“雙碳”目標下《化學電源》課程理論和實踐教學改革研究

＊孫志鵬 邵漣漪 史曉艷

（廣東工業大學材料與能源學院 廣東 510006）

近年來溫室效應、極端惡劣天氣如臺風、暴雨、高溫、泥石流、干旱等自然災害頻繁發生。2008年我國罕見低溫雨雪，冰凍災害肆虐南方；同年5月，緬甸海基島附近有熱帶風暴納爾吉斯登錄，7萬多人死亡；2010年春季，我國南部地區在以外的梅雨季節時期卻遭遇特大干旱；根據政府間氣候變化委員會Ipcc指出，2020年全球平均氣溫比工業化前高出了約1.2攝氏度。研究表明，以上氣候災害，與人類碳排放過度有不可分割的關系。碳排放是人類經營生產生活過程中向外界排放溫室氣體，而溫室氣體中最主要的氣體是二氧化碳。

我國計劃到2020年單位國內生產總值二氧化碳排放量比2005年下降40%到45%的控制溫室氣體排放行動目標已經實現。2020年，75屆聯合國大會上中國又一次提出，將提高國家自主貢獻力度，采取更有利的政策和措施，于2030年前達到碳達峰，努力爭取2060年前達到碳中和的目標。由此，中國碳中和之路強勢推出新能源汽車，風電光伏發電等領域亦蓬勃發展[1]。

化學電源又稱為電池，是一種把化學能直接轉化為電能的裝置。隨著“碳達峰、碳中和”雙碳目標升級為國家戰略，電化學儲能作為能源和交通領域的關鍵技術越來越受關注，化學電源必將成為支撐新能源和電動汽車等新興產業最核心的技術之一[2]。

圖1 化學電源組成及電極反應方程式

《化學電源》是為新能源材料與器件專業本科生開設的一門專業基礎課，主要介紹各類化學電源的結構組成、工作原理、性能和制造工藝的課程，是新能源器件研究的必備理論基礎知識，對于新能源器件的設計思路、關鍵材料的選擇、制備工藝的優化等領域具有重要意義，是為實現雙碳目標輸送電化學儲能等領域的新人才的必備課程，對開展相關領域的研究工作具有一定的指導和引導作用。

但在這樣的新時代大戰略目標下開設的專業基礎課《化學電源》，其授課的過程中，無論是學生體驗還是教學成果，都浮現出與傳統教學模式中大同小異的諸多問題。因此，在雙碳目標下，解決《化學電源》課程理論和實踐教學面臨的研究、改革問題已是當務之急。針對其教學現狀，指出課程教學中存在的弊端，提出完善教學體系、提高教學質量的措施，有利于為雙碳戰略培養電化學領域復合型創新人才[3]。

1.教學現狀存在的問題

偏重于注重基礎理論，缺少實踐和深刻的理解。沒有改變許多傳統教學模式中要么偏重于基礎理論，要么偏重于工程技術的弊端，無法在授予電化學發展脈絡及其重要基礎知識的同時，根據電化學在實際科學研究和工業生產中的應用，把科學基礎問題和解決實際問題聯系起來，做到科學研究和工程技術的緊密結合。這種傳統的、單一的教學模式已經無法滿足新時代雙碳目標下創新型復合人才培養目標的推進[4]。

課堂的教學缺少師生之間的互動，學生的課堂參與度不高，無法及時得到學生課堂學習情況的反饋，也缺少如何改進教學模式的反饋。

考核形式和考試內容單一，學生的答題模式也只是千篇一律，機械重復，少有自己的思維創新[5]。

缺少樹立使命擔當、理想信念的思想引領，不利于增強學生的學習信心與動力，明確學習目標與途徑[6]。

2.教學改革研究

(1)課程內容拓展，扛起“雙碳”戰略使命

碳達峰、碳中和是一個宏大的戰略目標，在電化學領域實現對化學電源提高能效、節能減排，創新性實現資源的高效循環利用是雙碳戰略目標的關鍵。因此，可以結合雙碳目標，適當對授課內容進行增設，對授課章節進行增改，設法提高學生的學習興趣，推動學生從被動型輸入學習到主動型積極探索的轉變。一方面，通過了解全球社會、環境以及經濟背景，討論雙碳戰略目標的必要性；另一方面，通過國家對于實施雙碳目標建立的一系列戰略發展方向，了解新能源以及化學電源在目標實施過程中起到的作用。如風力和光伏發電的不連續性和不穩定性則可以由化學電源的引入得到很大程度的解決。又如麻省理工學院的一個研究團隊推出了一種新型的鋰基電池技術，可以凈化火力發電廠排放的二氧化碳，可以引導學生去學習該技術用了何種介質吸收二氧化碳，借由何種轉化機理參與電池循環，這項技術帶來的新收獲是什么，二氧化碳最終去向和其中需要克服的重要難題是什么等，調動學生主動思考的能力，充分發揮課堂上學生群體進行相互學習的便利優勢。

此外，還可以給學生普及各類電池如鋰電池、鋰離子電池、燃料電池等在商業化中的應用程度，展示新能源汽車、快充電池、儲能電池等技術革新的新聞，由書本進入生活。在相應的電源類型中引導學生思考這樣的化學電源的應用領域應該在何處，還可以通過什么樣的實驗研究，如何改變有機會發揮更大優勢等。

要從可持續發作戰的角度出發，緊密結合能源問題、氣候變化等影響人類生活生產的重大問題來進行理論教學，培養學生擁護國家重大發展戰略的責任心與使命感，增強其學習熱情與信心動力。在這些熱門話題之上通過建立反思、演講、討論等教學形式,實現老師帶動學生，學生之間也互相帶動的模式，實現共同進步。

(2)圍繞“雙碳”前沿，授課形式多元化

用線上平臺輔助教學，可以進行隨堂練習，線上論壇進行課后討論等，既有利于提高老師考量、統計平時成績，提高反饋和考核效率，知悉學生對相關知識的掌握程度以進行下一步教學工作的準備；還可以提高學生的參與度，及時反饋在課堂中遇到的學習問題，減緩課堂中學生處于被動，教師講授占據課堂主題的負面反饋[7]。引導學生觀看化學電源科學前沿領軍人物的專題會議報告，雙碳材料及雙碳技術前沿講座等，基于每節課的授課內容，通過選擇合適的學術報告，在課堂上將這種學習融入傳統的教學模式中，要求學生共同交流學習心得。

(3)理論實踐兩手抓，加強實踐能力素養

圖2 典型的循環伏安圖

在教學過程中，我們應該關注要點，強調理論與實踐的聯系，應該介紹化學電源的產生和發展背景，根據課程改革的要求，詳細解釋重要的基本理論，各類電池的優缺點以及創新性，闡述化學電源對于支撐新能源、推進雙碳戰略的意義。通過本課程的學習，學生可以系統地掌握現代電池原理和技術，了解現代電池行業的發展狀況，認識現代電化學儀器、方法在實際生產中的應用，能掌握理論研究與應用相結合的基本思路和方法，為從事科研工作提供扎實理論基礎；還能提升自己的實操能力，促進產學結合。在一部分知識模塊中，我們可以采用理論教學與實驗配套的教學模式，要求學生全面理解和掌握起源、發展、作用、基本過程[8]。

比如電化學分析儀器是電化學技術在現代分析領域中應用的一個重要方面，不僅可以用于研究和解決實際問題，而且還可以為電化學反應、電化學法等研究工作提供有力的技術支持。在授課這部分內容時可以首先重點介紹電化學測量基礎知識、電化學分析儀器原理和電化學分析儀器技術，對電化學分析數據處理和模擬、常見的電化學綜合測試系統都做比較詳細的介紹；此外，再統一安排學生進入實驗室參與學習實操，如在實驗室通過鐵氰化鉀在玻碳電極上的氧化還原實驗，指導學生掌握循環伏安掃描法，測量峰電流和峰電位的方法；指導如何調試設備、設置參數，對循環伏安曲線上的氧化與還原峰手動做切線進行實驗數據處理；分組進行實驗結果的討論，關于鐵氰化鉀在玻碳電極上的氧化還原過程是否可逆，以及為何峰電流-掃描速度曲線不是直線，最后獨立完成實驗報告，實現理論教學與實驗配套。

圖3 扣式鋰離子電池裝配工藝流程圖

還可以引導學生自主完成圓柱、軟包、扣式鋰離子電池的制備、裝配、性能測試及評價，充分發揮學生們的主觀能動性；也可以通過裝電池的仿真實驗教學等授予學生基本實驗技能、經驗、鼓勵觀察和評價，指導和規范他們的實驗表現，培養和提高學生的教學和研究能力。理論與實踐相結合不僅是培養學生科學知識和實驗技能的有效舉措，也是難得的可以培養學生創新思維、主動創新動力的教學模式[9]。

另外，應該以學生為中心，讓學生化被動為主動，通過同時把握老師的教學和學生的學習活動來促進教學效果。除了通過提問、小組討論、讓學生提前準備并上臺演講部分知識點等手段讓學生參與教學的過程，還應該提高學生對過程和原理進行計算推導、論證核算，對不同類型化學電源產品和工藝流程反復分析比較，擇優而取的能力。應深化學生對知識點的理解，培養學生綜合考慮各種相關因素，運用化學電源基本知識理論和相關計算技巧來解決科研、生產中遇到的實際難題。

3.結論

在雙碳目標下，各高校的課程愈加重視碳中和理念與教學實際緊密結合，《化學電源》作為新能源技術領域的核心專業課程之一，其教學質量對引導學生們成為雙碳創新人才具有重要意義，本文聚焦雙碳戰略，提出改進、深化課程內容，開拓多元授課形式，強調理論與實踐相結合，更不可忽視思想政治教育融進教學體系的重要性，以對《化學電源》課程教學方案優化改革，助力于為雙碳目標培養與擴充有創新、有擔當的電化學人才。