蔣青青，黎永秀

(中南民族大學(xué) 化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430074)

隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和人口增長，資源短缺、能源危機(jī)、環(huán)境污染等問題日益尖銳，新能源材料與技術(shù)的突破與否成為解決能源危機(jī)與環(huán)境污染的關(guān)鍵，新能源技術(shù)成為當(dāng)前社會(huì)最具有戰(zhàn)略意義的領(lǐng)域之一。太陽能、風(fēng)能、新型二次電池、儲(chǔ)能電池等新能源產(chǎn)業(yè)在國民經(jīng)濟(jì)中的地位日益攀升。近年來，基于晶體硅的太陽能電池，基于鋰電池、燃料電池、鎳氫電池的新能源汽車產(chǎn)業(yè)都在我們國家得到了蓬勃發(fā)展，新能源相關(guān)領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)甚至走在世界前列，但核心技術(shù)依然受控于歐美發(fā)達(dá)國家，這嚴(yán)重制約著我國新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

目前，知名工科院校已陸續(xù)開設(shè)新能源材料與器件專業(yè)，新能源材料相關(guān)課程，以便滿足新能源產(chǎn)業(yè)對(duì)相關(guān)專業(yè)人才的需求。材料的發(fā)展對(duì)于提升新能源器件的效率至關(guān)重要，因此培養(yǎng)新能源材料的人才是十分必要和緊迫的。此外，知名院校及研究所從事新能源研究的人員也日益增多，選擇繼續(xù)深造讀研究生的學(xué)生也需要掌握相關(guān)知識(shí)。本校應(yīng)用化學(xué)專業(yè)開設(shè)《新能源材料》課程的目的在于：拓寬學(xué)生的視野、更新學(xué)生的能源知識(shí)體系、培養(yǎng)能夠從事新能源材料及其器件開發(fā)、研究的高素質(zhì)人才。

新能源課程涉及材料、物理、化學(xué)、電子、機(jī)械等多交叉學(xué)科內(nèi)容，各高校一般依托自己的辦學(xué)特點(diǎn)來設(shè)置該課程教學(xué)內(nèi)容的側(cè)重點(diǎn)，有側(cè)重電子工程、電化學(xué)工程的，也有側(cè)重化學(xué)化工、材料學(xué)科的，本校應(yīng)用化學(xué)專業(yè)根據(jù)自己的培養(yǎng)特點(diǎn)，主要側(cè)重于化學(xué)與材料部分。目前該課程交叉明顯、教學(xué)內(nèi)容尚無系統(tǒng)、現(xiàn)成的經(jīng)驗(yàn)可以借鑒。本文作者在教學(xué)期間，學(xué)生反映該課程內(nèi)容過于繁雜，深度不夠，學(xué)習(xí)起來有一定難度，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)積極性不高。根據(jù)本專業(yè)教學(xué)大綱的設(shè)置，《新能源材料》學(xué)時(shí)有限，只有 32 學(xué)時(shí)，課程學(xué)時(shí)較短而需要講授的內(nèi)容卻十分復(fù)雜，如何整合教學(xué)內(nèi)容，改進(jìn)教學(xué)方法，盡可能的提升學(xué)生學(xué)習(xí)的積極主動(dòng)性，讓學(xué)生愛上這門略顯枯燥而又非常主要的新能源材料課程呢，這是擺在我們面前亟待解決的問題。本文結(jié)合筆者講授新能源材料課程的體會(huì)，初步探討了該課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和考核方式的優(yōu)化和改革。結(jié)合《新能源材料技術(shù)》課程特色研究制定符合本課程實(shí)際應(yīng)用和科研需求的特色專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)。

1 整合教學(xué)內(nèi)容

由于新能源材料是新設(shè)課程，已經(jīng)出版的參考書相對(duì)較少且內(nèi)容有待完善，因而，任課教師對(duì)該課程教學(xué)內(nèi)容的選擇至關(guān)重要，筆者將授課內(nèi)容分成緒論、材料物理基礎(chǔ)、燃料電池、鋰離子電池、太陽能電池、并輔以介紹生物質(zhì)能源等其他新能源形式。緒論部分主要介紹各類新材料的出現(xiàn)對(duì)于人類文明發(fā)展的影響，例如半導(dǎo)體硅材料的出現(xiàn)，引發(fā)了近五十年的工業(yè)革命，讓同學(xué)認(rèn)識(shí)到人類利用材料的歷史，就是一部人類進(jìn)化的歷史；介紹世界能源結(jié)構(gòu)和現(xiàn)狀、中國能源現(xiàn)狀及面臨的問題等入手，從而引入新能源的概念、分類、特點(diǎn)、應(yīng)用條件和前景等。

材料物理基礎(chǔ)部分給學(xué)生講述新能源材料中常用的物理概念，讓學(xué)生理解半導(dǎo)體、磁性、導(dǎo)電性、介電性的物理模型，可以從微觀角度理解材料結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)聯(lián)。具體的新能源部分，重點(diǎn)介紹鋰離子電池、太陽能電池、燃料電池這三類目前應(yīng)用最廣泛的新能源，講述不同電池的基本原理、常用概念、基本參數(shù)、常用的材料以及選擇這些材料的原因。此外，給大家介紹一些生物質(zhì)能源中乙醇汽油、生物柴油等基本概念。

新能源材料與技術(shù)是當(dāng)前社會(huì)最具有戰(zhàn)略意義的領(lǐng)域之一，國際國內(nèi)無數(shù)的科學(xué)家致力于該研究，新能源材料是一門新興的并且還在不斷發(fā)展中的學(xué)科，每時(shí)每刻都有大量的新的研究成果報(bào)道，授課教師在教學(xué)中以教材中的知識(shí)點(diǎn)為基礎(chǔ)，更要時(shí)刻結(jié)合前沿性的科研論文和產(chǎn)業(yè)進(jìn)展進(jìn)行介紹，筆者不僅自己閱讀相關(guān)領(lǐng)域的最新的研究論文，將這些成果融入到課堂上；而且鼓勵(lì)學(xué)生閱讀文獻(xiàn)，通過文獻(xiàn)閱讀使學(xué)生跟蹤世界上最先進(jìn)的研究成果[2]。除專業(yè)知識(shí)的內(nèi)容講授外，我們將增加英文文獻(xiàn)閱讀討論部分。我們每兩周給學(xué)生發(fā)放一次最新的文獻(xiàn)資料，讓學(xué)生自己選擇感興趣的一篇，組成一個(gè)小團(tuán)隊(duì)，通過文獻(xiàn)閱讀、總結(jié)，舉行小型報(bào)告會(huì)的形式，培養(yǎng)學(xué)生綜合能力的目的。另外，還增加了互動(dòng)的環(huán)節(jié)，提高學(xué)生的注意力，提高學(xué)生參與科研的能力，達(dá)到本門課程的授課目的，體現(xiàn)了以人為本，以能力培養(yǎng)為核心的教學(xué)理念。

2 改進(jìn)教學(xué)方法

如何改進(jìn)教學(xué)方法，把學(xué)生從死板、被動(dòng)的學(xué)習(xí)中解脫出來，讓學(xué)生體會(huì)到學(xué)習(xí)的快樂，是筆者在教學(xué)過程中一直思考的問題，筆者采取了課堂講授、討論及前沿文獻(xiàn)閱讀相結(jié)合的教學(xué)方法。新能源、新材料為新興學(xué)科，筆者緊密結(jié)合教學(xué)內(nèi)容精心準(zhǔn)備了圖文并茂的課件，將石墨烯、碳納米管、太陽能器件、燃料電池等內(nèi)容通過視頻、圖片向?qū)W生展示，使得學(xué)生對(duì)新能源、新材料獲得足夠的感官認(rèn)識(shí)；另一方面將該技術(shù)的應(yīng)用實(shí)例，研究的最前沿文獻(xiàn)，與課程理論知識(shí)相結(jié)合，來強(qiáng)化學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解、激發(fā)對(duì)專業(yè)學(xué)習(xí)的興趣。

課堂引入研究式教學(xué)方法，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和科研能力。筆者在進(jìn)行新能源材料及其應(yīng)用課程的教學(xué)中，依據(jù)目前國內(nèi)外在新能源材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，設(shè)計(jì)一些研究性課題，布置學(xué)生課后查閱相關(guān)參考文獻(xiàn)資料，結(jié)合課程的學(xué)習(xí)，開展前沿課題的科學(xué)研究[3]。學(xué)生以PPT 形式和綜述小論文的形式完成相關(guān)討論，這一舉措可使學(xué)生很好地掌握新能源材料等知識(shí)內(nèi)容，對(duì)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢能有較多的了解。通過這種方式，把傳授知識(shí)與文獻(xiàn)檢索能力、思考能力和寫課題報(bào)告等能力的培養(yǎng)結(jié)合了起來。

案例教學(xué)改變了以往傳統(tǒng)的教學(xué)模式，實(shí)現(xiàn)了師生互動(dòng)，突出了學(xué)生學(xué)習(xí)的主體地位，改變了以往死氣沉沉的課堂，真正使課堂充滿了活力，這樣必然能大大提高課堂的教學(xué)效率。在講授鋰離子電池時(shí)，介紹鋰離子電池之父，Good enough 先生如何為鋰離子電池的發(fā)展而奮斗，要求學(xué)生翻譯該位作者在2018年94歲高齡情況下寫下的關(guān)于鋰離子電池展望的文章，以手機(jī)電池的發(fā)展為例，介紹電極材料，電解質(zhì)的發(fā)展歷程。

3 配套實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)

新能源材料課程的特色決定了其對(duì)實(shí)踐環(huán)節(jié)的需求，構(gòu)建與實(shí)際應(yīng)用結(jié)合緊密的課程實(shí)踐體系成為整個(gè)教學(xué)過程中的重要組成部分。上述問題可通過學(xué)院安排的認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)與專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)與來解決。首先本學(xué)院有十位左右的老師從事鋰離子電池、太陽能電池、燃料電池的相關(guān)研究，通過綜合實(shí)驗(yàn)、專業(yè)實(shí)驗(yàn)、大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)等共計(jì)96個(gè)學(xué)時(shí)的自主選題實(shí)驗(yàn)，鼓勵(lì)學(xué)生結(jié)合興趣自主選題，教師指導(dǎo)下完成某一新能源方向的研究工作。讓學(xué)生們通過參與項(xiàng)目研究，使其在新能源材料的設(shè)計(jì)、制備、結(jié)構(gòu)、器件制備、性能測試、數(shù)據(jù)整理和分析、撰寫論文等方面得到全面的鍛煉，提升了他們的創(chuàng)新能力和科研實(shí)踐能力，給予學(xué)生對(duì)新能源材料及器件直觀的感受和了解。其次，加強(qiáng)校外實(shí)習(xí)基地建設(shè)，加強(qiáng)與武漢新能源公司相關(guān)的合作，為學(xué)生的參觀實(shí)習(xí)和生產(chǎn)實(shí)習(xí)[4]。

4 改革考核方式

學(xué)生成績是檢驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)，可以評(píng)定學(xué)生對(duì)教學(xué)內(nèi)容的掌握程度。

本課程的期末考試題目分為三個(gè)類型，第一題，名詞解釋，通過這道題目讓學(xué)生掌握常用的基本概念，第二題為問答題，比如新能源對(duì)于我們生活的影響，讓學(xué)生自己梳理各類新能源形式的優(yōu)缺點(diǎn)，解釋自己手機(jī)電池的組成，以及充放電過程的基本原理。第三題為英文文獻(xiàn)翻譯題目，找一段描述燃料電池、鋰離子電池、太陽能電池基本原理，常用電極材料的文獻(xiàn)資料，讓學(xué)生翻譯。這樣設(shè)置考試題目不僅需要學(xué)生掌握課堂或教材中的內(nèi)容，還需要增加最新文獻(xiàn)資料的課外閱讀，并加入自己的理解與思考才能完成作答，避免學(xué)生考前突擊、死記硬背，考試結(jié)束內(nèi)容全部丟棄的情況。期中成績是完成一篇課程論文，即針對(duì)任一種新能源材料，談?wù)勛约簩?duì)本專業(yè)的認(rèn)識(shí)和體會(huì)，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)術(shù)論文的寫作能力。有的學(xué)生選擇了石墨烯，介紹了石墨烯作為電池負(fù)極材料的優(yōu)勢，有的學(xué)生選擇介紹鈣鈦礦太陽能電池，這些都是新能源領(lǐng)域中研究最為熱門，最為前沿的內(nèi)容，學(xué)生能將小論文寫到這些點(diǎn)子上面，說明學(xué)生已經(jīng)有了一定的科學(xué)素養(yǎng)。這種平時(shí)成績、前沿小論文和期末考試相結(jié)合的形式，有助于督促學(xué)生對(duì)所學(xué)課程內(nèi)容進(jìn)行思考，從而有利于提高學(xué)生的綜合素質(zhì)。

5 總結(jié)

新能源材料是一門建立在多學(xué)科交叉基礎(chǔ)上的新興學(xué)科，作為一門綜合性、前沿性、交叉性的課程，想真正學(xué)好這門課程并不容易。筆者從事新能源材料教學(xué)已有五年時(shí)間，根據(jù)教學(xué)過程中遇到的問題，該學(xué)科的實(shí)際情況，對(duì)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法及考核方式進(jìn)行了調(diào)整和改革，課程效果得到了明顯改善，學(xué)生的綜合能力得到了提高，甚至有一定數(shù)量的畢業(yè)生因?yàn)榇苏n程，對(duì)新能源材料產(chǎn)生了濃厚興趣，并繼續(xù)在新能源材料領(lǐng)域進(jìn)行深造，這些結(jié)果均證明了該課程改革取得了良好的效果。