《先进电化学能源材料》课程教学改革初探*

黄 洋，徐航天，雷 文

(南京林业大学理学院，江苏 南京 210037)

进入21世纪，以煤炭、石油、天然气为代表的化石能源在推动社会迅速发展的同时也给人类赖以生存的自然生态环境带来了严重的危害。作为不可再生资源，化石能源储量有限且日渐枯竭[1]。国际上围绕化石资源的地缘政治博弈错综复杂，资源输送通道存在隐患。发展清洁可再生的新能源、培养新能源领域的技术型人才，是我国实现创新驱动发展和人才强国战略的重要举措。

在各种能量存储与转化过程中，将化学能转化为电能的系统被称为电化学能源系统。这种新的能源体系具有高效率、低污染、长寿命、安全可靠等特征[2]。由于其符合可持续的高效能源发展模式，因此部分新能源系统业已在人类生产和生活中发挥关键作用。2019年诺贝尔化学奖颁发给了对锂电池开发和应用做出杰出贡献的三位科学家，这是对电化学新能源最充分的肯定。

研究表明，基于材料学的设计和制造对于显著提升新能源体系性能起到了极为关键的作用。因此，立足于高等学校，培养大批具有新能源材料基础和实践能力的人才对于加速我国掌握能源核心技术、推动能源产业自主创新、维护国家能源战略安全等具有十分重要的意义。

本校所开设的《先进电化学能源材料》课程涉及材料物理、材料化学、电化学等众多学科，是一门多学科交叉型专业课程。由于课程知识覆盖面广、基本概念众多，因此如何能在有限的学时内将课程内容完整、清晰地向学生讲授，让学生感受到学习的意义和兴趣，成为了摆在任课教师面前亟待解决的关键难题。

基于上述课程教学中出现的问题，本文结合笔者教学团队对《先进电化学能源材料》课程教学改革的研究和实施，初步探讨了该课程的理论教学方法、实践学习方案、科研探索路径、综合考核办法。结合本课程特色研究并制定了符合课程目标计划、面向工程研发应用、聚焦科学前沿发展的教学改革实施方案。

1 理论教学

1.1 科学发展规律探索

在课程起始阶段，任课教师应紧密依据课程主题将新能源和电化学的发展简史、应用领域、学习方法等向学生进行概述性的介绍。以关键人物为支点，以关键历史事件为标志，向学生介绍该学科领域的发展脉络，让学生领略电化学能源在推动技术发展和社会进步等方面所发挥的重要作用。从电化学开创者伽伐尼的“动物电”事例作为起点，介绍电化学中电流、电解液、电极等基本概念；借助意大利物理学家伏打的电堆试验阐述电极电位、电位差、电压等重要物理意义；通过戴维制备金属钾、钠的实验介绍电解法在氧化/还原反应中所占据的重要地位；在介绍法拉第的历史贡献时，可以将电解质、离子、阴极、阳极等电化学储能基本要素融入进来。进入20世纪，又可以稳态/暂态电化学技术为分界点分成上、下两个50年来介绍。20世纪上半叶德拜和休克尔提出了电解质稀溶液理论和海洛夫斯基创立的极谱技术极大促进了电化学在理论和实验技术上的发展。而20世纪下半页古迪纳夫和吉野彰关于锂离子电池电极材料的设计工作则直接推动了电化学新能源技术的市场化应用。进入新世纪，随着资源和环境问题日渐严峻，科研人员把目光投向具有更高理论容量的电极材料和丰度较高的钠离子/钾离子储能体系。而以燃料电池为代表的高能量转化效率、低污染物排放能量转化体系也获得了极高的关注。

该阶段授课过程应该充分借助多媒体教学手段，利用图片、视频、演示动画等丰富的授课形式讲述电化学能源在各个发展阶段的重要人物和标志性成果，同时注重调动学生的学习兴趣。在电化学发展简史的介绍中应该重点突出该学科发展的规律性、阶段性、必然性等。在对科学巨匠的介绍中应该引导学生学习他们执着于科学的精神、学习勇于创新的胆识，为培养学生养成良好的科研素养奠定基础[3]。

1.2 课上-课下互补式教学

进入真正的理论学习阶段，按照教学大纲将每部分内容以整体框架的形式依据教学计划向学生进行介绍。由于课时的限制，课堂中难以面面俱到地介绍所有知识点。在此，笔者采取课上-课下互补式的教学模式，将部分教学内容留给学生课后自主学习。学生课后自学内容并非随意指定，而应该与课堂学习内容形成互补关系。一般可选择两次课程中的承上启下部分。这样既培养了学生的自学能力，同时督促学生养成课后复习和课前预习的好习惯。笔者在每次上课伊始会针对学生课后学习内容进行提问，并将结果列入考核范围之中。将课后活动作为课堂教学的延续，确保教学任务顺利完成。

1.3 课堂教学形式丰富多样

在理论教学过程中要注重将传统教学手段与具有本课程特色的教学方法相互融合。尽管目前高校课堂教学中普遍采用播放课件幻灯片的形式，但是笔者认为板书作为最为传统的教学方式，有助于理清课堂教学的思路、有助于教师对授课内容进行提炼、有助于调整教学节奏并吸引学生的注意力。电化学和能源化学涉及众多理论计算和公式推导，教师应当将重要的公式通过板书的形式进行现场推导。这样有助于学生理清计算公式的来龙去脉和物理内涵，从而有助于学生在理解的基础上加深记忆。在课堂教学中应该将现代多媒体技术和传统的板书教学模式交互使用，以实现最佳教学效果。

由于电化学新能源已经广泛应用到日常生活中，因此理论教学环节还应该与现实生活密切联系。比如在讲授锂离子电池技术时，应该联系我们生活中的手机、笔记本电脑、电动汽车等应用实例[4]。让学生认识到目前锂离子电池容量问题是导致上述用电设备续航能力不足的主要原因。此外，将储能技术中电流密度的概念同手机待机和打游戏过程进行关联、将冬季电动车频繁充电与离子低温传导动力学相互联系、将特斯拉电动汽车自燃与电池组安全性相关联等，这些生动的案例有助于学生轻松理解并记忆课程基本概念，同时使学生认识到该领域目前所面临的现实困境及进一步发展的重要意义。

2 产教融合

在产教融合、协同培养过程中应根据新能源企业和高校双方实际需求拟定合作开发课程。双方互派专职人员成立课程组，校企应给参与人以必要的政策倾斜保障其参与热情。按照实践教学计划开展产教融合协同育人。校企双方协商建章立制、规范管理，最终共享产教合作成果。该部分总体思路如图1所示。

图1 产教融合实施框架图Fig.1 Framework graphic of the implementation ofproduction-education fusion

《先进电化学能源材料》是一门与现实生产和生活联系极为密切的专业课程。因此，在实际教学过程中我们开创性的实施了产教融合、协同育人的教育教学模式。在向学生传授知识的同时注重技能培养和创新意识的养成，同时助力人才培养链和产业链无缝对接，为企业发展提供人才保障[5]。

3 科研探索

考虑到本校相当一部分本科生毕业后选择进入研究生阶段继续深造学习，加之新能源材料在基础科研领域的发展日新月异[6]。笔者将新能源领域前沿学术探索融入到课程教学之中，以培养学生对关键科学问题的捕捉能力并初步培养其建立科学的思维方式。我们将根据不同新能源类型拟定若干研究主题，将学生分成几个小组，每组任选一个主题。任课教师向每个小组发布前沿文献资料。学生课后认真研读文献，全面搜索相关领域的前沿进展、科学难题、解决路径等。最后以PPT的形式通过小型报告会向大家介绍自己的调研成果，并融合课程知识、结合个人见解进行讨论。这种教学形式使学生从讲台下走到讲台上，实现了“教”与“学”角色上的互换。文献阅读能力和信息搜集与归纳总结恰恰是科研工作者最为基本的科研素养。该种教学模式突出了对学生自主探索能力的培养，同时也是对该课程理论教学的巩固和升华[7]。

4 综合考核

考核是检验教学效果，评价课程目标完成情况的重要手段。合理的考核方式不仅能够充分调动学生学习的积极性，而且也是教学改革不可或缺的重要组成部分[8]。根据本课程的教学改革实施方案，笔者将综合如下几个方面对学生的学习成效进行考核评定。

4.1 期末理论成绩

本课程采取以闭卷笔试答题作为主要的考核手段。笔试成绩能够最为直接的反映学生对于基本理论知识的掌握能力。此外，应该将企业实践活动中所涉及的相关技术工艺、器件装配等实训技能反映在考题之中。该部分以期末考试的形式进行，约占总成绩的40%。

4.2 平时表现成绩

平时成绩主要包含课堂出勤、课后作业、课堂提问作答等。该部分成绩是学生学习态度和精神面貌的集中体现。该部分约占总成绩的10%。

4.3 实践教学成绩

由校企双方代表共同考察学生的实践学习成效，主要以学习的过程性和结果性为考核内容。考核应该涵盖学生对企业规章制度的遵守、对基本原理的理解、对实践技能的掌握、对研发项目的参与度和贡献度等。该部分约占总成绩的40%。

4.4 科研前沿探索成绩

主要考察学生分小组科研探索的表现情况。通过PPT汇报考察学生对于文献的阅读理解能力和对于关键科学问题的捕捉和分析能力。重点考察学生结合课程理论知识对相关问题所发表的个人见解，及讨论环节中是否条理清晰、逻辑严密。这部分考察环节是建立在基础理论之上的科学探索和科学思维活动，反映学生对课程知识的运用能力和缜密思辨的能力。该部分约占总成绩的10%。

5 结 语

《先进电化学能源材料》这门课程的开设旨在为我国新能源材料开发、能源消费结构调整、健全能源保障体系培养具备扎实理论功底、拥有丰富实践经验、能够独立创新思考的新时代工程技术人员和科学研究人员。笔者系统调研了国内高校相关课程教学的经验，结合本校专业设置和学生培养的特色，从教学内容、教学方法、教学模式、教学理念等若干层面对本课程进行了教育教学改革的初步尝试。教学改革的目的在于提高学生掌握知识、运用知识、整合知识、更新知识的能力。在未来的教学实践中，笔者将继续在教程编排、校外实训基地建设、科技查新等环节上进一步探索和实践，通过本课程教学让学生在知识和能力上获得全面提升。