新工科背景下《新能源材料》课程教学模式的研究

乔芬

摘要：《新能源材料》作为一种多学科融合的综合性课程，其教学模式就需要根据课程性质、学生特点以及培养目标进行改革，结合“三全育人”的目标，《新能源材料》课程的改革势在必行，本文在目前《新能源材料》课程的教学模式的基础上，结合《新能源材料》课程内容特点，对要开展的教学方法进行了探讨，以期获得《新能源材料》完善的教学育人课程新体系。

关键词： 新能源材料 教学方式 课程改革 教学目标

Abstract： <New Energy Materials>， as a multidisciplinary integration of comprehensive curriculum， its teaching mode requires to be reformed according to the nature of curriculum， students' characteristics and training objectives. Combined with the goal of "Three Complete Education"， the reform of <New Energy Materials> course is imperative. Based on the current teaching mode of <New Energy Materials> course and combined with the characteristics of "New Energy Materials" course content， this paper discussed the teaching methods to be carried out， in order to obtain a perfect teaching and educating curriculum system of <New Energy Materials>.

Key Words： New Energy Materials; Teaching methods; Course reform; Teaching goal

目前，在积极贯彻习近平主席倡导的“碳达峰”“碳中和”目标和新工科建设的背景下，如何把《新能源材料》课程的教学模式更好地服务于学生，成为亟待研究的课题。本文在前期调研的基础上，以对比分析和实践相结合的方法，围绕如何培养“面向新工科需求的新能源专业创新型人才”目标进行研究。以《新能源材料》课程为研究对象，以符合新时期战略需求的新工科专业人才需求为目标，明确双碳背景下《新能源材料》课程的教学模式定位。创建以新工科为导向的《新能源材料》课程的教学理念，制订一套符合新时期新能源科学与工程专业人才培养的教学模式。

《新能源材料》是新能源科学与工程专业本科生的专业基础课程，本课程主要为学生介绍新能源材料的基础与应用，具体内容则包括储能材料、锂离子电池材料、燃料电池材料、太阳能电池材料等，使学生通过本课程的学习而掌握不同种类新能源材料的制备、相关器件的工作原理及其应用、以及培养合理开发和利用我国新能源的理念[1] 。作为工科的一门课程，讲授《新能源材料》的教师也有

责任培养学生掌握工程伦理知识，学习大国工匠精益求精精神，达到激发学生专

研科学知识和研究使命担当的责任心，通过掌握新能源与社会发展的关系，让学生具有能正确认识能源利用对人类社会生活、环境所带来影响的唯物观点[2]。

为了深入执行和落实“三全育人”和“立德树人”的课程任务，我们把教学与实践融合的理念贯穿于新能源科学与工程专业人才的培养体系，坚持以《新能源材料》课程为达标，挖掘现有的教学资源和题材元素，全面推进《新能源材料》课程建设，指导学生掌握自觉具有发展低碳经济和循环经济的内在理念，能够以可持续发展与否为出发点，认识能源新材料的生产及应用的目标，能够对能源动力领域复杂工程问题中所涉及到的物理现象、系统及设备性能进行理论分析或实验测试验证[3]。本文将从《新能源材料》课程的特点出发，研究如何从课程内容、教学方式及课外实践融合等三个方面，建立课堂教学与实践训练融合相结合的课程体系，以锻炼新能源科学与工程专业学生的理论知识和实践能力，努力发挥好《新能源材料》课程的育人作用，提高高校新能源科学与工程专业人才培养质量。

1  课程内容设置

对于第一章节能源绪论的内容讲解中，向学生介绍能源利用的历史演变，常规能源向新能源的过渡，通过介绍新能源与可再生能源的含义和分类，以及发展新能源与可再生能源的重大战略意义。以马克思主义中的分辨能力，让学生正确认识目前国家新能源研究的现状，从能源的重要性、能源含义和分类，以及能源利用历史出发，再到新能源与可再生能源的含义和分类介绍，重点讲解目前发展新能源的重大战略意义，最后通过分析国内外新能源的发展现状和发展前景，让学生认识到人类社会对目前能源的需求于面临的挑战，激发学生为国家科技事业贡献自己力量的爱国热情。本章的重点在于让学生熟悉目前石油、煤炭、天然气等化石能源的储量及其在各国的占比、各国对新能源的重视程度，能源政策等，而难点则在于理解新能源的特点、新能源材料的种类和利用。通过本章教学，使学生掌握当今能源利用、环境气候现状及所存在的问题，激发他们的爱国热情和从事科学研究的意识。增强学生对我国能源和环境问题的迫切感，重点培养学术不畏困难的科学精神。让学生理解新能源材料在国民经济中的地位以及本课程的性质、作用，鼓励学生为我国能源事业的发展而奋斗学习。

在第二章储能材料的学习中，首先对储能技术及其应用、储能原理、储能材料的基本特性、及储能材料的遴选原则进行详细讲述，接着对显热储能、潜热储能和化学反应热储能的区分及应用进行分析;最后则对储能技术发展的现状、储能技术的前景和挑战、以及储能技术发展现状进行总结和展望。本章的学习难点在于让学生掌握显热储存和潜热储存的原理和有关材料，在理解化学能储存和化学能储存的原理的基础上，掌握各种储能技术特点。学习难点则在于掌握储能原理与技术，把我国储能技术和目前的需求相比较，激发学生探索储能未知的知识。在这一章的教学中，我们将深挖课程素材，包括网上的科学热点和课程教育资源，比如，只有小学学历的农民李广朝，利用本地盛产果树的资源优势，凭借多年的市场调研和刻苦专研，成为中国储能类炭材料领域的“引领者”[4]。还有北京宇田相变储能科技有限公司创始人，业界称之为“相变储能材料专家”、“行业领头人”的杜兔平，从研究煤化工到研制金属材料、无机材料及高温蓄热材料，从相变储能材料专家到行业领头人，致力研制低、中、高各温度段的相变储能材料，并以此为基础，提供全方位的人体温度热管理、储能供热管理、环境热管理、设备热管理等整体解决方案。课堂上安排相应的时间为学生讲解著名科学家的鲜活事例，突出科学家为储能材料的研究和开发所付出的辛勤劳动和奉献精神，比如我国著名的科学家徐祖耀院士，在材料相變、形状记忆材料和材料热力学等领域开创国内研究的先河，并获得世界先进水平的成果，为我国材料科学的发展和材料技术的进步作出杰出的贡献[5]。以上课程素材的介绍，除了激发学生的好奇心以外，还能培养学生对我国储能产业的喜爱和为之奋斗的动力，保障储能发展历史知识与理论知识同步进行。

在第三章锂离子电池材料部分，除了让学生熟悉目前石油、煤炭、天然气等化石能源的储量及其在各国的占比、各国对新能源的重视程度，能源政策等。介绍我国目前锂离子电池的应用现状，让学生感受到国家近些年科技的突飞猛进，也让学生产生对科技的热爱。本章的课程内容将围绕锂离子电池的发展历史、锂离子电池正负材料、锂电池的隔膜材料及电解质、锂离子电池的优缺点及其应用等四大板块分别进行讲述，介绍我国目前锂离子电池的应用现状，让学生感受到国家近些年科技的突飞猛进，还能让学生产生对科技的热爱。本章内容的教学重点在于让学生理解和掌握锂离子电池工作原理，教学难点则在于让学生掌握锂电池及正负材料的特点、种类和利用。通过线上自学、通过阅读、上网查询等方法对生活中我们对锂离子电池应用的实例分析，小组之间积极讨论，增强对锂离子电池材料相关知识的理解。通过本章教学，使学生掌握锂离子电池的工作原理及其特点。理解锂离子电池正负极材料，了解各种材料的作用机理及制备技术。

在第四章燃料电池的学习中，从概述碱性燃料电池材料开始，对它与普通干电池和蓄电池的区别进行讲解，通过对燃料电池的发展历史进行介绍，从燃料电池的工作原理、特征和关键材料等几个方面出发，重点介绍质子交换膜燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池进行对比和分析，进而对不同燃料电池的应用及发展进行展望。本章的学习重点在于让学生熟悉和掌握碱性燃料电池、磷酸盐燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池材料的特点、类型和应用，以及各种燃料电池材料的筛选原则，学习难点在于让学生理解各种燃料电池的工作原理及应用。课堂上将介绍我国燃料电池开拓者之一衣宝廉院士，他主要从事化学能与电能的相互转化研究，80年代利用燃料电池技术，实现空气氧氮分离制备纯氮气，电解水制备超纯氢。安排学生通过课外社会调查，资料查询开展关于燃料电池的研究性学习，引导学生认识燃料电池对促进社会进步和提高人类生活质量方面的重要影响。使学生掌握碱性燃料电池、磷酸盐燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池材料。理解质子交换膜燃料电池材料的特点、类型和应用。熟悉燃料电池的工作原理及各种燃料电池材料，难点在于理解各种燃料电池材料的种类和应用。

在第五章太阳能电池的学习中，首先给学生介绍光伏效应与太阳能电池的基础知识，包括对太阳能概述、太阳能利用方式、太阳能电池的分类的讲述。其次，对不同的太阳能电池材料及基础应用进行讲解，从太阳能电池的物理基础进行理论知识的展开，再到不同太阳能电池材料的发展历程和它们的应用进行分析，重点对硅太阳能电池制备技术及其它与其它类型太阳能电池的区别进行分析，以及光电转换性能的对比，结合产业发展的热点，介绍晶硅太阳能电池的制备，对硅材料的制备工艺和晶硅电池生长流程进行视频方式的介绍，使学生掌握太阳能电池基本概念，理解不同类型太阳能电池的工作原理和特性。通过理论知识讲解，让学生了解半导体材料的能带结构、晶体结构、化学键、载流子的运输、光与半导体相互作用等物理问题。本章的学习重点是让学生掌握掌握P-N结的形成过程、了解扩散运动、漂移运动、动态平衡、内建电场、空间电荷区等专用名词的含义，掌握半导体与光伏效应的关系，转换效率及其影响因素等内容。学习难点在于让学生通过理论知识的学习而掌握不同类型太阳能电池的工作原理。安排学生课后查询与太阳能电池研究有关的资料文献，来巩固课上所学的不同类型太阳能电池的特点及应用现状。通过本章的教学，使学生掌握太阳能电池基本概念，理解不同类型太阳能电池的工作原理和特性。了解半导体材料的能带结构、晶体结构、化学键、载流子的运输、光与半导体相互作用等物理问题。熟悉半导体与光伏效应的关系，转换效率及其影响因素。

2  教学方式

《新能源材料》课程中除了基本的工作原理以外，相关新能源材料以及器件的知识更新速度非常快，而《新能源材料》教材上的知识均已是传统和成熟的基础理论，但不能完全涵盖新能源行业的当前发展态势。所以，在《新能源材料》课程的教学方式上，教师将根据每章的教学内容布置相应的讨论议题，让学生通过课后查找相关论文及其它文献资料，深入了解我国新能源材料行业的优势与特色、目前存在的问题、及将来面临的挑战与机遇等，认真领会每章不同领域中著名科学家严谨求真的科学态度、毫厘必究的科学精神，从而树立守正创新、科技强国的科学信念。

在《新能源材料》教学方式方面，将瞄准新能源科学与工程专业与产业发展前沿，面向经济社会发展需求，借鉴国内外《新能源材料》课程成果，充分利用现代信息技术手段，更新完善《新能源材料》的教学内容，优化《新能源材料》的教学方式，形成具有鲜明特色的《新能源材料》课程的核心讨论群。以科学发展观改革《新能源材料》课程的教学内容，反映新能源科学与工程的学科进展，结合新能源科学与工程专业的任务和业务培养目标，构建专业化的《新能源材料》教学方式。整个课程的教学也要把握主线，引导学生从各类新能源的具体概念及应用发展现状出发，教师采用多媒体教学手段，深入找寻相应的课程素材，配合课上基础知识的讲授及适当的思考题，在保证讲课进度的同时，也要注意学生的掌握程度和课堂的气氛;通过分组研讨式教学方式，让学生在课堂之外更多地了解新能源材料领域研究现状和未来，培养他们能以马克思唯物主义观点去分析问题并给出严谨结论的能力。

另外，积极建立《新能源材料》课程群的教学组，开展《新能源材料》课程教学方法的研究，探索适合《新能源材料》课程所包含的四个内容模块的教学模式，进行《新能源材料》课程建设与教学研究与改革的研究，通过启发式、讨论式、参与式、案例式等教学方法在《新能源材料》课程教学中对比分析它们的应用效果，也根据学生反馈的接受效果对教学方式进行及时调整。

3  课外实践

传统的《新能源材料》课程的教学方式主要集中在教室，由于缺乏课外实践，学生对于课堂上所学的内容并没有直观的认识。因此，学生很难全面掌握新能源材料所需的专业知识。尤其是在目前“双减”政策的形势下，学生不仅需要有新能源方面的专业知识，也要具有扎实的满足“碳中和”和“碳排放“目标的工科基础。新能源科學与工程作为交叉性较强的专业，除了课堂上《新能源材料》的教学方式之外，还需让学生在课外时间多多查阅新能源材料相关的参考文献和工程实践训练。借助学校储量丰富的图书馆及多个数据库，通过查阅和自行学习，学生可以掌握课本以外的相关知识。

江苏大学与国内多家新能源企业有着长期稳定的合作关系，可供本专业的学生在此类新能源技术产教融合校外实践基地进行实践学习。另外，学校大力推进新能源产学研合作，比如，在太阳能电池应用方面，与常州天合光能、无锡尚德、徐州协鑫、盐城阿特斯等公司开展了广泛的研发、技术转化等合作模式，以及合建了一批稳定的光伏发电实践工作站，另外，《新能源材料》課程包括化学在内的多学科理论知识，同时修读的学生需要掌握较宽的应用知识以及一定的工程技术基础，从而该课程的内容设置根据新能源科学与工程的专业建设目标，与本专业的实践基地单位一起参与研究，合理确定《新能源材料》课程的理论教学与实践教学的比例，形成结构合理、特色鲜明的课程教学体系，推动企业与学校共同完成新能源科学与工程专业的培养方案和《新能源材料》课程的教学体系建设，提高学生到企业实习的规范化和实践教学的质量[6]。

另外，通过创建《新能源材料》课程案例，及时更新《新能源材料》课程的教学内容，使学生知识、实践技能与产业需求接轨，实施课程教学、校外实训、创新创业项目开发、参加竞赛等多种模式，强化学生课程知识领悟能力和工程实践能力培养，进而提高学生的就业竞争能力和创新能力，为将来的就业和科学研究提供更好的知识储备和前期基础。

4  结语

《新能源材料》作为新能源科学与工程的专业基础课程，由于其包含的课程内容范围广泛，涉及储能材料、锂离子电池材料、燃料电池材料及太阳能电池材料及相对应的器件等四大模块，所以在有限的课程讲授时间里，把握好课程内容、教学方式是非常重要的。另外，由于新能源处于快速发展的阶段，所以课本的知识跟不上相关新能源材料的更新，所以在实际的教学过程中，就要根据当前新能源行业的发展现状及科研热点进行知识点的更新与替换，让学生能及时学到相应的新能源材料课程相关的知识体系。另外，为了学生更好地理解和消化课堂上所接收的知识点，学校增加了学生的课外实践环节，让老师把课堂理论知识讲授和课程素材就教育目标结合起来，为学生毕业后的就业和今后的科研打好坚实的知识基础和扎实的工程训练能力。本文从课程内容设置、教学方式和课外实践三方面出发，分别探讨了如何通过课程素材、实践环节培养及竞赛等措施的引入，从而调动学生的学习兴趣，继而达到培养学生掌握扎实的理论知识基础和实践能力，从而做到提高新能源科学与工程专业人才培养质量的目标。

参考文献

[1]徐众，侯静，万书权，等.地方高校技术应用型高级专门人才培养的思考与实践——以攀枝花学院新能源科学与工程专业为例[J].科技风，2020（32）：162-164.

[2]孙玉红.学科教育课程案例教学模式研究[D].长春：东北师范大学，2019.

[3]张成利.中国特色社会主义生态文明观研究[D].北京：中共中央党校，2019.

[4]董苾茜.社会区隔与贫困的再生产[D].武汉：华中师范大学，2019.

[5]晏盈聪.新中国成立前后留学归国科学家爱国主义精神研究[D].成都：西南交通大学，2020.

[6]黄丽.“双一流”战略背景下民办本科高校专业建设个案研究[D].南昌：江西财经大学，2020.