新能源材料导论教学的实践与思考

2022-10-13张玉娟

科教导刊 2022年22期

张玉娟

（北京科技大学材料科学与工程学院北京 100080）

随着经济社会的发展，人类对能源的需求越来越大。而传统化石能源是不可再生能源。据报道，目前已知的石油储量约为2300 亿吨，按目前的石油消费速度计算，仅够人类消费40-50 年左右。因此，人类必须寻找新的能源方式以满足人类发展的需求。同时，传统化石能源的使用造成的环境问题越来越严峻。化石能源均通过燃烧转化为能量，而这个过程会产生大量硫和氮的氧化物等有害气体以及PM2.5 等固体粉尘。化石能源燃烧产生的巨量二氧化碳也会造成全球变暖等其他环境问题。因此，人类必须寻找更为环保和友好的能源方式。而解决能源问题的关键是新能源技术和材料的突破。开发和利用新能源技术和材料，是当今能源领域科学界和工业界所面对的重要课题。新能源技术和材料的水平及产业化规模是当今衡量一个国家经济发展、科技进步和国防实力的重要标志。因此，加快培养新能源材料领域的技术人才具有重要的意义。

在新能源技术和材料迅速发展的背景下，国内很多高校除了开设新能源材料专业外，还开设了面向非本专业学生的新能源材料导论的课程。这一课程一般作为公共选修课，以开拓学生视野为主要目的，并为学生未来的研究深造或者就业提供一定的知识储备。本课程一般包括新能源材料的发展背景和现状，以及各种新能源材料的工作原理、制备方法、发展趋势等。虽然该课程为选修课，但是属于多学科的综合交叉学科，要求学生具备较广泛的知识储备，包括无机化学、高分子化学、凝聚态物理、量子物理甚至核物理等学科基础。因而，教师讲授和学生听课均面临不小的挑战。

笔者在北京科技大学开设新能源材料导论全校公共选修课多年来，紧跟新能源技术和材料的前沿进展，不断优化课程内容，持续进行教学改革，并适当调整考核方式，加强和学生的沟通交流，取得了较好的教学成果，学生对课程的满意度逐年提升。本文将对笔者开设新能源材料导论课程的教学体会做简要介绍，以期能对相关课程老师的教学有所启发。

1 内容设置优化

课程内容一般以某本特定教材或推荐读物为依托。新能源材料导论课程比较经典的几本教材有吴其胜教授主编的《新能源材料》、朱继平教授主编的《新能源材料技术》以及王新东教授主编的《新能源材料与器件》。第一本教材主要介绍了新能源材料的发展历史，应用前景以及材料性能的基础性理论，整体上内容较系统全面，原理方面知识相对较深奥；后两本主要介绍了新能源技术中所要用到的关键材料，以及新能源技术和器件的应用现状，难度适中。由于笔者所开课程面向全校本科生，学生基础差别较大，因此一般将这几本书作为推荐读物，学生可以根据自己的具体情况自行选择。考虑到学生接受程度的差别，笔者讲授的内容主要选自后两本教材。

就具体内容而言，由于本课程为选修课，时间一般为32 学时甚至16 学时，因此，内容不可能面面俱到，必须主次分明。那么，选取内容主次的依据就是相关技术和材料本身的先进性以及与国民经济的结合紧密程度。笔者认为，课程内容的重点可以是锂离子电池材料、燃料电池材料、核电材料、太阳能电池材料；其他新能源材料的相关内容可以适当减少讲授课时，如相变储能材料、非锂金属离子电池材料、生物质能材料等。对这些新能源材料的讲授，笔者通常从所对应的新能源器件的工作原理入手，通过原理介绍引出器件的关键材料，再对材料的结构和性能展开详细介绍。

新能源技术和材料日新月异，因此该课程讲授的内容每年都要进行适当更新和调整，基本原则是紧跟技术发展的前沿。这也是本课程最大的特点，对授课教师形成了很大的挑战。比如，近年来随着电动汽车需求越来越旺盛，锂离子电池技术和材料迅猛发展。因而锂离子电池材料的内容讲授越来越多，而像镍镉电池、镍氢电池由于环保问题以及记忆效应较大等问题逐渐退出历史舞台，笔者已经逐渐不再讲授。再比如，随着人类对大容量、高能量密度的动力电池的需求越来越高，非锂金属离子电池技术发展迅速，如钠离子电池和铝离子电池材料均取得了巨大的飞跃，笔者对非锂金属离子电池讲授的内容也在增加。再如，为应对“碳达峰、碳中和”的目标需求，国家十四五规划提出，要积极发展核电，预计十四五末核电发电量比十三五末增长40%，为此，笔者也计划在未来的课时中逐渐增加核电材料的讲授。

2 教学方法改革

2.1 适当增加视频教学

对任何课程，若直接采用填鸭式的教授方式，学生的接受程度都不理想。新能源材料导论课程尤其如此，死板讲授新能源器件的工作原理以及和材料性能的关联，学生的专注度和参与度都不高。该课程的背景应用性较强，而视频教学则可以大大改善教学效果。笔者几乎在每堂课都会有相关内容的视频播放，在播放前要先布置好要思考的问题，播放完之后让学生来回答。笔者在教学中发现，一旦有视频播放，学生的积极性和专注度大为提高，学习效果也有大幅提升。对考试的结果分析发现，学生对视频播放内容的掌握要比单纯教授知识的掌握更加牢固。

2.2 加强课堂互动

课堂有效互动是实现有效教学的必然要求，课堂互动的活跃性直接影响了学生学习的积极性和教学质量的提高。学生是教学的积极参与者、促进者，只有学生参与了，才能真正完善教学环节。要充分调动学生参与教学的积极性，最好的方式就是调动学生思考。笔者在教学过程中，不管是直接讲授的知识，还是结合视频播放的知识，都会进行大量的提问。学生在回答的过程中，会进行深度的思考，从而能够对知识形成很好的巩固。就提问的内容而言，更多的是与日常生活相关的或学生接触较多的内容，比如在锂离子电池章节，锂离子电池容量为什么随着循环次数有所衰减，三元锂电池和磷酸铁锂电池的优劣势是什么，钠离子电池比锂离子电池的优势是什么，等等。即使学生回答得不理想，通过教师再讲解，学生的掌握程度也会提高不少。

2.3 强调自主学习的重要性

在互联网高度发达的今天，获取知识变得轻而易举。这也意味着，课堂教学在知识传播方面的重要性也日趋下降。在这样的背景下，教师需要让学生养成善于自主学习的习惯，学生可以通过互联网开展自主学习，以解决课程疑问。为此，笔者在教学过程中，让学生根据自己的兴趣爱好，就某一种新能源材料进行文献资料或实验调研并进行归纳总结，总结形式可以是PPT、视频材料或者论文报告等，也可以在课堂上进行简要的报告讲解。为有效提高学生参与的积极性和主动性，归纳总结可以作为课程考试成绩的一部分。此外，笔者也推荐学生多从新能源技术和材料相关的网站获取资讯，如新能源网、电动汽车网等，以了解新能源技术和材料最新发展趋势，拓展学生的视野。

2.4 增加案例教学

案例教学可以使课堂增加活力，提高课堂的教学效率。笔者在讲授核电材料章节时，会着重介绍我国自主研制的第三代核电“华龙一号”。作为中国核电的“国家名片”，“华龙一号”的特点在于，它是我国具有完全自主知识产权的第三代百万千瓦级核电技术，其全球首堆建设设备国产化率高达88%。这意味着我国核电技术水平和综合实力跻身世界第一方阵。锂离子电池章节的案例最为丰富。在讲授锂离子电池工作原理时，会用浓重的笔墨介绍锂离子电池之父，诺贝尔奖获得者Goodenough 先生是如何为锂离子电池的发展而奋斗一生的。作为锂离子电池最大使用载体之一的电动汽车近年来在全球范围内尤其在中国得到了突飞猛进的发展，全球TOP20 的电动汽车生产商中，中国占8 家，遥遥领先于其他国家。受益于我国新能源汽车的快速发展，比亚迪公司和宁德时代公司已成为全球范围内动力电池的一级生产企业；在动力电池四大材料方面，上海杉杉、上海恩捷、深圳贝特瑞、苏州捷力等公司的产能规模已居于世界前列。锂离子动力电池龙头宁德时代于2021 年7 月发布钠离子电池，引起了行业轰动，其成本低，循环寿命长，安全性好的特点极有可能成为未来动力电池的主力。笔者的介绍不仅增加了学生的学习兴趣，也使学生们的民族自豪感和自信心大为增强。学生对案例感兴趣了，会顺藤摸瓜主动去了解相关新能源材料的专业知识，从而大大提升学习的效果。

3 考核方式调整

作为最终考核成绩的重要部分，传统期末笔试的作用仍然无法取代。通过笔试，学生的课程听讲和课后复习都得到了加强。当然，笔试成绩不能代表学生的学习综合情况。如前所述，笔者在教学过程中，会让学生根据自己的兴趣爱好，就某一种新能源材料进行文献资料查阅或实验调研并进行归纳总结，并作为最终成绩的一部分。这部分归纳总结的成绩既加强了知识的巩固，又培养了学生学术论文的写作能力。这些报告中，有的学生介绍了二维片层材料作为电池负极材料的优势，有的学生介绍了铀的碳/氮化合物作为第四代核燃料的发展趋势，也有学生介绍了钠离子电池的发展状况等等。这其中不乏精彩之作，甚至作为综述论文发表在了高水平学术期刊上。