李佳慧,孫祝璽,時秋偉,謝燕楠*

(1.南京郵電大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 有機電子顯示國家重點實驗室,江蘇 南京 210023;2.南京信息工程大學(xué) 化學(xué)與材料學(xué)院,江蘇 南京 210044)

在線教育在疫情時期嶄露頭角,不僅是應(yīng)對之舉,更是促進信息化教育的關(guān)鍵一步。與傳統(tǒng)教學(xué)相比,線上教育能夠有效彌補傳統(tǒng)教學(xué)的不足之處,推動教育教學(xué)改革,助力教育強國建設(shè)[1]。然而,后疫情時代的教育挑戰(zhàn)也愈發(fā)凸顯,我們需要探索如何在融合傳統(tǒng)教學(xué)與互聯(lián)網(wǎng)優(yōu)勢的同時,有序構(gòu)建合理規(guī)范的線上線下混合式教學(xué)模式,以適應(yīng)當今發(fā)展趨勢。這是當前教育工作者亟須解決的重要問題[2-3]。

目前,《新能源材料制備實驗》等實踐類課程主要采用傳統(tǒng)教學(xué)方法,教師依賴簡短的課堂時間進行演示性實驗,學(xué)生動手操作的部分非常少,后續(xù)也沒有可以有效進行鞏固課堂要點的教材或PPT。教師無法了解學(xué)生的課前準備情況、課堂理解程度以及課后復(fù)習情況,也無法獲取學(xué)生的學(xué)習習慣和狀態(tài)。近年來,MOOC、微課和翻轉(zhuǎn)課堂等創(chuàng)新教育模式在全球范圍內(nèi)蓬勃發(fā)展。為支持高校開展在線開放課程,教育部于2019年頒布相關(guān)政策,鼓勵高校制定配套政策,并開展校際課程認證和學(xué)分認定。

當今數(shù)字化時代對高等教育提出了新的要求,教學(xué)模式逐漸從傳統(tǒng)課堂教學(xué)轉(zhuǎn)向線上與線下相結(jié)合的混合式教學(xué)。此外,后疫情時代下,新冠等傳染病的不時暴發(fā)可能迫使教育不斷切換線上線下教學(xué)。因此,對《新能源材料制備實驗》等實踐類課程的教學(xué)模式進行改革勢在必行。

1 《新能源材料制備實驗》重要性及教與學(xué)存在的問題

新能源材料制備實驗是當今科技和工程領(lǐng)域不可或缺的一門課程。隨著全球?qū)沙掷m(xù)能源和清潔技術(shù)的迫切需求,這門課程對經(jīng)濟和社會發(fā)展具有巨大的潛在影響,已經(jīng)成為廣泛關(guān)注的焦點。正如納米科技是21世紀前沿科學(xué)技術(shù)的代表領(lǐng)域之一,新能源材料的研究和應(yīng)用在能源轉(zhuǎn)型、環(huán)境保護和經(jīng)濟增長等方面扮演著重要角色?！缎履茉床牧现苽鋵嶒灐氛n程不僅在材料化學(xué)、能源工程、電子學(xué)等專業(yè)中具有重要地位,而且它涉及的知識和技能也對跨學(xué)科領(lǐng)域產(chǎn)生深遠影響。新能源材料的研究與開發(fā)對可再生能源、能源儲存和能源效率的提高至關(guān)重要。它們是支撐清潔能源技術(shù)(如太陽能、風能、電池技術(shù)等)發(fā)展的基礎(chǔ),對環(huán)境友好型能源系統(tǒng)的實現(xiàn)具有關(guān)鍵作用。然而,盡管新能源材料制備實驗的重要性明顯,但教學(xué)中仍然存在一些問題。首先,實驗室設(shè)備和材料有時可能受到限制,這可能限制了學(xué)生在實驗中的參與和實踐機會。其次,這門課程涉及的知識面廣泛,而課時有限,這可能導(dǎo)致學(xué)生只能在概述層面了解相關(guān)內(nèi)容,而不能深入探究。此外,由于這門課程通常是選修課,學(xué)生的學(xué)習積極性和重視程度可能相對較低,導(dǎo)致在線上和線下學(xué)習過程中出現(xiàn)不認真學(xué)習等現(xiàn)象都亟待解決。總之,《新能源材料制備實驗》課程在現(xiàn)代科技和工程領(lǐng)域的重要性不可忽視,但教學(xué)中需要應(yīng)對實驗設(shè)備限制、課程知識廣泛、學(xué)生學(xué)習積極性不足等一系列問題,以更好地滿足學(xué)生和社會的需求,推動新能源材料領(lǐng)域的研究和應(yīng)用。

2 《新能源材料制備實驗》線下線上混合式教學(xué)案例

2.1 選取與制作線上資源

本課程的線上MOOC資源主要采用國家首批一流線上課程--浙江大學(xué)《先進材料實驗》課程,及武漢理工大學(xué)的國家精品課程《無極非金屬材料實驗》。針對材料科學(xué)與工程學(xué)院,特別是新能源材料與器件(專業(yè))系的教學(xué)重點,采用課堂教學(xué)錄制配合微課等方式準備預(yù)習資源,并根據(jù)不同章節(jié)內(nèi)容的特點選取匹配度較高的線上資源進行教學(xué)。例如錄制了新能源材料與器件中《新能源材料制備》中對應(yīng)的柔性薄膜的制備及其電化學(xué)性能研究實驗章節(jié)。

2.2 確定教改實施范圍和流程

結(jié)合《新能源材料制備實驗》課程的實際情況,確定了線上教學(xué)模式的實施范圍和實施程度。教師以學(xué)生為本,通過管理平臺資源,合理引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習,幫助學(xué)生完成學(xué)習任務(wù)。在課前,針對概念抽象、公式較多的章節(jié),例如納米科學(xué)的基本理論、納米材料的檢測與表征、納米材料化學(xué)等章節(jié),在課前首先讓學(xué)生開展線上學(xué)習,包括自學(xué)(通過平臺學(xué)習教學(xué)資源、平臺進行討論和平臺進行檢測)和小組學(xué)習(問題討論、概念圖制作和專題匯報制作)。在課中,仍然針對所有重點和難點問題進行講解,包括討論課、總結(jié)課、匯報課、疑難解答課,線上線下學(xué)習雙管齊下,確保知識點的完全理解。這類章節(jié)線下教學(xué)是重點,并且結(jié)合雨課堂模式開展課堂測驗,檢測學(xué)生理解程度。針對問題不太抽象、與生活比較貼近的章節(jié),如納米電子學(xué)、納米生物醫(yī)學(xué)、納米機械學(xué)等章節(jié),通過設(shè)置思考題的方式讓學(xué)生開展線上學(xué)習,線下教學(xué)采用分組提問及答疑的方式開展,檢查學(xué)生的學(xué)習效果,確保相關(guān)知識點的掌握牢固度和理解深度,這些章節(jié)的線上學(xué)習占有更大的比例。在課后,進一步通過平臺測驗完成知識鞏固,通過平臺學(xué)習前沿知識進行知識延伸,同時培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實際來解決問題的能力,以及通過平臺互評在線答疑來向教師進行教學(xué)反饋,如圖(1)所示。

圖1 《新能源材料制備實驗》線下線上混合式教學(xué)流程圖

2.3 確定合理的考核評價體系

課程引入線上學(xué)習資源,開展課前、課中和課后學(xué)習模式,因此可采用多元評價體系的方式進行課程考核。由于引入了線上學(xué)習資源,多元評價方式是指課程的考核并不僅僅依賴于單一的考試評價,而需考慮線上、線下教學(xué)本身特點并賦予多元化的方式進行綜合考核。學(xué)期最終成績包括線上成績+線下成績,每部分又包括平時成績和論文或?qū)嵺`操作部分。根據(jù)線上線下教學(xué)比例進行綜合整合,摸索出了一套適合這種混合教學(xué)模式下《新能源材料制備實驗》課程適合的評價體系:課程采用考查的考核方式,其中線上占20%,包括平時成績和問實踐操作成績;線下占80%,其中平時出勤及課堂表現(xiàn)占10%,實踐操作占40%,實驗報告成績占20%,期末隨機實驗操作考察成績占30%。

3 構(gòu)建合適的科研實驗案例

通過線上線下混合教學(xué)課程的設(shè)計,旨在充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習興趣與積極性,更好的吸納相關(guān)的專業(yè)知識。針對學(xué)生在學(xué)習《納米科學(xué)與技術(shù)》學(xué)科中普遍存在的對新能源材料與器件構(gòu)筑與表征表現(xiàn)出的模糊印象和認知受限等問題,提出在課程中舉例或演示一些簡單的納米材料的合成、器件組裝與表征實驗,以此來加深學(xué)生理論知識的理解度,并培養(yǎng)理論聯(lián)系實際的能力,從而加深知識認知與學(xué)習自信心。這種線上理論和線下實踐聯(lián)合學(xué)習的新模式,可是效針對一類研究類知識學(xué)習的有效途徑。例如在學(xué)習新能源材料與器件結(jié)構(gòu)與表征過程中,就可以適當構(gòu)建基于碳納米材料薄膜的制備及其電化學(xué)性能表征為實驗案例,進行線上線下混合教學(xué)。

3.1 實驗?zāi)康?/h3>

成功利用原位自組裝技術(shù)在水相體系、室溫條件下獲得一維碳納米管(CNTs)復(fù)合二維二硫化鉬(MoS2)納米片自支撐的三維多孔薄膜材料,并通過高分辨掃描電鏡和高分辨透射電鏡完成復(fù)合材料的外觀形貌,薄膜厚度,及微納形貌分析。并進一步通過三電極電化學(xué)測試表征MoS2/CNTs薄膜在超級電容器中的應(yīng)用及結(jié)果討論分析。以此來幫助學(xué)生進一步了解和學(xué)習納米材料宏觀自組裝及其在新能源中電化學(xué)儲能中的應(yīng)用。

3.2 實驗材料與實驗儀器

樣品的物相結(jié)構(gòu)采用RigaKu D/max-2550Pc型X射線衍射儀(XRD,管壓:40 kV,電流:30 mA,CuKα,λ=1.540 56?);樣品的微觀形貌通過日本日立公司的Hitachi S-4800型場發(fā)射掃描電子顯微鏡(Field Emission Scanning Electron Microscopy,FESEM)和日本JEOL公司生產(chǎn)的JEM-2010F型透射電子顯微鏡(Transmission electron microscopy,TEM)進行表征;樣品的數(shù)碼照片為Canon G10相機拍攝。電化學(xué)測試儀器為辰華電化學(xué)工作站(CHI760D),循環(huán)伏安曲線的掃描速率為10～1 000 mV/s。文章所有測試均在室溫下完成。

3.3 電化學(xué)測試與計算

采用三電極體系對制備獲得的薄膜電極進行電化學(xué)性能測試。電極的測試具體如下:首先將所制備的薄膜電極剪成1 cm×5 cm的電極條,在頭部保留1 cm作為極耳,不需要添加任何導(dǎo)電劑和黏結(jié)劑。在三電極體系下分別進行循環(huán)伏安測試(Cyclic voltammetry,CV),恒電流充放電(Galvanostatic charge/discharge,GCD)及電化學(xué)交流阻抗測試(Electrochemical Impedance Spectroscopy,EIS)。循環(huán)伏安曲線的測試儀器為辰華電化學(xué)工作站(CHI760D)。其中,循環(huán)伏安測試中掃描速率為10～1 000 mV/s。根據(jù)循環(huán)伏安曲線,計算得樣品的質(zhì)量比電容Cm(F/g):

(1)

式中,I(A)為電流值,υ(V·s-1)為電壓掃描速率,ΔV(V)為電壓視窗。m為兩片電極的質(zhì)量(mg)。

根據(jù)充放電曲線,計算得樣品的質(zhì)量比電容C(F/g):

C=I·tdmΔV,

(2)

式中,I(A)為電流值,td(s)為放電時間。

能量密度E(Wh/g)和功率密度P(W/g)分別由公式(3)和公式(4)計算:

(3)

(4)

其中在公式(1)～(4)中,電極的質(zhì)量可以為電極的體積V(cm3)或電極的面積A(cm2),相應(yīng)獲得樣品的體積比電容Cv(F/cm3),體積能量密度P(Wh/cm3),體積功率密度P(W/cm3),或面積比電容Ca(F/cm2),面積能量密度E(Wh/cm2)和面積功率密度P(W/cm2)[4,5]。

3.4 MoS2/CNTs復(fù)合三維薄膜的制備實驗步驟

(a)抽濾自組裝制備自支撐柔性復(fù)合薄膜的制備流程圖;(b)自支撐柔性MoS2/CNTs復(fù)合薄膜數(shù)碼照片;(c-e)不同倍數(shù)下自支撐柔性MoS2/CNTs復(fù)合薄膜的斷面掃描電鏡圖;(f)自支撐柔性MoS2/CNTs復(fù)合薄膜力學(xué)拉伸斷裂強度圖譜;(g-h)單電極在不同掃速下的循環(huán)伏安測試曲線,1 M硫酸為電解液;(i)質(zhì)量比電容隨掃速變換曲線圖。

通過高分辨掃描電鏡和高分辨透射電鏡完成復(fù)合薄膜MoS2/CNTs的外觀形貌,尺寸大小,晶格分析。采用三電極體系對獲得的柔性薄膜電極進行電化學(xué)性能測試。具體如下:首先將所制備的復(fù)合薄膜剪成15 cm的電極條,在頭部保留0.5～1 cm作為極耳,無需額外的集流體進行支撐,對材料進行循環(huán)伏安測試和恒電流充放電。

3.5 MoS2/CNTs復(fù)合薄膜的形貌及電化學(xué)性能表征與分析

實驗設(shè)計采用一維碳納米管交錯互聯(lián)二維二硫化鉬納米片,借助真空抽濾輔助抽濾的方法,二維結(jié)構(gòu)納米片層層堆疊,層間靠范德華力和碳管進行交錯交聯(lián),獲得了如圖2b所示的可自支撐的柔性復(fù)合薄膜,薄膜可以用鑷子輕易折疊而不會發(fā)生斷裂,表現(xiàn)出了良好的力學(xué)穩(wěn)定性[6,7]。高分辨率場發(fā)射掃描電子顯微鏡(FE-SEM,High Resolution Field Emission Scanning Electron Microscope,圖2c-e)表明所制備的二硫化鉬/碳納米管(MoS2/CNTs)主要表現(xiàn)為二維層層堆疊自組裝結(jié)構(gòu),且一維碳納米管在納米片表面和之間交互鏈接。Strain-Stress拉伸斷裂應(yīng)力測試也證實了MoS2/CNTs復(fù)合材料表現(xiàn)出了優(yōu)異的力學(xué)性能,其可承受的最大強度為22.7 MPa。進一步,采用三電極(工作電極:MoS2/CNTs復(fù)合薄膜,對電極:Pt片,參比電極:Ag/AgCl)測試模式,在典型的H2SO4電解液下進行電化學(xué)測試,電解液的濃度為1 M,對復(fù)合薄膜進行電化學(xué)儲能測試。如圖2g-h,復(fù)合薄膜在掃速為10 mV/s時,其質(zhì)量比電容可達87 F/g。

4 結(jié) 論

總之,通過教學(xué)實踐成功將線上和線下教學(xué)模式有機融合,應(yīng)用于《新能源材料制備實驗》課程的本科教學(xué)中。結(jié)合我們學(xué)院材料化學(xué)和新能源材料制備與器件專業(yè)特點,構(gòu)建了恰當?shù)目蒲袑嵗?如自組裝構(gòu)筑柔性自支撐MoS2/CNTs復(fù)合薄膜的制備與表征,形成了一系列成功的線上線下混合教學(xué)案例,并建立了有效的學(xué)生學(xué)習效果評價體系。這一教學(xué)模式的應(yīng)用顯著改善了學(xué)生學(xué)習體驗,不僅解決了傳統(tǒng)課堂教學(xué)中教師難以傳授、學(xué)生難以理解的問題,還有助于提高學(xué)生的學(xué)習主動性,強調(diào)了學(xué)生將理論與實際相結(jié)合、解決問題的能力培養(yǎng)。此外,這種教學(xué)模式的采用在應(yīng)對后疫情時代可能暴發(fā)的傳染性疾病(如新冠感冒、甲型流感)方面也具備顯著的優(yōu)勢,為學(xué)生提供了更加穩(wěn)定和可靠的學(xué)習環(huán)境?？偟膩碚f,新能源材料制備實驗課程的線上線下混合教學(xué)模式是一種高效且靈活的教育方式,有助于提升學(xué)生的學(xué)術(shù)成就和綜合能力,滿足了現(xiàn)代教育的需求,同時也為應(yīng)對各種突發(fā)狀況提供了可行的教學(xué)解決方案。