以工程能力為導向的CDIO二級項目超級電容器教學探索

李靖　黎陽　馬董云　吳子華　祝向榮　徐海萍

摘 要：本文以我校材料科學與工程專業培養計劃和CDIO教學大綱為依據，設計和建立CDIO二級項目的教學模式、教學內容和教學流程，體現以CDIO所代表的構思-設計-實現-運作的教學主線。

關鍵詞：二級項目；超級電容器；CDIO；工程能力

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.21.202

1 引言

CDIO工程教育是當前國際工程教育改革的新成果，國內已有比較多的高等院校相關專業以CDIO作為核心模式培養學生。我校材料科學與工程專業（新能源材料與器件方向）以CDIO工程教育模式作為本科培養模式，鍛煉學生對項目的構思（Conceive）、設計（Design）、實現（Implement）和運作（Operate）的能力，注重培養學生的工程系統綜合能力。

二級項目主要是通過材料產品設計的綜合課程設計，培養學生對知識和技能的綜合運用能力[1]，二級項目的運行直接關系到CDIO實踐教學課程的教學情況。本文主要以二級項目超級電容器為例，探討CDIO工程教育模式下的二級項目的教學模式、教學內容、教學方法、教學理論與實踐結合、考核辦法等，在此基礎上探討如何進一步提高實踐教學水平。

2 組建專業課程群，理論教學與實踐教學相結合

本專業在保持材料科學與工程專業教育的基礎上，進一步強化在電化學儲能、光伏太陽能材料及其器件等方面的特色發展，突出學生在新能源產業電化學儲能和光伏太陽能利用領域的實踐技能訓練。本專業開設的二級項目課程包括化學電池系統、超級電容器、太陽能發電系統、和LED節能燈，四個二級項目共同組成一個實踐類課程群（一個教學團隊），全面帶動實踐教學工作的規范化和教學質量的提高。

在該專業的其他課程設置中，《應用電化學》（專業基礎課，32學時）與《化學電源》（專業課，48學時）2門理論課程，與實踐課程《二級項目化學電池系統》（72學時）、《二級項目超級電容器》（72學時）和《電池工程基本制造技能訓練》（72學時）組成一個核心課程群。《應用電化學》提供電化學基礎理論知識，《化學電源》課程主要包括化學電源的基本原理、電池特點、電池材料、電池裝配工藝、電化學性能測試等內容。《應用電化學》與《化學電源》在課程群中起到理論支撐的作用，《二級項目超級電容器》、《二級項目化學電池系統》和《電池工程基本制造技能訓練》主要鍛煉學生動手操作能力。該課程群的主要目的是以理論課程的知識和技能解決與課程群相關的工程實踐中的具體問題，使得理論教學與工程實踐緊密結合、相互支撐，訓練學生的專業能力、溝通能力、團隊精神與領導能力。

在實踐教學中要突出專業特色，注重理論與實踐的有機結合，同時把二級項目中的一部分理論內容調整到《化學電源》中進行講解，實踐課程注重提升學生實際動手能力、團隊合作能力和解決分析問題的能力。在實踐教學過程中要不斷的拓寬學生的知識面和視野，進一步引導學生學習與本專業相關的應用基礎研究。

3 選取合適的教學內容

教學中加強學科前沿知識的介紹，在完成大綱要求的教學內容的同時，結合講授內容，采取隨堂講授或開設專題講座的形式，介紹學科最新最前沿的知識。明確課程教學內容在整個教學計劃中的地位及其與相關課程或知識點之間的關系。歸納總結本課題組相關科研成果，選擇適合用于學生二級項目的超級電容器電極材料的制備方法。在此基礎上，進一步調研近3年國內外發表的關于超級電容器的文獻資料，通過分析總結，遴選出容易制備且性能優異的超級電容器電極材料制備方法和器件組裝技術，例如過渡金屬氧化物材料、導電聚苯胺材料、導電聚吡咯材料、碳納米材料等及其相應器件的制作。

4 改進教學模式

二級項目實踐教學，鼓勵學生充分利用圖書館資源和網絡資源，了解本學科的發展動態，掌握基礎知識應用的實例，進一步激發他們的學習積極性和主動性。在教學過程中提出5～6種不同的超級電容器電極材料，鼓勵學生自主查閱文獻，設計電極材料的合成路線。通過與指導老師提出的合成路線進行分析對比，找出較適合的路線制備方法和器件組裝技術。例如，目前具有優異的循環壽命的超級電容器材料是碳材料，其中，石墨烯是性能最優異的碳電極材料，我們會在二級項目的實踐教學中引入石墨烯電極材料的制備、表征及性能測試內容。作為商業超級電容器應用最多的碳材料是活性炭，CDIO工程教育核心是培養應用型人才，商業應用的電極材料也是二級項目實踐教學的主要內容之一。石墨烯、活性炭與導電聚合物、金屬氧化物復合電極材料的制備、表征和性能測試也是該二級項目實踐教學的內容之一。二級項目的實踐教學內容不僅會把最新的前沿科技成果引入課堂教學，也會把目前企業實際應用的產品作為典型案例植入課堂教學，真正做到理論聯系實際，培養學生的動手操作能力和理論分析實際問題的能力。

5 考核標準

二級項目實踐教學突出CDIO工程實踐教育，注重創新能力、實踐能力的培養。教學安排要求3～4位學生一個小組，從電極材料的設計、合成到材料的表征獨立完成，將合成的材料組裝成電池，完成電池的性能測試。根據CDIO標準，設計考核指標，主要考核學生的專業能力（包括知識與技能的創新能力）、溝通能力、團隊合作能力與責任感，根據其權重，設計各部分的分數值。

6 結語

二級項目課程的教學一定要適應社會發展的需求，教師要不斷地改進教學內容，總結教學經驗，改革教學方法，提高學生的學習積極性，注重提升學生的工程實踐和創新能力。

參考文獻：

[1]顧佩華，沈民奮，陸小華（譯）.重新認識工程教育-國際CDIO培養模式與方法[M].高等教育出版社.