基于OBE教育理念的材料专业教学改革

金传玉　徐彩萍　赵利民　尹杰　蒲锡鹏　李伟

摘  要：在高校各大专业积极参与国家工程专业教育认证的前提下，以新能源材料与器件专业课程锂离子电池原理与关键技术为例，充分贯彻以学生为中心和以成果为导向的教学理念，通过课堂教学模式、授课方式及手段、课程形式、案例分析和个人实践等多方面，提高大学生深度学习能力、自我学习能力、个人创造力和多学科交叉融合创新能力，并以此为媒介大力培养学生的爱国主义情怀，积极鼓励大学生投身于建成社会主义现代化强国的伟大事业。

关键词：OBE教育理念；新能源材料与器件专业；锂离子电池原理与关键技术；教学改革；多学科交叉融合创新能力

中图分类号：G642         文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2023）12-0136-04

Abstract： Under the premise that major colleges and universities actively participate in the national engineering professional education certification， the paper takes the new energy materials and devices professional course "Principle and Key Technology of Lithium Ion Battery" as an example， fully implements the student-centered and results-oriented teaching concept. Through the classroom teaching model， teaching methods and means， course forms， case analysis and their own practice and other aspects， it not only improves college students' deep learning ability， self-learning ability， personal creativity and multi-disciplinary innovation ability， but also uses it as a medium to cultivate students' patriotism. College students are actively encouraged to devote themselves to the great cause of building a modern and powerful socialist country.

Keywords： OBE education concept; new energy materials and devices; Lithium-ion Battery Principle and Key Technologies; teaching reform; interdisciplinary integration and innovation ability

新能源材料与器件专业是国家战略性新兴产业新能源、新材料密切相关的专业。为了贯彻“碳达峰、碳中和”目标，面向聊城地方社会经济主战场对新能源材料的重大需求，笔者所在的聊城大学材料科学与工程学院（以下简称“学院”）在2017年依托于材料科学与工程、材料化学专业长期的积淀与发展，新增设新能源材料与器件专业（以下简称“本专业”）。本专业开设的目标是培养具有良好的职业道德、社会责任感和团队精神，具备坚实的材料科学、化学、物理及电子等学科的交叉知识基础，系统掌握并熟练运用新能源材料与器件专业相关的基础理论、工程技术知识和专业技能，具备创新意识和发展潜质，能够在能源、材料、化工、环境、新能源汽车、通信及电力储能等领域开展从事科学研究、工程设计、技术开发、生产经营与管理等方面工作的高层次工程技术人才[1]。在众多新能源器件中，锂离子电池是规模相对较大、开展较早、技术较成熟的一个重要行业。此外，锂离子电池相关理论及技术也是其他新型动力电池如钠离子电池、钾离子电池、镁离子电池、锂硫电池、锌离子水系电池及超级电容器理论的基础，故在本专业开设初期，学院就为本专业学生开设了锂离子电池原理与关键技术课程（以下简称“本课程”），共36学时。本课程是研究锂离子电池原理、电极材料结构、性能及两者之间关系的一门学科，是一门体系完整、发展迅速的理论学科，同时又是一门紧密联系生产实际的基础学科。通过本课程的学习，使学生掌握锂离子电池所包含的基本概念、理论及分析测試方法，为其毕业设计及未来从事新能源材料工作打下理论基础，并为电极材料的制备、加工、选材、应用、改性及性能测试等提供理论依据，进而指导理论研究及生产实践。结合锂离子电池原理与关键技术实验，对学生进行相关基本训练，培养学生分析问题和解决问题的实际工作能力[2]。本课程早期以单一课程教学形式开展，以教师讲为主，学生课后做习题为辅，存在知识讲解枯燥乏味、学生上课不积极、理论与实践结合不密切等问题。近期，笔者所在学院的高分子材料与工程专业成功通过教育部工程教育专业认证，基于成果导向教育（Outcome Based Education，简称OBE）这一先进教学理念被重点推广和应用。为此，笔者总结近几年的教学改革和实践，成功将OBE理念引入到该课程的教学实践中，不仅强调学生的主体地位，更加注重培养学生自主学习与协作学习，强调学生获得的成果和能力，从而实现了以成果为导向的教学模式。

一  以有效提问引导学生深度学习

OBE教育理念是一种以成果为目标导向，以学生为本，采用逆向思维的方式进行的课程体系的建设理念，是一种先进的教育理念。在OBE教育模式下，教学过程需要做到以“学生”为中心，以“学习结果产出”为导向，提高教学效率和教学质量，更加注重培养学生的自我探索和自我学习等多方面能力[3]。锂离子电池原理与关键技术课程经过与工程教育专家研讨，自我探索和实践，逐渐形成了基于OBE理念以有效提问引导学生进行自我深度学习的模式。锂离子电池的基本原理及性能指标是锂离子电池原理与关键技术课程重要内容之一，也是本课程的最基础内容。早期课程讲解主要以示意图形式陈述锂离子电池的原理，公式推导模式解析电池性能指标，对于该专业学生，此部分内容陈述较为枯燥，且性能指标部分脱离实际，存在理解困难、概念混淆等问题。基于智能手机、锂电池电动自行车等智能设备在大学生中的广泛普及，我们将平时使用手机、电动车等存在的问题引入到课堂上，例如为什么冬天时，手机、电动车不易充电，且非常不耐用；夏天时，电动车易充电，却发热严重。在此讨论提问过程中，也鼓励同学们提出自己在平时使用手机、电动车过程中的一些困惑。例如，有些同学就主动提问，快充对手机电池的使用寿命有影响吗，手机充电过程中可以使用手机吗，手机、电动车充电过程中着火的原因是什么，采用何种方式灭火等生活常见问题。笔者从锂离子电池的基本原理及其性能指标角度，理论联系实际来回答上述一系列问题。既让学生们能够掌握锂离子电池的基本原理及性能指标，又能够让学生们感受到所学的专业知识已经渗透到生活中。通过一系列的由浅入深的提问和探讨等方式，在课堂上能够明显感受到学生对基本原理知识兴趣的提升，且能够立即将所学的知识运用到自己的生活中，达到学习成果满足学生需求的OBE目标。

通过将OBE理念融入教学课和对学生学习效果分析总结，笔者发现本专业的学生更希望采用目标和课堂教学内容相结合的教学方式，更渴望自己所学的知识能够在未来工作或者继续攻读硕士学位中有所应用。因此，锂离子电池原理与关键技术课程在前期讲述基本原理和性能指标的过程中，将更加注重将基本原理等与实际生活、工业化生产和未来科学研究相结合，让学生清楚地明白所学的理论在未来如何发挥重要的作用，进而激发学生的学习兴趣，活跃课堂气氛。

二  突破思维定势，注重培养学生多学科交叉融合创新能力

材料科学与工程是一个多学科领域，涉及物质的性质及其在各个科学和工程领域的应用，而新能源材料与器件专业更是跨能源科学、材料科学和化学等多个学科的多学科交叉专业。在作者多年的本科教学过程中，发现学生困惑于自己所学的专业知识，认为本专业所学的课程多而杂，没有重点学科。虽然学生按照高中学习模式能够将每个课程知识牢记心中，但是很难将各学科课程系统地关联起来。因此，基于OBE理念，在教學过程中突破思维定势，注意培养学生多学科交叉融合创新能力。

本课程所授大三学生，经过大一、大二的课程学习，基本掌握了大学课程学习的技巧，也能够将高中学习模式进行改进和提升，已适应了大学课程教学模式。然而，很多大三学生随着在大学学习新鲜感的消失，很难在课堂上找到学习的兴奋点，而课后又很难进行有效的自我练习和复习。随着课程学习深度加深，学生更是对所学专业存在困难和迷茫，进而对自己未来发展方向充满了困惑。因此，如何在课堂上将之前所学的专业知识融汇到本课程中，培养学生的多学科交叉融合创新的能力，明晰自我未来发展方向，实现有目标、有追求的自我学习和自我提升。基于OBE理念，笔者注重将之前所学的知识如大学化学、大学物理、物理化学、材料科学与基础、材料研究测试与方法和电化学等基础知识通过课堂提问、讨论和随堂测试等方式进行融合教学。

锂离子电池正极材料、负极材料及电解质材料是本课程的核心内容，早期课堂知识从锂离子电池电极材料理想特点、常见电极材料的结构、优点及缺点和改性等方面进行课堂讲授，早期存在内容过多，层次结构不够明了、内容枯燥且繁琐等问题。此外，在备课过程中，笔者也存在着教学量过大、备课杂，学生反映内容感觉很新，有很重要的作用，但是无法获取关键内容等困扰。基于OBE理念，笔者在课堂上由浅入深探讨式和对比式的教学方式讲述锂离子电池电极材料的发展及特点，并结合本科所学的内容重点讲述学生所学知识在专业课程的作用以及基础知识在未来工业化生产中的重要地位。以锂离子电池负极材料为例，将大学物理所学的能量计算公式（W=UIt）罗列出来，鼓励学生从基本公式出发，探寻锂离子电池理想负极材料应该有哪些特点；从大学化学、电化学和材料科学与基础角度出发，探讨负极材料结构应该有哪些特点；针对锂离子电池负极材料储锂机制存在多种方式，笔者从材料科学与基础角度重点阐述嵌入式、转换式和合金化过程中结构的变化，从而明确各种储锂机制的优点和缺点。针对“碳基负极材料存在多种碳结构且结构对碳负极的比容量具有很大影响”这一问题，让学生们分析何种结构更加有利于锂离子的传输。此外，让学生基于生物碳结构材料在校园里探寻具有多级结构的碳生物质材料。许多同学特别热衷于此，有许多新的碳基生物材料被发现，比如蜘蛛网、蜂巢等具有多级结构碳基材料。通过上述教学模式，学生不仅较好掌握了专业知识，而且能够将所学的基础知识自我运用到专业课程中，具有较高的自我成就感，提升了学科的认同感、明确了个人的人生目标。

笔者所在的专业近些年考研率一直名列全校前列，且很多继续攻读研究生的学生都非常热衷选择新能源材料与器件方向并取得较好的科研成果。锂离子电池原理与关键技术课程不仅成为学生的一门专业课程，也是学生们深入了解本专业未来发展方向及规划个人人生目标的引导课程。基于OBE理念的教学模式正在拉近老师和学生、课程与规划、知识与研究及个人目标与民族复兴的距离，逐渐形成具有特色、课堂内容丰富多彩、层次结构明晰及讲授内容突出的新型课堂。

三  培养学生学以致用、用以促学、学用相长的学习观和实践能力

大学学习的特点在于实践，如果只是知道而不去做，那么学与不学就没有什么区别了。学习，就要联系实际学，带着问题学，把研究解决问题作为学习的着眼点、落脚点，决不能坐而论道空对空。锂离子电池原理与关键技术课程在教学过程中，附有36学时专业实验课。学生实地进入离子电池实验室，亲身进行锂离子电池正极、负极电极材料的制备，电极制作，电池组装与测试和电池性能分析等实验环节，锻炼了学生的实践能力，激发学生对课程的兴趣。

在专业实验过程中，学生们不仅能够将专业的知识应用到实验中，而且能够在实验过程中提出新问题，并与老师探讨相关问题的知识点。例如，在锂离子电池碳基负极材料的制备过程中，笔者给予学生充分的自由选择空间，从校园和生活中探寻各种碳基材料，很多同学特别热衷于在生活中观察细微的生物质结构材料，提供了如蒲公英、具有高黏性的榆树皮、具有较高蓬松性的洗面纸巾等。将上述生物质碳基材料经过煅烧后直接让学生制备锂离子电池负极材料，并测试相关电化学性能，学生热情高涨，认真实验，对制备电池的比容量和循环性能一比高下。通过专业知识陈述“为什么不同的碳基材料其比容量和循环稳定性不同”，从而将专业知识应用到实验课程中，而在实验课程中，又发现原始的生物源材料如蒲公英、榆树皮，其制备的碳材料性能低于洗面纸巾等二次生物质材料，学生自主提出问题，老师与学生一起运用材料基本知识做出应答。

笔者在教授课程和其相关实验的过程中，充分调动学生的科研积极性。聊城大学和学院也通过大学生创新大赛的形式给予了高度的支持和评价。学生在本科阶段积极参与老师的课题项目，已经涌现出一大批本科阶段既可以掌握新能源材料与器件相关专业实验，又能够独立操作实验设备和对相关项目进行深入的研究。近些年，本专业每年以本科生为第一作者的英文论文发表数量均在5～7篇，已经建立起了“导师+研究生+本科生”的人才培养模式。此外，本科生在专业知识的学习过程中，对于本专业的专业实验及专业术语具有了较深入地理解，而且培养起了其自身处理数据、分析数据和谈论的能力，本科生毕业论文有了明显的提高。笔者在大三期间重点培育了多位学生，经过细心地指导，学生基本具有了准研究生学术研究的能力，在英文SCI二区杂志上发表论文4篇，取得了可喜的成绩。本科阶段培养的实验技能和科研创新能力，对于本科生未来无论是从事相关工作，还是继续读研，均具有重要的意义[4]。

基于OBE理念的教学模式大大激发了学生的创新意识，也增强了学生的创造能力，通过课程基本原理的学习，结合生活中的灵感发现，可以激发出学生观察能力、分析能力和思考能力，真正将课上内容与实际生活相结合，使得课本上的知识不再是高高在上的理论。真正做到从书本中来，寻找生活中灵感，到科研中验证的OBE教学理念。

四  基于OBE理念传承初心使命，弘扬爱国情怀

随着碳中和目标的快速推进和新能源产业的大力发展，全球能源结构正面临着重大变革。储能系统作为能量存储及转化设备，成为支撑能源革命的关键技术之一。锂离子电池作为技术最成熟、使用最广泛的一类储能系统，在能量密度、功率密度及成本等问题上面临着新的挑战。新能源材料与器件专业在未来必将扛起中华民族伟大复兴的能源大旗。培养相关专业人才，不仅要培养学生优异的专业技能，还需树立其正确的人生观和价值观。笔者在授课过程中，从锂离子电池的发展历程、2019年诺贝尔化学奖及我国锂离子电池近期的高速发展等角度出发，向学生们阐述我国企业家在党和国家领导人的关心和关怀下，在国家资金和规划的支持下，如何从零起步，赶超国外先进锂电生产商的艰辛历程。通过上述历程的交流，培养学生们分国家所忧，投身社会主要现代化建设中，特别是新能源相关领域中，解国家所难的爱国主义情怀。在锂离子电池正极材料、负极材料及电解质材料的理论知识讲解中，重点向学生们讲解国家的大政方针政策，如国家的“十四五”规划；讲述老一辈的科研工作者们心系国家，无私奉献的家国情怀；描述我国当代青年科学家在国家的大力支持下，不断努力，突破创新，解决一个又一个新能源领域的科學难题，勇攀科研界的一座又一座高峰，争相将五星红旗插在科研的高地上。

五  基于OBE理念构建专业学习成果评价体系

OBE的理念是反向设计、正向实施，即预设课程目标后，修订教学大纲，整合课程内容，通过各种教学手段、教学方法完成教学，在学生学习结束后，对学生的学习成果进行评价，明确课程是否达到了预设目标。“以学生为中心，以成果为导向、持续改进”是构建专业学习成果评价体系的基本原则。在评价体系中既要考虑学生的自我评价和老师的评价，又需要与预设的学习成果进行对比评估，在学与教的过程中不断自我改进，以实现设定的成果目标。因此，需要构建多元化的专业学习成果评估体系来调动学生在学习过程中的积极性、主动性和自主性，又需要将考核性指标即成果为导向，不断地反馈教学及学习成果[5]。

笔者在教学过程中，基于OBE理念，制定了一系列的考核与评估体系。针对教学过程中的成果评估，采用了课堂小组讨论、小组辩论、研究进展展示、课堂研究思维导论设计、最新科学进展简述及实验方案设计比赛等多种形式进行过程考核，注重发现学生的特长，培训学生的创新成果，综合评价学生学习成果。期末考试更是注重考核学生学习方法、学习思维、学习能力和各种创新性等能力。

伴随着智能化设备在大学生中的普及，特别是近期慕课、微课和虚拟课堂等新型教育网络媒体的兴起，课堂已经不再是单纯地讲解公式、学生跟随着老师思维进行学习的地方。本课程课堂教学更是树立了“以学生为中心”的理念，实施“以结果为导向”的教育，打造持续改进的教学文化。中国大学的核心理念是要解决“培养什么人，如何培养人”的问题。因此，高校教师更应顺应时代潮流，竭尽全力为国家培养德智体美劳全面发展的新时代社会主义建设者和接班人。

六  结束语

综上所述，在OBE理念的指导下，实施“以学生为中心”的教学，聚焦于学生受教育后获得什么能力和能够做什么的培养模式，一切的教育活动、教育过程和课程的设置都是围绕实现预期的学习结果。通过课堂教学模式、授课方式及手段、课程形式、案例分析和自身实践等多方面的探讨，其对学生综合素质的培养和个人创新能力的提升具有巨大的贡献。本课程不仅将与锂离子电池相关的专业知识授予学生，而且以此为媒介大力培育学生的爱国主义情怀，积极鼓励大学生投身于建成社会主义现代化强国的伟大事业中。

参考文献：

[1] 钟海长，赖贵文，吴丽芬.新能源材料与器件专业课程体系探索[J].大学教育，2020（3）：61-63.

[2] 黄勇，吴益霜，刘沙沙，等.新能源科学与工程专业人才培养方案再思考[J].广东化工，2020（47）：155-156.

[3] 马建民.基于成果导向教育理念的工程专业教学改革[J].教育教学论坛，2021（7）：61-64.

[4] XU C P， JIN C Y， WANG X Y， et al. Structured confinement effects of hierarchical V2O5 cathodes to suppress flow of molten salt in high specific energy thermal batteries with binder-free MgO[J]. Electrochimica Acta， 2022（401）：139496.

[5] 苏芃，李曼丽.基于OBE理念，构建通识教育课程教学与评估体系——以清华大学为例[J].高等工程教育研究，2018（2）：129-135.

基金项目：2019年国家自然基金青年基金项目“热电池正极材料表面重构柔性中空碳泡层抑制界面钝化层形成机制研究”（51904148）；2021年山东省本科教学改革研究面上项目“工程教育专业认证背景下材料类专业应用型人才培养模式研究”（M2021115）；2019年山东省自然基金项目“长寿命热电池用纳微结构NiS2/C正极材料的高热稳定性研究”（ZR2019PEE035）；2020年聊城大学教改项目“基于智慧教学工具构建电化学理论与实验深度融合的线上线下混合式教学模式”（无编号）

第一作者简介：金传玉（1989-），男，汉族，山东临沂人，博士，讲师。研究方向为热电池。

*通信作者：李伟（1981-），男，汉族，山东聊城人，博士，教授。研究方向为功能陶瓷材料。