“鋰離子電池設計及工藝”集中實踐課教學模式探究

張小青 鄭素枚 程存喜

(廈門工學院 機械科學與電氣工程學院 柔性制造裝備集成福建省高校重點實驗室，福建 廈門 361021)

如何高效地開發和利用新能源材料與技術，成為當今世界科學家們所面臨的挑戰。新能源材料與器件領域的重點是研究與開發新一代高性能綠色能源材料、技術和器件，是實現新能源轉化、利用及發展的關鍵[1，2]。為了提高新能源材料與器件在國家的戰略地位，教育部于2010年批準在高等院校增設新能源材料與器件專業。廈門工學院于2012年經教育部備案審批同意設置新能源材料與器件專業，依據我校的辦學定位，該專業旨在培養德智體美勞全面發展、基礎扎實、在實際工作中有較強的適應性和創造能力，適應新能源材料與器件產業的發展和市場需求的應用型專門人才。

在新能源材料與器件專業人才培養中，實驗教學起著不可比擬的作用，其既是理論知識的具體驗證、拓展和延伸，又是培養學生綜合實踐能力的載體。有效的實驗教學對培養學生的創新能力、實踐能力、團隊協作溝通能力、工程素養等有著重要作用[3]。我校新能源材料與器件專業結合已構建的專業課程體系、師資力量、實驗室資源等，設置了具有專業特色的實驗教學體系，包含學科通識課實驗、專業課實驗、集中實踐課和課外實踐課4個層次。其中集中實踐課是培養應用型專門人才的重要內容之一，是連接校內理論教學與工程實踐的重要紐帶，是提高人才素質與能力的重要途徑。作者就我校開設的“鋰離子電池設計及工藝”集中實踐教學的教學模式所進行的探究與實踐進行總結。

1 課程分析

按照教學計劃，“鋰離子電池設計及工藝”集中實踐課要求學生在了解鋰離子電池工藝技術的最新研究成果的基礎上，能獨立完成鋰離子扣式電池的整體設計、正負極材料的制備、扣式電池的安裝及性能檢測、數據分析等。學生若想順利完成任務，需有一定的理論知識儲備和基本的實驗技能，故該課程面向大三學生開課。一方面學生此時已經學習了“無機化學”“有機化學”“物理化學”“電化學”“材料科學基礎”“鋰離子電池材料與器件”等理論課程，有了一定的理論知識儲備，對扣式鋰離子電池正負極的制備、器件的組裝和性能測試有了初步的了解和認識；另一方面，學生也經過了“大學物理實驗”“無機化學實驗”“有機化學實驗”“物理化學實驗”“電化學實驗”“電子電工技術實驗”等實驗課程的學習，已經掌握了基本的實驗操作技能。

2 教學模式探究

2.1 布置實驗任務

教師根據教學大綱向學生布置實驗任務，要求學生通過參考實驗指導教材及查閱文獻設計一個完整的制備與表征體系，完成從鋰離子扣式電池的整體設計，到正負極材料的選擇及制備，最后到扣式電池的組裝及性能測試的全過程。

2.2 設計方案并答辯匯報

班級學生按3人一組自由組隊，每個小組選取1位負責人。每組同學圍繞教師布置的任務，于1周時間內自行查閱資料，設計實驗方案，制作答辯PPT，然后由小組中的1位成員匯報，匯報的內容應包括：(1)所需的藥品、耗材及儀器；(2)正極材料的選擇和制備方法；(3)扣式電池組裝方法及注意事項；(4)扣式電池性能檢測方法及結果預期等；(5)計算出的所需試劑的量。匯報過程中，指導教師提出相關問題檢驗學生對實驗內容的掌握程度，并確定方案是否可行。若匯報答辯通過，則進入實驗室進行實驗，若不通過，則按照指導教師的意見進行修改，修改后再次答辯，直至答辯通過為止。

2.3 制備、組裝及表征

學生進入實驗室后，先由指導教師講解及示范真空手套箱、封口機、藍電測試儀、電化學工作站等儀器的使用方法及注意事項，學生掌握后，開始按照設計的方案進行實驗。為了充分發揮學生的主觀能動性，培養和提高學生的操作技能，小組每位成員都須制備電池的正極片，組裝3～5個扣式電池，并測試電池的阻抗、充放電等性能。

實驗開始后，1周內實驗室全天開放，學生可以自行安排時間前往實驗室完成實驗。在實驗過程中，指導老師不干涉學生的實驗進度，不直接回答學生在實驗中遇到的問題，只適時引導，鼓勵學生通過自我學習解決問題。

2.4 處理數據，完成報告

實驗結束后，小組每位成員都需撰寫實驗報告，詳細記錄實驗的完成情況，并對實驗數據進行處理分析，對實驗結果作詳細的思考與解釋。

3 考核形式

考核與評定是實驗教學中重要的一環，科學合理的考核體系尤為重要，其不僅可以客觀并全面地評價學生的真實水平，還有利于加強實驗管理，對提高實驗教學質量起著重要作用。本著“重過程、輕結果”的理念，在對“鋰離子電池設計及工藝”集中實踐課成績評定中，分別從以下4個方面進行：

(1)實驗方案：該部分成績占總成績的20%，主要考查學生設計的實驗方案的完整性及可行性；

(2)匯報答辯：該部分成績占總成績的20%，主要考查學生制作的PPT的質量，學生的陳述表達能力，回應提問的溝通能力；

(3)實驗過程：該部分成績占總成績的40%，包括對學生出勤、動手操作、儀器使用、衛生保持等方面的考查；

(4)實驗報告：該部分成績占總成績的20%，主要考查學生的數據處理及分析、實驗結果總結及解釋等能力。

4 教學成果

4.1 培養了學生分析及解決問題的能力

傳統實驗通常是學生按照老師制定好的實驗步驟“按方取藥”，但該集中實踐課的實驗內容由學生自行設計，所有的實驗條件都需學生自行摸索。如在制備正極片漿液的過程中，文獻只說明要先制備合適黏稠度的漿液，并沒有給出溶劑的具體用量，學生在制備過程中，由于沒有經驗，漿液不是太稀就是太稠，無法均勻涂覆在鋁箔上，經過多次反復試驗探索后，終于制備出黏稠度合適的漿液。再如利用打孔器裁剪隔膜的過程中，由于隔膜薄且韌性大，學生多次試驗后，裁剪的隔膜邊緣還是有很多毛刺，學生經過思考，嘗試在隔膜上下墊一層稱量紙進行裁剪，裁剪出的隔膜整體平整，形如滿月，邊緣圓滑。在整個實驗過程中，學生學習熱情高漲，遇到問題能積極地思考分析，為了獲得理想的實驗結果，每位同學都進行了多次的實踐探索。

4.2 培養了學生的科研綜合能力

科研綜合能力包括文獻調研能力、科研意識、表達能力、創新能力等，這些能力對學生從事科研工作非常重要[4]。學生在設計實驗方案時，需查閱文獻資料，這不僅可增強學生文獻調研、實驗設計、創新思維等綜合實驗能力，還非常有利于對學生進行系統的科學鍛煉。此外，學生還需要學習一些儀器操作和檢測方法。如，組裝扣式電池需在真空手套箱內完成，這就要求學生掌握真空手套箱的操作方法；電池殼組裝好以后需對其進行電化學性能測試，這就要求學生能獨立操作充放電測試儀及電化學工作站，能正確設定測試參數；測試結束后，學生還需通過Origin、ChemDraw等專業軟件處理數據，并正確分析測試數據。這些對學生后續畢業論文的順利進行甚至將來從事的科研工作來說，是一個提前學習的過程。

4.3 培養了學生團隊合作能力

在設計實驗方案及答辯匯報期間，要求同學們以小組為單位完成任務，這就需要小組成員通力合作，培養了學生的合作能力，增強了同學間的溝通與交往。此外，每個學生的學習能力、學習興趣、專長方向不同，小組成員間的交流互助對活躍學生思維，擴大學生視野，培養學生創造能力，都起到了重要作用[5]。

4.4 考核方式更加合理化

一般情況下，實驗教學以平時表現和實驗報告作為主要考核指標，但有時不能如實反映學生對實驗的掌握程度和思考程度，該門課程的考核評價指標涉及了學生查閱文獻的能力、口頭表達能力、團隊協作溝通能力、動手操作能力、軟件運用能力、分析及解決問題能力等，多維度的考核評價指標彌補了傳統考核形式單一的缺點，使實驗考核更加公正合理，更能全面地考核學生的真實水平。

5 結語

“鋰離子電池設計及工藝”集中實踐課通過設計實驗方案、匯報答辯、制備正極材料、組裝扣式電池、測試性能、整理數據、撰寫報告及分析總結等環節，使實驗內容更趨豐富和形式多樣。該實驗教學模式試行以來，取得了良好的效果，學生在文獻調研、實驗設計、實驗操作及實驗結果分析等綜合實驗能力的各方面取得了很大進步。同時課程在活躍學生思維, 擴大學生視野, 培養學生創造能力、團隊協作能力、實踐能力等方面都起到了重要作用。然而，在新工科建設和卓越人才培養的大潮下，如何持續開展新能源材料與器件專業實驗教學的創新性改革，推陳出新，與時俱進，仍是我們今后努力的方向。