，當遇到實驗結果不理想的情況，鼓勵學生像科研前輩一樣，不氣餒、不造假，認真分析原因，尋找解決問題的方法。同時，在小組實驗中，強調團隊協作的重要性，讓學生學會傾聽他人意見，發揮各自優勢，共同完成實驗任務，培養學生的團隊合作精神。

通過在課程中融入這些思政內容，將專業知識與思政教育有機結合，不僅能幫助學生更好地掌握專業知識，還能培養學生的品德修養和社會責任感，為能源材料領域培養出更多德才兼備的高素質人才，助力我國能源事業的可持續發展。

六結束語

本研究通過構建“問題導向-實踐強化-產學研聯動-多元評價-思政融合\"五位一體的教學模式，系統優化了能源材料課程的教學體系。實踐表明，基于問題鏈的探究式學習有效激發了學生的創新思維，校企協同的實踐平臺顯著提升了工程實踐能力，而多元評價機制則全面強化了學生的綜合素養。然而，當前仍存在數字化資源整合不足、國際工程認證對接滯后等問題。未來將重點推進以下工作：一是構建能源材料基因數據庫與虛擬仿真實驗平臺，實現理論教學與前沿技術的動態銜接；二是對標國際工程認證標準，優化課程質量評價體系；三是深化人工智能在教學中的應用，開發自適應學習系統，推動個性化培養；四是拓展國際校企合作網絡，引入海外優質資源，提升人才培養的全球競爭力。通過持續迭代與創新，為新工科背景下能源材料領域的高端人才培養提供示范性解決方案。

參考文獻：

[1]李娟，朱繼平，覃玲“儲能材料與技術\"課程建設探索[J]科技風，2025（2）：11-13.

[2]劉萌，周雪飛，蔡世昌，等.新能源材料與器件課程教學改革的探討[J].河南化工，2025，42（1）：57-59.

[3]趙衛光，關英.問題導向的有機化學實驗翻轉課堂教學模式與學生創新精神培養方法[J]化學教育，2023，44（24）：43-50.

[4]BAOKK，WANGMH，ZHENGY，etal.Constructionoflowdielectricaqueouselectrolytewith ethanol forhighlysta-ble Zn anode[J].Nano Energy，2024，120：109089.

[5]LIMJ，CAO Y J，HUANG SF，et al. Tandem desolvationeffectenables highly reversible Zn metal anodes [J].ChemicalEngineering Journal，2024，498：155210.

[6] HOU WP，GAO Y L，HUANG SF，et al.Tailoring theelectrode interface microenvironment to stabilize Zn metal an-ode[J].Small，2025，21：2404743.

[7]許真銘，劉慶生，陳江安.MaterialsStudio軟件在計算化學和計算材料學課程教學中的應用[J].大學化學，2024，39（1）：332-339.

[8]李校磊，高健，周偉東，等.COMSOLMultiphysics在鋰離子電池中的應用[J].儲能科學與技術，2024，13（2）：546-567.

[9]金首文，吳鈺玖，高興軍，等.新工科背景下基礎化學教學改革與實踐[J].高教學刊，2025，11（6）：152-155.

[10]馬晉文，孟慧峰，張研研.新能源材料與器件創新能力培養教改探索[J].教育現代化，2018，5（11）：60-61，68.

[11]鞠銀燕，宋杰光，徐明晗，等.工程應用型人才創新能力培養的探索與實踐[J]教育現代化，2017，4（2）：1-2，14.

[12] ZHANG Q，MA YL，LU Y，et al. Designing anion-typewater-free Z_n²⁺"solvation structure for robust Zn metal anode[J].Angewandte Chemie International Edition，2O21，60（43），23357-23364.

[13]李建斌，任玉榮，戚燕俐，等．新能源專業人才培養模式研究——以常州大學材料科學與工程學院為例[J]造紙裝備及材料，2023，52（7）：222-224.