“双碳”目标下《化学电源》课程理论和实践教学改革研究

＊孙志鹏 邵涟漪 史晓艳

（广东工业大学材料与能源学院 广东 510006）

近年来温室效应、极端恶劣天气如台风、暴雨、高温、泥石流、干旱等自然灾害频繁发生。2008年我国罕见低温雨雪，冰冻灾害肆虐南方；同年5月，缅甸海基岛附近有热带风暴纳尔吉斯登录，7万多人死亡；2010年春季，我国南部地区在以外的梅雨季节时期却遭遇特大干旱；根据政府间气候变化委员会Ipcc指出，2020年全球平均气温比工业化前高出了约1.2摄氏度。研究表明，以上气候灾害，与人类碳排放过度有不可分割的关系。碳排放是人类经营生产生活过程中向外界排放温室气体，而温室气体中最主要的气体是二氧化碳。

我国计划到2020年单位国内生产总值二氧化碳排放量比2005年下降40%到45%的控制温室气体排放行动目标已经实现。2020年，75届联合国大会上中国又一次提出，将提高国家自主贡献力度，采取更有利的政策和措施，于2030年前达到碳达峰，努力争取2060年前达到碳中和的目标。由此，中国碳中和之路强势推出新能源汽车，风电光伏发电等领域亦蓬勃发展[1]。

化学电源又称为电池，是一种把化学能直接转化为电能的装置。随着“碳达峰、碳中和”双碳目标升级为国家战略，电化学储能作为能源和交通领域的关键技术越来越受关注，化学电源必将成为支撑新能源和电动汽车等新兴产业最核心的技术之一[2]。

图1 化学电源组成及电极反应方程式

《化学电源》是为新能源材料与器件专业本科生开设的一门专业基础课，主要介绍各类化学电源的结构组成、工作原理、性能和制造工艺的课程，是新能源器件研究的必备理论基础知识，对于新能源器件的设计思路、关键材料的选择、制备工艺的优化等领域具有重要意义，是为实现双碳目标输送电化学储能等领域的新人才的必备课程，对开展相关领域的研究工作具有一定的指导和引导作用。

但在这样的新时代大战略目标下开设的专业基础课《化学电源》，其授课的过程中，无论是学生体验还是教学成果，都浮现出与传统教学模式中大同小异的诸多问题。因此，在双碳目标下，解决《化学电源》课程理论和实践教学面临的研究、改革问题已是当务之急。针对其教学现状，指出课程教学中存在的弊端，提出完善教学体系、提高教学质量的措施，有利于为双碳战略培养电化学领域复合型创新人才[3]。

1.教学现状存在的问题

偏重于注重基础理论，缺少实践和深刻的理解。没有改变许多传统教学模式中要么偏重于基础理论，要么偏重于工程技术的弊端，无法在授予电化学发展脉络及其重要基础知识的同时，根据电化学在实际科学研究和工业生产中的应用，把科学基础问题和解决实际问题联系起来，做到科学研究和工程技术的紧密结合。这种传统的、单一的教学模式已经无法满足新时代双碳目标下创新型复合人才培养目标的推进[4]。

课堂的教学缺少师生之间的互动，学生的课堂参与度不高，无法及时得到学生课堂学习情况的反馈，也缺少如何改进教学模式的反馈。

考核形式和考试内容单一，学生的答题模式也只是千篇一律，机械重复，少有自己的思维创新[5]。

缺少树立使命担当、理想信念的思想引领，不利于增强学生的学习信心与动力，明确学习目标与途径[6]。

2.教学改革研究

(1)课程内容拓展，扛起“双碳”战略使命

碳达峰、碳中和是一个宏大的战略目标，在电化学领域实现对化学电源提高能效、节能减排，创新性实现资源的高效循环利用是双碳战略目标的关键。因此，可以结合双碳目标，适当对授课内容进行增设，对授课章节进行增改，设法提高学生的学习兴趣，推动学生从被动型输入学习到主动型积极探索的转变。一方面，通过了解全球社会、环境以及经济背景，讨论双碳战略目标的必要性；另一方面，通过国家对于实施双碳目标建立的一系列战略发展方向，了解新能源以及化学电源在目标实施过程中起到的作用。如风力和光伏发电的不连续性和不稳定性则可以由化学电源的引入得到很大程度的解决。又如麻省理工学院的一个研究团队推出了一种新型的锂基电池技术，可以净化火力发电厂排放的二氧化碳，可以引导学生去学习该技术用了何种介质吸收二氧化碳，借由何种转化机理参与电池循环，这项技术带来的新收获是什么，二氧化碳最终去向和其中需要克服的重要难题是什么等，调动学生主动思考的能力，充分发挥课堂上学生群体进行相互学习的便利优势。

此外，还可以给学生普及各类电池如锂电池、锂离子电池、燃料电池等在商业化中的应用程度，展示新能源汽车、快充电池、储能电池等技术革新的新闻，由书本进入生活。在相应的电源类型中引导学生思考这样的化学电源的应用领域应该在何处，还可以通过什么样的实验研究，如何改变有机会发挥更大优势等。

要从可持续发作战的角度出发，紧密结合能源问题、气候变化等影响人类生活生产的重大问题来进行理论教学，培养学生拥护国家重大发展战略的责任心与使命感，增强其学习热情与信心动力。在这些热门话题之上通过建立反思、演讲、讨论等教学形式,实现老师带动学生，学生之间也互相带动的模式，实现共同进步。

(2)围绕“双碳”前沿，授课形式多元化

用线上平台辅助教学，可以进行随堂练习，线上论坛进行课后讨论等，既有利于提高老师考量、统计平时成绩，提高反馈和考核效率，知悉学生对相关知识的掌握程度以进行下一步教学工作的准备；还可以提高学生的参与度，及时反馈在课堂中遇到的学习问题，减缓课堂中学生处于被动，教师讲授占据课堂主题的负面反馈[7]。引导学生观看化学电源科学前沿领军人物的专题会议报告，双碳材料及双碳技术前沿讲座等，基于每节课的授课内容，通过选择合适的学术报告，在课堂上将这种学习融入传统的教学模式中，要求学生共同交流学习心得。

(3)理论实践两手抓，加强实践能力素养

图2 典型的循环伏安图

在教学过程中，我们应该关注要点，强调理论与实践的联系，应该介绍化学电源的产生和发展背景，根据课程改革的要求，详细解释重要的基本理论，各类电池的优缺点以及创新性，阐述化学电源对于支撑新能源、推进双碳战略的意义。通过本课程的学习，学生可以系统地掌握现代电池原理和技术，了解现代电池行业的发展状况，认识现代电化学仪器、方法在实际生产中的应用，能掌握理论研究与应用相结合的基本思路和方法，为从事科研工作提供扎实理论基础；还能提升自己的实操能力，促进产学结合。在一部分知识模块中，我们可以采用理论教学与实验配套的教学模式，要求学生全面理解和掌握起源、发展、作用、基本过程[8]。

比如电化学分析仪器是电化学技术在现代分析领域中应用的一个重要方面，不仅可以用于研究和解决实际问题，而且还可以为电化学反应、电化学法等研究工作提供有力的技术支持。在授课这部分内容时可以首先重点介绍电化学测量基础知识、电化学分析仪器原理和电化学分析仪器技术，对电化学分析数据处理和模拟、常见的电化学综合测试系统都做比较详细的介绍；此外，再统一安排学生进入实验室参与学习实操，如在实验室通过铁氰化钾在玻碳电极上的氧化还原实验，指导学生掌握循环伏安扫描法，测量峰电流和峰电位的方法；指导如何调试设备、设置参数，对循环伏安曲线上的氧化与还原峰手动做切线进行实验数据处理；分组进行实验结果的讨论，关于铁氰化钾在玻碳电极上的氧化还原过程是否可逆，以及为何峰电流-扫描速度曲线不是直线，最后独立完成实验报告，实现理论教学与实验配套。

图3 扣式锂离子电池装配工艺流程图

还可以引导学生自主完成圆柱、软包、扣式锂离子电池的制备、装配、性能测试及评价，充分发挥学生们的主观能动性；也可以通过装电池的仿真实验教学等授予学生基本实验技能、经验、鼓励观察和评价，指导和规范他们的实验表现，培养和提高学生的教学和研究能力。理论与实践相结合不仅是培养学生科学知识和实验技能的有效举措，也是难得的可以培养学生创新思维、主动创新动力的教学模式[9]。

另外，应该以学生为中心，让学生化被动为主动，通过同时把握老师的教学和学生的学习活动来促进教学效果。除了通过提问、小组讨论、让学生提前准备并上台演讲部分知识点等手段让学生参与教学的过程，还应该提高学生对过程和原理进行计算推导、论证核算，对不同类型化学电源产品和工艺流程反复分析比较，择优而取的能力。应深化学生对知识点的理解，培养学生综合考虑各种相关因素，运用化学电源基本知识理论和相关计算技巧来解决科研、生产中遇到的实际难题。

3.结论

在双碳目标下，各高校的课程愈加重视碳中和理念与教学实际紧密结合，《化学电源》作为新能源技术领域的核心专业课程之一，其教学质量对引导学生们成为双碳创新人才具有重要意义，本文聚焦双碳战略，提出改进、深化课程内容，开拓多元授课形式，强调理论与实践相结合，更不可忽视思想政治教育融进教学体系的重要性，以对《化学电源》课程教学方案优化改革，助力于为双碳目标培养与扩充有创新、有担当的电化学人才。