新能源材料课程教学改革的探索与实践

蒋青青，黎永秀

(中南民族大学 化学与材料科学学院，湖北 武汉 430074)

随着经济快速发展和人口增长，资源短缺、能源危机、环境污染等问题日益尖锐，新能源材料与技术的突破与否成为解决能源危机与环境污染的关键，新能源技术成为当前社会最具有战略意义的领域之一。太阳能、风能、新型二次电池、储能电池等新能源产业在国民经济中的地位日益攀升。近年来，基于晶体硅的太阳能电池，基于锂电池、燃料电池、镍氢电池的新能源汽车产业都在我们国家得到了蓬勃发展，新能源相关领域的产业甚至走在世界前列，但核心技术依然受控于欧美发达国家，这严重制约着我国新能源产业的发展。

目前，知名工科院校已陆续开设新能源材料与器件专业，新能源材料相关课程，以便满足新能源产业对相关专业人才的需求。材料的发展对于提升新能源器件的效率至关重要，因此培养新能源材料的人才是十分必要和紧迫的。此外，知名院校及研究所从事新能源研究的人员也日益增多，选择继续深造读研究生的学生也需要掌握相关知识。本校应用化学专业开设《新能源材料》课程的目的在于：拓宽学生的视野、更新学生的能源知识体系、培养能够从事新能源材料及其器件开发、研究的高素质人才。

新能源课程涉及材料、物理、化学、电子、机械等多交叉学科内容，各高校一般依托自己的办学特点来设置该课程教学内容的侧重点，有侧重电子工程、电化学工程的，也有侧重化学化工、材料学科的，本校应用化学专业根据自己的培养特点，主要侧重于化学与材料部分。目前该课程交叉明显、教学内容尚无系统、现成的经验可以借鉴。本文作者在教学期间，学生反映该课程内容过于繁杂，深度不够，学习起来有一定难度，导致学生学习积极性不高。根据本专业教学大纲的设置，《新能源材料》学时有限，只有 32 学时，课程学时较短而需要讲授的内容却十分复杂，如何整合教学内容，改进教学方法，尽可能的提升学生学习的积极主动性，让学生爱上这门略显枯燥而又非常主要的新能源材料课程呢，这是摆在我们面前亟待解决的问题。本文结合笔者讲授新能源材料课程的体会，初步探讨了该课程的教学内容、教学方法和考核方式的优化和改革。结合《新能源材料技术》课程特色研究制定符合本课程实际应用和科研需求的特色专业培养目标。

1 整合教学内容

由于新能源材料是新设课程，已经出版的参考书相对较少且内容有待完善，因而，任课教师对该课程教学内容的选择至关重要，笔者将授课内容分成绪论、材料物理基础、燃料电池、锂离子电池、太阳能电池、并辅以介绍生物质能源等其他新能源形式。绪论部分主要介绍各类新材料的出现对于人类文明发展的影响，例如半导体硅材料的出现，引发了近五十年的工业革命，让同学认识到人类利用材料的历史，就是一部人类进化的历史；介绍世界能源结构和现状、中国能源现状及面临的问题等入手，从而引入新能源的概念、分类、特点、应用条件和前景等。

材料物理基础部分给学生讲述新能源材料中常用的物理概念，让学生理解半导体、磁性、导电性、介电性的物理模型，可以从微观角度理解材料结构与性能之间的关联。具体的新能源部分，重点介绍锂离子电池、太阳能电池、燃料电池这三类目前应用最广泛的新能源，讲述不同电池的基本原理、常用概念、基本参数、常用的材料以及选择这些材料的原因。此外，给大家介绍一些生物质能源中乙醇汽油、生物柴油等基本概念。

新能源材料与技术是当前社会最具有战略意义的领域之一，国际国内无数的科学家致力于该研究，新能源材料是一门新兴的并且还在不断发展中的学科，每时每刻都有大量的新的研究成果报道，授课教师在教学中以教材中的知识点为基础，更要时刻结合前沿性的科研论文和产业进展进行介绍，笔者不仅自己阅读相关领域的最新的研究论文，将这些成果融入到课堂上；而且鼓励学生阅读文献，通过文献阅读使学生跟踪世界上最先进的研究成果[2]。除专业知识的内容讲授外，我们将增加英文文献阅读讨论部分。我们每两周给学生发放一次最新的文献资料，让学生自己选择感兴趣的一篇，组成一个小团队，通过文献阅读、总结，举行小型报告会的形式，培养学生综合能力的目的。另外，还增加了互动的环节，提高学生的注意力，提高学生参与科研的能力，达到本门课程的授课目的，体现了以人为本，以能力培养为核心的教学理念。

2 改进教学方法

如何改进教学方法，把学生从死板、被动的学习中解脱出来，让学生体会到学习的快乐，是笔者在教学过程中一直思考的问题，笔者采取了课堂讲授、讨论及前沿文献阅读相结合的教学方法。新能源、新材料为新兴学科，笔者紧密结合教学内容精心准备了图文并茂的课件，将石墨烯、碳纳米管、太阳能器件、燃料电池等内容通过视频、图片向学生展示，使得学生对新能源、新材料获得足够的感官认识；另一方面将该技术的应用实例，研究的最前沿文献，与课程理论知识相结合，来强化学生对理论知识的理解、激发对专业学习的兴趣。

课堂引入研究式教学方法，培养学生严谨的科学态度和科研能力。笔者在进行新能源材料及其应用课程的教学中，依据目前国内外在新能源材料领域的研究热点，设计一些研究性课题，布置学生课后查阅相关参考文献资料，结合课程的学习，开展前沿课题的科学研究[3]。学生以PPT 形式和综述小论文的形式完成相关讨论，这一举措可使学生很好地掌握新能源材料等知识内容，对研究现状及发展趋势能有较多的了解。通过这种方式，把传授知识与文献检索能力、思考能力和写课题报告等能力的培养结合了起来。

案例教学改变了以往传统的教学模式，实现了师生互动，突出了学生学习的主体地位，改变了以往死气沉沉的课堂，真正使课堂充满了活力，这样必然能大大提高课堂的教学效率。在讲授锂离子电池时，介绍锂离子电池之父，Good enough 先生如何为锂离子电池的发展而奋斗，要求学生翻译该位作者在2018年94岁高龄情况下写下的关于锂离子电池展望的文章，以手机电池的发展为例，介绍电极材料，电解质的发展历程。

3 配套实践教学环节

新能源材料课程的特色决定了其对实践环节的需求，构建与实际应用结合紧密的课程实践体系成为整个教学过程中的重要组成部分。上述问题可通过学院安排的认识实习与专业综合实验与来解决。首先本学院有十位左右的老师从事锂离子电池、太阳能电池、燃料电池的相关研究，通过综合实验、专业实验、大学生创新实验等共计96个学时的自主选题实验，鼓励学生结合兴趣自主选题，教师指导下完成某一新能源方向的研究工作。让学生们通过参与项目研究，使其在新能源材料的设计、制备、结构、器件制备、性能测试、数据整理和分析、撰写论文等方面得到全面的锻炼，提升了他们的创新能力和科研实践能力，给予学生对新能源材料及器件直观的感受和了解。其次，加强校外实习基地建设，加强与武汉新能源公司相关的合作，为学生的参观实习和生产实习[4]。

4 改革考核方式

学生成绩是检验教学质量的重要环节，可以评定学生对教学内容的掌握程度。

本课程的期末考试题目分为三个类型，第一题，名词解释，通过这道题目让学生掌握常用的基本概念，第二题为问答题，比如新能源对于我们生活的影响，让学生自己梳理各类新能源形式的优缺点，解释自己手机电池的组成，以及充放电过程的基本原理。第三题为英文文献翻译题目，找一段描述燃料电池、锂离子电池、太阳能电池基本原理，常用电极材料的文献资料，让学生翻译。这样设置考试题目不仅需要学生掌握课堂或教材中的内容，还需要增加最新文献资料的课外阅读，并加入自己的理解与思考才能完成作答，避免学生考前突击、死记硬背，考试结束内容全部丢弃的情况。期中成绩是完成一篇课程论文，即针对任一种新能源材料，谈谈自己对本专业的认识和体会，培养学生学术论文的写作能力。有的学生选择了石墨烯，介绍了石墨烯作为电池负极材料的优势，有的学生选择介绍钙钛矿太阳能电池，这些都是新能源领域中研究最为热门，最为前沿的内容，学生能将小论文写到这些点子上面，说明学生已经有了一定的科学素养。这种平时成绩、前沿小论文和期末考试相结合的形式，有助于督促学生对所学课程内容进行思考，从而有利于提高学生的综合素质。

5 总结

新能源材料是一门建立在多学科交叉基础上的新兴学科，作为一门综合性、前沿性、交叉性的课程，想真正学好这门课程并不容易。笔者从事新能源材料教学已有五年时间，根据教学过程中遇到的问题，该学科的实际情况，对教学内容、教学方法及考核方式进行了调整和改革，课程效果得到了明显改善，学生的综合能力得到了提高，甚至有一定数量的毕业生因为此课程，对新能源材料产生了浓厚兴趣，并继续在新能源材料领域进行深造，这些结果均证明了该课程改革取得了良好的效果。