《先進電化學能源材料》課程教學改革初探*

黃 洋，徐航天，雷 文

(南京林業大學理學院，江蘇 南京 210037)

進入21世紀，以煤炭、石油、天然氣為代表的化石能源在推動社會迅速發展的同時也給人類賴以生存的自然生態環境帶來了嚴重的危害。作為不可再生資源，化石能源儲量有限且日漸枯竭[1]。國際上圍繞化石資源的地緣政治博弈錯綜復雜，資源輸送通道存在隱患。發展清潔可再生的新能源、培養新能源領域的技術型人才，是我國實現創新驅動發展和人才強國戰略的重要舉措。

在各種能量存儲與轉化過程中，將化學能轉化為電能的系統被稱為電化學能源系統。這種新的能源體系具有高效率、低污染、長壽命、安全可靠等特征[2]。由于其符合可持續的高效能源發展模式，因此部分新能源系統業已在人類生產和生活中發揮關鍵作用。2019年諾貝爾化學獎頒發給了對鋰電池開發和應用做出杰出貢獻的三位科學家，這是對電化學新能源最充分的肯定。

研究表明，基于材料學的設計和制造對于顯著提升新能源體系性能起到了極為關鍵的作用。因此，立足于高等學校，培養大批具有新能源材料基礎和實踐能力的人才對于加速我國掌握能源核心技術、推動能源產業自主創新、維護國家能源戰略安全等具有十分重要的意義。

本校所開設的《先進電化學能源材料》課程涉及材料物理、材料化學、電化學等眾多學科，是一門多學科交叉型專業課程。由于課程知識覆蓋面廣、基本概念眾多，因此如何能在有限的學時內將課程內容完整、清晰地向學生講授，讓學生感受到學習的意義和興趣，成為了擺在任課教師面前亟待解決的關鍵難題。

基于上述課程教學中出現的問題，本文結合筆者教學團隊對《先進電化學能源材料》課程教學改革的研究和實施，初步探討了該課程的理論教學方法、實踐學習方案、科研探索路徑、綜合考核辦法。結合本課程特色研究并制定了符合課程目標計劃、面向工程研發應用、聚焦科學前沿發展的教學改革實施方案。

1 理論教學

1.1 科學發展規律探索

在課程起始階段，任課教師應緊密依據課程主題將新能源和電化學的發展簡史、應用領域、學習方法等向學生進行概述性的介紹。以關鍵人物為支點，以關鍵歷史事件為標志，向學生介紹該學科領域的發展脈絡，讓學生領略電化學能源在推動技術發展和社會進步等方面所發揮的重要作用。從電化學開創者伽伐尼的“動物電”事例作為起點，介紹電化學中電流、電解液、電極等基本概念；借助意大利物理學家伏打的電堆試驗闡述電極電位、電位差、電壓等重要物理意義；通過戴維制備金屬鉀、鈉的實驗介紹電解法在氧化/還原反應中所占據的重要地位；在介紹法拉第的歷史貢獻時，可以將電解質、離子、陰極、陽極等電化學儲能基本要素融入進來。進入20世紀，又可以穩態/暫態電化學技術為分界點分成上、下兩個50年來介紹。20世紀上半葉德拜和休克爾提出了電解質稀溶液理論和海洛夫斯基創立的極譜技術極大促進了電化學在理論和實驗技術上的發展。而20世紀下半頁古迪納夫和吉野彰關于鋰離子電池電極材料的設計工作則直接推動了電化學新能源技術的市場化應用。進入新世紀，隨著資源和環境問題日漸嚴峻，科研人員把目光投向具有更高理論容量的電極材料和豐度較高的鈉離子/鉀離子儲能體系。而以燃料電池為代表的高能量轉化效率、低污染物排放能量轉化體系也獲得了極高的關注。

該階段授課過程應該充分借助多媒體教學手段，利用圖片、視頻、演示動畫等豐富的授課形式講述電化學能源在各個發展階段的重要人物和標志性成果，同時注重調動學生的學習興趣。在電化學發展簡史的介紹中應該重點突出該學科發展的規律性、階段性、必然性等。在對科學巨匠的介紹中應該引導學生學習他們執著于科學的精神、學習勇于創新的膽識，為培養學生養成良好的科研素養奠定基礎[3]。

1.2 課上-課下互補式教學

進入真正的理論學習階段，按照教學大綱將每部分內容以整體框架的形式依據教學計劃向學生進行介紹。由于課時的限制，課堂中難以面面俱到地介紹所有知識點。在此，筆者采取課上-課下互補式的教學模式，將部分教學內容留給學生課后自主學習。學生課后自學內容并非隨意指定，而應該與課堂學習內容形成互補關系。一般可選擇兩次課程中的承上啟下部分。這樣既培養了學生的自學能力，同時督促學生養成課后復習和課前預習的好習慣。筆者在每次上課伊始會針對學生課后學習內容進行提問，并將結果列入考核范圍之中。將課后活動作為課堂教學的延續，確保教學任務順利完成。

1.3 課堂教學形式豐富多樣

在理論教學過程中要注重將傳統教學手段與具有本課程特色的教學方法相互融合。盡管目前高校課堂教學中普遍采用播放課件幻燈片的形式，但是筆者認為板書作為最為傳統的教學方式，有助于理清課堂教學的思路、有助于教師對授課內容進行提煉、有助于調整教學節奏并吸引學生的注意力。電化學和能源化學涉及眾多理論計算和公式推導，教師應當將重要的公式通過板書的形式進行現場推導。這樣有助于學生理清計算公式的來龍去脈和物理內涵，從而有助于學生在理解的基礎上加深記憶。在課堂教學中應該將現代多媒體技術和傳統的板書教學模式交互使用，以實現最佳教學效果。

由于電化學新能源已經廣泛應用到日常生活中，因此理論教學環節還應該與現實生活密切聯系。比如在講授鋰離子電池技術時，應該聯系我們生活中的手機、筆記本電腦、電動汽車等應用實例[4]。讓學生認識到目前鋰離子電池容量問題是導致上述用電設備續航能力不足的主要原因。此外，將儲能技術中電流密度的概念同手機待機和打游戲過程進行關聯、將冬季電動車頻繁充電與離子低溫傳導動力學相互聯系、將特斯拉電動汽車自燃與電池組安全性相關聯等，這些生動的案例有助于學生輕松理解并記憶課程基本概念，同時使學生認識到該領域目前所面臨的現實困境及進一步發展的重要意義。

2 產教融合

在產教融合、協同培養過程中應根據新能源企業和高校雙方實際需求擬定合作開發課程。雙方互派專職人員成立課程組，校企應給參與人以必要的政策傾斜保障其參與熱情。按照實踐教學計劃開展產教融合協同育人。校企雙方協商建章立制、規范管理，最終共享產教合作成果。該部分總體思路如圖1所示。

圖1 產教融合實施框架圖Fig.1 Framework graphic of the implementation ofproduction-education fusion

《先進電化學能源材料》是一門與現實生產和生活聯系極為密切的專業課程。因此，在實際教學過程中我們開創性的實施了產教融合、協同育人的教育教學模式。在向學生傳授知識的同時注重技能培養和創新意識的養成，同時助力人才培養鏈和產業鏈無縫對接，為企業發展提供人才保障[5]。

3 科研探索

考慮到本校相當一部分本科生畢業后選擇進入研究生階段繼續深造學習，加之新能源材料在基礎科研領域的發展日新月異[6]。筆者將新能源領域前沿學術探索融入到課程教學之中，以培養學生對關鍵科學問題的捕捉能力并初步培養其建立科學的思維方式。我們將根據不同新能源類型擬定若干研究主題，將學生分成幾個小組，每組任選一個主題。任課教師向每個小組發布前沿文獻資料。學生課后認真研讀文獻，全面搜索相關領域的前沿進展、科學難題、解決路徑等。最后以PPT的形式通過小型報告會向大家介紹自己的調研成果，并融合課程知識、結合個人見解進行討論。這種教學形式使學生從講臺下走到講臺上，實現了“教”與“學”角色上的互換。文獻閱讀能力和信息搜集與歸納總結恰恰是科研工作者最為基本的科研素養。該種教學模式突出了對學生自主探索能力的培養，同時也是對該課程理論教學的鞏固和升華[7]。

4 綜合考核

考核是檢驗教學效果，評價課程目標完成情況的重要手段。合理的考核方式不僅能夠充分調動學生學習的積極性，而且也是教學改革不可或缺的重要組成部分[8]。根據本課程的教學改革實施方案，筆者將綜合如下幾個方面對學生的學習成效進行考核評定。

4.1 期末理論成績

本課程采取以閉卷筆試答題作為主要的考核手段。筆試成績能夠最為直接的反映學生對于基本理論知識的掌握能力。此外，應該將企業實踐活動中所涉及的相關技術工藝、器件裝配等實訓技能反映在考題之中。該部分以期末考試的形式進行，約占總成績的40%。

4.2 平時表現成績

平時成績主要包含課堂出勤、課后作業、課堂提問作答等。該部分成績是學生學習態度和精神面貌的集中體現。該部分約占總成績的10%。

4.3 實踐教學成績

由校企雙方代表共同考察學生的實踐學習成效，主要以學習的過程性和結果性為考核內容。考核應該涵蓋學生對企業規章制度的遵守、對基本原理的理解、對實踐技能的掌握、對研發項目的參與度和貢獻度等。該部分約占總成績的40%。

4.4 科研前沿探索成績

主要考察學生分小組科研探索的表現情況。通過PPT匯報考察學生對于文獻的閱讀理解能力和對于關鍵科學問題的捕捉和分析能力。重點考察學生結合課程理論知識對相關問題所發表的個人見解，及討論環節中是否條理清晰、邏輯嚴密。這部分考察環節是建立在基礎理論之上的科學探索和科學思維活動，反映學生對課程知識的運用能力和縝密思辨的能力。該部分約占總成績的10%。

5 結 語

《先進電化學能源材料》這門課程的開設旨在為我國新能源材料開發、能源消費結構調整、健全能源保障體系培養具備扎實理論功底、擁有豐富實踐經驗、能夠獨立創新思考的新時代工程技術人員和科學研究人員。筆者系統調研了國內高校相關課程教學的經驗，結合本校專業設置和學生培養的特色，從教學內容、教學方法、教學模式、教學理念等若干層面對本課程進行了教育教學改革的初步嘗試。教學改革的目的在于提高學生掌握知識、運用知識、整合知識、更新知識的能力。在未來的教學實踐中，筆者將繼續在教程編排、校外實訓基地建設、科技查新等環節上進一步探索和實踐，通過本課程教學讓學生在知識和能力上獲得全面提升。