超級電容器材料與技術課程教學探討

李靖　黎陽　馬董云　祝向榮

摘 要 超級電容材料與技術是針對材料科學與工程專業(yè)學生開設的一門專業(yè)選修課，具有較強的針對性和應用性。本文結合CDIO工程教育教學模式的特點，對該門課程的教學內容、教學方法、教學模式等進行探討。

關鍵詞 CDIO工程教育 超級電容器 電化學

中圖分類號：TM53 文獻標識碼：A

0引言

超級電容器具有優(yōu)良的充放電性能，是目前重要的“綠色”電化學儲能器件，在便攜式電子設備、新型電動交通工具和國防等眾多領域具有廣闊的應用價值，近年來受到科學研究人員的廣泛重視。

我校材料科學與工程專業(yè)（新能源材料與器件方向）以CDIO工程教育模式作為本科生的教學培養(yǎng)模式，鍛煉學生構思、設計、實現(xiàn)和運行的實際應用能力，注重培育學生的系統(tǒng)工程綜合能力。《超級電容器材料與技術》課程是該專業(yè)的一門專業(yè)選修課，我們在近幾年的教學過程中對該課程教學內容的選取、教學方法、教學模式等方面開展了相關的研究與探索，獲得了一些教學心得。

1開設課程的重要性和可行性

完全學分制的材料科學與工程專業(yè)培養(yǎng)計劃安排學生在修完通識課程、專業(yè)基礎課和核心專業(yè)課學分后，從大三春季學期開設模塊化課程群選擇專業(yè)課。模塊化的課程群分別對應新能源高效存儲材料與器件、新型高效節(jié)能材料與器件和新能源高效轉換材料與器件三個方向，學生在第6～7個學期中完成該課程群專業(yè)課的學習。《超級電容器材料與技術》課程安排在大四學期，在這之前已經完成《應用電化學》和《化學電源》的理論授課內容，學生對電化學的基本理論、電化學反應、電解過程、原電池反應等內容已經非常熟悉，同時也了解鉛酸電池、鎘鎳電池、氫鎳電池、鋅銀電池、鋰離子電池、金屬-空氣電池、燃料電池等一些化學電源的工作原理。學生在選擇該模塊時，已經對課程設置和課程內容有一定的了解，保證學生有針對性的選課，真正做到選擇自己喜歡的方向進行選課，這也有利于大四春季學期畢業(yè)設計的開展。此外，本專業(yè)的教師一直遵循著科研教學并重的宗旨，教師們支持本科生進入自己實驗室進行實驗研究。本科生從大二春季學期開始跟著指導老師查閱能源材料領域學科前沿知識，從事科學實驗研究。在此基礎上，開設《超級電容器材料與技術》專業(yè)選修課程具有非常針對性的理論實踐意義。

2精心選擇教學內容

《超級電容器材料與技術》教材選擇化學工業(yè)出版社出版的《超級電容器關鍵材料制備及應用》，課程主要任務是闡明超級電容器的基本概念和基本原理；系統(tǒng)介紹各種不同類型的電極材料的特點、結構、儲能原理、性能參數、制備方法和器件制造工藝；介紹各種新型電極材料如碳納米管、石墨烯、過渡金屬氧化物、導電聚合物、納米復合材料的研究進展，授課中引入較多的國內外科研實例進行講解，顯著提升學生的學習興趣。上課過程中同時要強調超級電容器的安全、環(huán)保和綜合利用，增強學生的環(huán)保意識，培養(yǎng)學生的社會責任感。

3多種教學方式相結合

課堂教學是傳授知識的主要途徑，《超級電容器材料與技術》教學主要利用多媒體課件、板書、教學視頻、啟發(fā)式教學、討論式教學等多種教學方式進行授課。多媒體課件和教學視頻方便進行各類電極材料儲能原理、器件制備技術、器件性能展示等的介紹，有利于激發(fā)學生學習的興趣和思考，提高學生對超級電容器的深層次認識和了解。

超級電容器電極材料種類繁多，電極材料也是影響其性能和生產成本的關鍵因素。根據教學內容，把電極材料分成四部分：碳納米材料、金屬氧化物材料、導電聚合物材料和納米復合材料，要求學生根據自己的興趣選擇其中一種具體的材料進行查閱資料，獨立完成課程報告，同時要把自己查閱的文獻資料制作成PPT，在班級進行交流，回答同學和老師的提問。通過這些鍛煉，既提升了學生的論文撰寫能力、口頭表達能力和語言組織能力，又達到全班同學相互學習的目的。這種授課模式激發(fā)了學生的學習興趣。在教學活動中，還可以采用“討論式”的教學方式用以活躍課堂氣氛，讓學生主動參與教師的教學中，多向學生提供發(fā)表觀點的機會，提高學生學習的積極性和主動性。這些教學方法的綜合使用，可以取得良好的教學效果。

4教學與科研互相促進

在該課程的教學中，教師要堅持“以科研促進教學，以科研提升教學質量”。超級電容器電極材料、器件制作技術等發(fā)展迅速，教師的知識結構和教學內容要及時更新，科研是取得最新知識技術的直接、快速途徑。任課教師要根據自身的科學研究，不斷的更新授課內容，在上課過程中及時引入超級電容器的新發(fā)展和新技術，加深學生對超級電容器制作技術、碳納米材料、金屬氧化物材料、導電聚合物材料等有更深刻的認識和了解。我們鼓勵學生積極參與教師科研項目，在教學中講授實驗內容、技巧和方法，在實驗中進行教學內容的傳授，兩者相輔相成互相促進。在教學過程中不僅要拓寬學生的知識面和視野，還要積極引導學生學習與本專業(yè)相關的應用研究。這不僅能培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力，還能提升學生的創(chuàng)新能力和動手能力。

5結語

《超級電容器材料與技術》課程的教學一定要緊密聯(lián)系科研前沿，要適應社會發(fā)展的需求。教師要經常閱讀最新科研文獻資料，把最新的研究成果引入課堂，向學生及時灌輸最新科研成果，在提升科研水平的同時獲得教學水平的加強。教師也需要不斷地改革教學方法，總結教學經驗，提升學生的學習積極性和創(chuàng)造性思維。

基金項目：課題：致謝：感謝上海第二工業(yè)大學《應用電化學》全英語課程建設、校級《化學電源》重點課程建設和2018校新開課程建設《超級電容器材料與技術》。

參考文獻

[1] 魏穎.超級電容器關鍵材料制備及應用[M].化學工業(yè)出版社，2018.