“锂离子电池设计及工艺”集中实践课教学模式探究

张小青 郑素枚 程存喜

(厦门工学院 机械科学与电气工程学院 柔性制造装备集成福建省高校重点实验室，福建 厦门 361021)

如何高效地开发和利用新能源材料与技术，成为当今世界科学家们所面临的挑战。新能源材料与器件领域的重点是研究与开发新一代高性能绿色能源材料、技术和器件，是实现新能源转化、利用及发展的关键[1，2]。为了提高新能源材料与器件在国家的战略地位，教育部于2010年批准在高等院校增设新能源材料与器件专业。厦门工学院于2012年经教育部备案审批同意设置新能源材料与器件专业，依据我校的办学定位，该专业旨在培养德智体美劳全面发展、基础扎实、在实际工作中有较强的适应性和创造能力，适应新能源材料与器件产业的发展和市场需求的应用型专门人才。

在新能源材料与器件专业人才培养中，实验教学起着不可比拟的作用，其既是理论知识的具体验证、拓展和延伸，又是培养学生综合实践能力的载体。有效的实验教学对培养学生的创新能力、实践能力、团队协作沟通能力、工程素养等有着重要作用[3]。我校新能源材料与器件专业结合已构建的专业课程体系、师资力量、实验室资源等，设置了具有专业特色的实验教学体系，包含学科通识课实验、专业课实验、集中实践课和课外实践课4个层次。其中集中实践课是培养应用型专门人才的重要内容之一，是连接校内理论教学与工程实践的重要纽带，是提高人才素质与能力的重要途径。作者就我校开设的“锂离子电池设计及工艺”集中实践教学的教学模式所进行的探究与实践进行总结。

1 课程分析

按照教学计划，“锂离子电池设计及工艺”集中实践课要求学生在了解锂离子电池工艺技术的最新研究成果的基础上，能独立完成锂离子扣式电池的整体设计、正负极材料的制备、扣式电池的安装及性能检测、数据分析等。学生若想顺利完成任务，需有一定的理论知识储备和基本的实验技能，故该课程面向大三学生开课。一方面学生此时已经学习了“无机化学”“有机化学”“物理化学”“电化学”“材料科学基础”“锂离子电池材料与器件”等理论课程，有了一定的理论知识储备，对扣式锂离子电池正负极的制备、器件的组装和性能测试有了初步的了解和认识；另一方面，学生也经过了“大学物理实验”“无机化学实验”“有机化学实验”“物理化学实验”“电化学实验”“电子电工技术实验”等实验课程的学习，已经掌握了基本的实验操作技能。

2 教学模式探究

2.1 布置实验任务

教师根据教学大纲向学生布置实验任务，要求学生通过参考实验指导教材及查阅文献设计一个完整的制备与表征体系，完成从锂离子扣式电池的整体设计，到正负极材料的选择及制备，最后到扣式电池的组装及性能测试的全过程。

2.2 设计方案并答辩汇报

班级学生按3人一组自由组队，每个小组选取1位负责人。每组同学围绕教师布置的任务，于1周时间内自行查阅资料，设计实验方案，制作答辩PPT，然后由小组中的1位成员汇报，汇报的内容应包括：(1)所需的药品、耗材及仪器；(2)正极材料的选择和制备方法；(3)扣式电池组装方法及注意事项；(4)扣式电池性能检测方法及结果预期等；(5)计算出的所需试剂的量。汇报过程中，指导教师提出相关问题检验学生对实验内容的掌握程度，并确定方案是否可行。若汇报答辩通过，则进入实验室进行实验，若不通过，则按照指导教师的意见进行修改，修改后再次答辩，直至答辩通过为止。

2.3 制备、组装及表征

学生进入实验室后，先由指导教师讲解及示范真空手套箱、封口机、蓝电测试仪、电化学工作站等仪器的使用方法及注意事项，学生掌握后，开始按照设计的方案进行实验。为了充分发挥学生的主观能动性，培养和提高学生的操作技能，小组每位成员都须制备电池的正极片，组装3～5个扣式电池，并测试电池的阻抗、充放电等性能。

实验开始后，1周内实验室全天开放，学生可以自行安排时间前往实验室完成实验。在实验过程中，指导老师不干涉学生的实验进度，不直接回答学生在实验中遇到的问题，只适时引导，鼓励学生通过自我学习解决问题。

2.4 处理数据，完成报告

实验结束后，小组每位成员都需撰写实验报告，详细记录实验的完成情况，并对实验数据进行处理分析，对实验结果作详细的思考与解释。

3 考核形式

考核与评定是实验教学中重要的一环，科学合理的考核体系尤为重要，其不仅可以客观并全面地评价学生的真实水平，还有利于加强实验管理，对提高实验教学质量起着重要作用。本着“重过程、轻结果”的理念，在对“锂离子电池设计及工艺”集中实践课成绩评定中，分别从以下4个方面进行：

(1)实验方案：该部分成绩占总成绩的20%，主要考查学生设计的实验方案的完整性及可行性；

(2)汇报答辩：该部分成绩占总成绩的20%，主要考查学生制作的PPT的质量，学生的陈述表达能力，回应提问的沟通能力；

(3)实验过程：该部分成绩占总成绩的40%，包括对学生出勤、动手操作、仪器使用、卫生保持等方面的考查；

(4)实验报告：该部分成绩占总成绩的20%，主要考查学生的数据处理及分析、实验结果总结及解释等能力。

4 教学成果

4.1 培养了学生分析及解决问题的能力

传统实验通常是学生按照老师制定好的实验步骤“按方取药”，但该集中实践课的实验内容由学生自行设计，所有的实验条件都需学生自行摸索。如在制备正极片浆液的过程中，文献只说明要先制备合适黏稠度的浆液，并没有给出溶剂的具体用量，学生在制备过程中，由于没有经验，浆液不是太稀就是太稠，无法均匀涂覆在铝箔上，经过多次反复试验探索后，终于制备出黏稠度合适的浆液。再如利用打孔器裁剪隔膜的过程中，由于隔膜薄且韧性大，学生多次试验后，裁剪的隔膜边缘还是有很多毛刺，学生经过思考，尝试在隔膜上下垫一层称量纸进行裁剪，裁剪出的隔膜整体平整，形如满月，边缘圆滑。在整个实验过程中，学生学习热情高涨，遇到问题能积极地思考分析，为了获得理想的实验结果，每位同学都进行了多次的实践探索。

4.2 培养了学生的科研综合能力

科研综合能力包括文献调研能力、科研意识、表达能力、创新能力等，这些能力对学生从事科研工作非常重要[4]。学生在设计实验方案时，需查阅文献资料，这不仅可增强学生文献调研、实验设计、创新思维等综合实验能力，还非常有利于对学生进行系统的科学锻炼。此外，学生还需要学习一些仪器操作和检测方法。如，组装扣式电池需在真空手套箱内完成，这就要求学生掌握真空手套箱的操作方法；电池壳组装好以后需对其进行电化学性能测试，这就要求学生能独立操作充放电测试仪及电化学工作站，能正确设定测试参数；测试结束后，学生还需通过Origin、ChemDraw等专业软件处理数据，并正确分析测试数据。这些对学生后续毕业论文的顺利进行甚至将来从事的科研工作来说，是一个提前学习的过程。

4.3 培养了学生团队合作能力

在设计实验方案及答辩汇报期间，要求同学们以小组为单位完成任务，这就需要小组成员通力合作，培养了学生的合作能力，增强了同学间的沟通与交往。此外，每个学生的学习能力、学习兴趣、专长方向不同，小组成员间的交流互助对活跃学生思维，扩大学生视野，培养学生创造能力，都起到了重要作用[5]。

4.4 考核方式更加合理化

一般情况下，实验教学以平时表现和实验报告作为主要考核指标，但有时不能如实反映学生对实验的掌握程度和思考程度，该门课程的考核评价指标涉及了学生查阅文献的能力、口头表达能力、团队协作沟通能力、动手操作能力、软件运用能力、分析及解决问题能力等，多维度的考核评价指标弥补了传统考核形式单一的缺点，使实验考核更加公正合理，更能全面地考核学生的真实水平。

5 结语

“锂离子电池设计及工艺”集中实践课通过设计实验方案、汇报答辩、制备正极材料、组装扣式电池、测试性能、整理数据、撰写报告及分析总结等环节，使实验内容更趋丰富和形式多样。该实验教学模式试行以来，取得了良好的效果，学生在文献调研、实验设计、实验操作及实验结果分析等综合实验能力的各方面取得了很大进步。同时课程在活跃学生思维, 扩大学生视野, 培养学生创造能力、团队协作能力、实践能力等方面都起到了重要作用。然而，在新工科建设和卓越人才培养的大潮下，如何持续开展新能源材料与器件专业实验教学的创新性改革，推陈出新，与时俱进，仍是我们今后努力的方向。