基于以学生为中心的新能源材料课程建设与教学改革探索

张 肖 孙冬兰 陈 京 宋振兴

(天津科技大学理学院， 天津 300457)

能源和材料是支撑人类文明与社会发展最关键的物质基础。伴随着世界经济局势的快速发展以及全球人口的不断增长，全球的能源消耗也呈现剧增趋势。而随着煤炭、石油和天然气等人类赖以生存的主要化石燃料不断减少和全球生态环境被破坏，解决能源使用和环境保护成为21世纪现代文明可持续发展不可回避的问题[1]。要开发可再生且清洁的能源，关键在于新能源材料的发展。一方面，新材料可以把久用的能源变为新能源。例如，通过燃料电池使氢气和氧气反应，将化学能转化为电能，替代氢气燃料的直接高温燃烧；通过半导体材料把清洁的太阳能有效直接地转化为电能和热能。另一方面，一些新材料可以提高能量存储与转化效率。例如，储氢合金可以改善氢的存储条件，使化学能转化为电能；通过镍氢电池、锂离子电池等新型二次电池实现能量储存与转化功能[2-3]。

因此，立足于高校，培养一批具有新能源材料基础和科研能力的人才对于新能源的发展具有重大的意义[4]。而实施精品课程建设对于提高人才培养的质量、改进高校育人的环境、激发教师工作的积极性与创造性起着尤为重要的作用[5]。天津科技大学理学院于2018年获批化学一级学科硕士点，2019年开始招收研究生。在该专业培养方案所设定的课程体系中，新能源材料作为一门核心课程，涉及材料化学、电化学和物理化学等学科，是交叉型专业课程。通过该课程的学习，学生能够对新能源、电化学、太阳能电池、锂离子电池、燃料电池和氢能与储氢材料等新能源材料有初步的认识，提升学生从事相关领域生产和科研工作的能力。

结合讲授新能源材料课程的体会，本文以学生为中心，探讨了该课程教学方法和手段的改革、教学内容的优化、综合考核与教学效果评价的改革。

一、教学方法和手段的改革

研究生的传统教学模式是采用填鸭式的教学方法讲授知识点，且教学内容偏重于基础理论知识和基本概念等。这种教学模式，一方面无法激发学生的探究性意识，学生被动接受知识，与老师之间几乎没有互动，教师也无法知道学生掌握知识的情况。另一方面，课程内容缺乏科研前沿知识的拓展，且较少与学生的科研工作相结合，造成学生知识面简单狭窄，不能激发他们对科研工作的兴趣。

对分课堂教学模式是近几年发展起来的一种创新教学模式，通过老师精讲并提出问题、学生独学内化、小组研讨交流和师生互动等环节，实现了研究生探究性学习的目的[6]。另外，前沿探索式教学是本课程的亮点，该课程为研究生课程，以培养学生的科研能力为目的，因此将新能源领域学术研究前沿融入课程教学中，以科研促教学，以教学促科研，使学生在学习具体化知识的同时，学会如何入手科研，也是研究生课程培养的目标。在新能源材料课程的教学改革过程中，坚持以学生为中心的教学理念，应用基于对分课堂联合前沿探索式教学模式，使学生积极参与课堂教学，引导学生形成探究性和创造性思维，培养学生提出、分析和解决问题的能力，促进学生知识、素质和能力的协调发展，全面提高学生的理论、实践和创新能力[7]。具体教学设计如下。

1.“对分课堂”教学讲授专业基础知识

第一，“对分课堂”精讲环节。新能源材料是一门交叉型专业课程，涉及物理化学和材料化学等学科。教师讲授新能源材料的专业基础知识时，可采用“问题探究式教学”，以学生为中心，针对不同材料的基础知识内容提出问题。 第二，“对分课堂”学生独学内化环节。此环节可分为当堂对分和隔堂对分两种教学形式。当堂对分：学生结合课程内容和提出的课程问题，独学思考5～10分钟；隔堂对分：学生在两堂课之间内化吸收。第三，“对分课堂”小组研讨环节。以小组为单位，针对问题进行研讨。第四，“对分课堂”师生互动环节。小组汇报，教师点评、总结。

2.前沿探索式教学融入科研前沿

及时有效地引导研究生尽快融入科研团队，发挥研究生的创新能力，是研究生培养的重要环节，也是研究生课程培养应该注重完善的内容。在课程开始阶段，把教学大纲分发到学生手中，请学生根据自己导师的研究方向领取与自己的研究课题相关的授课内容。针对新能源材料的授课内容，以一位或两位学生为主导，其他学生辅助，大家共同完善补充该内容的知识点和研究前沿内容。主导的学生通过搜集、查阅资料文献，深入了解相关领域的前沿进展，制作PPT，并进行课堂汇报，在此过程中有不完善或者不正确的地方由其他同学或老师指出。在此过程中，老师也会进行引导性提问，促使学生深入思考。最后，由授课教师做总结发言，对基本原理和关键技术等内容做进一步阐述。这种前沿探索式教学模式不仅是对课程理论教学的巩固和升华，使课堂变得更加活泼，而且还有助于培养学生的语言表达能力、演讲能力和逻辑思维能力等。同时，文献的检索、阅读与归纳能力等为顺利开展科研工作所需要的基础的科研素养，在本课程的学习中也都得到了培养。

总之，本课程始终坚持以学生为中心的教学理念，对教学方法进行改进，采用基于对分课堂联合前沿探索式的教学模式，该教学模式的具体实施和举措将在教学内容中体现出来。

二、新能源材料教学内容的优化

作为研究生的专业课，新能源材料是一门综合性课程，选用的教材是科学出版社出版的《新能源材料科学与应用技术》。新能源主要包括能源转化、储存和利用，新能源材料包括太阳能电池、锂离子电池、燃料电池、镍氢电池、储氢材料、生物质能、核能及其他热电、相变材料等[8-9]。本课程以学生为中心，基于学生知识面基础，优化教学内容，应用基于对分课堂联合前沿探索式的教学模式，通过模块化教学，包括能源基础知识模块、能源利用模块和能源存储模块，重点讲授太阳能电池、锂离子电池、燃料电池、氢能与储氢材料，以及穿插在各个章节中的能源利用的介绍，以点概面，使学生了解新能源的发展历程[10]。结合新能源材料领域的发展趋势和学生的培养目标，不断吸收该领域最新科研成果，引导学生掌握基础知识、追踪科学发展前沿，促进学生的全面发展。新能源材料课程设计如表1所示。

表1 新能源材料课程设计

1.能源基础知识模块

(1)概述

主要介绍与新能源相关的几个概念，比如能量、能源、能源的分类方法，以及新能源材料的任务和研究课题、新能源材料的作用和新能源材料的现状和进展。与新能源对比，了解传统能源如石油、煤炭、天然气等不可再生能源，以及这些常规能源带来的环境问题，如温室效应、酸雨、臭氧层被破坏、放射性污染等。一方面，让学生意识到发展新能源与新材料的必要性，激发学生的研究意识；另一方面，结合习近平总书记提出的“碳达峰、碳中和”目标，培养学生的环保意识。随后，学习在新能源存储转化过程中所涉及的基础知识，主要是电化学方面的知识，然后进入正题，深入认识在能源转化和利用过程中所涉及的材料和器件，包括太阳能电池、锂离子电池、燃料电池和氢能与储氢材料等。

这部分内容在教学过程中采用当堂对分教学模式。教师在讲授内容时引出“煤炭、石油、天然气等不可再生能源的来源”“新能源材料的进展”等问题。学生独学5～10分钟后，开始小组讨论，随后进行小组汇报。在此过程中，其他同学或老师会提出问题，最后教师总结发言。

(2)电化学

现代新能源的发展动力来自化学能与电能的转化，化学能向电能转化的理论基础是电化学，介质是电池。因此，深入理解电化学的基础知识，认识化学能向电能转化过程的必备条件和最大转化效率的实现，是实现化学能向电能转化的基础，是现代新能源发展的关键。

这部分主要学习三方面内容：电学的发展阶段、电学基础和电池的基本概念。电学的发展中，以关键人物和历史事件为代表，介绍电学领域的发展脉络，进一步让学生领悟电化学能源在推动新能源发展中所起的重要作用。地球能源主要是植物通过光合作用吸收太阳能，将光能转化为化学能，储存于动植物中为人类所利用。电化学的发展、电池的组装成功实现了将化学能转化为电能，实现了清洁能源的概念，将人类对能源的利用从直接燃烧树木、石油和天然气转变为先将化学能转变为电能，再进一步利用，提升了人类生活的舒适度，从而为新能源材料的发展奠定了基础。本部分采用当堂对分教学模式，教师可提出“在电池的发展中各电池的工作原理”等问题，引导学生思考与讨论。

2.能源利用模块

(1)太阳能电池

太阳能是地球人类赖以生存的能量来源，对太阳能的存储和利用是多年来科学研究的热点问题，因此提到新能源以及新能源材料，需要首先了解太阳能电池。这部分内容主要学习太阳能电池的原理、太阳能电池的种类和有机无机杂化太阳能电池。太阳能电池经历了硅基太阳能电池等几代的发展，在授课过程中，本课程没有讲解太阳能电池各个发展阶段和各个组成部分，而是考虑学生的实际情况，结合科研前沿，重点介绍有机无机杂化太阳能电池，代表性材料主要有金属有机框架材料(MOFs)、笼型聚倍半硅氧烷(POSS)和钙钛矿材料等，其中钙钛矿太阳能电池是当前学界的研究热点。最后引导同学们总结出：衡量太阳能电池的一个重要指标是光伏转换效率，而科学家研究开发太阳能电池的过程，就是不断优化材料和器件结构，实现提升光伏转换效率目标的过程。

这部分内容采用隔堂对分联合前沿探索式教学模式。教师精讲内容后，提出“太阳能电池的研究进展”等问题。学生课后独自查找、阅读文献，内化吸收后，制作PPT。在下次课堂上，学生参与小组讨论后，进行课堂汇报。最后由老师总结发言。学生课堂汇报题目如表2所示。以“光伏电池效率超过17%的聚噻吩材料太阳能电池”为例，学生介绍文献中氰基取代和氟化的聚噻吩电池，改善了聚合物的结晶度、加强了链间相互作用等，提高了太阳能转化效率。最后提出问题“如何提高太阳能电池的光伏转换效率”，引导学生思考和讨论。

表2 学生的汇报题目

(2)锂离子电池

太阳能电池对太阳能的转化存储起到了非常重要的作用，但不同的使用场景对能量密度等有不同的要求，因此研究开发其他形式的化学电池来优化人类的生活是非常必要的。金属锂理论比容量高，相对标准氢电极具有最负的标准电极，因此被科学家认为是高能量密度电池体系中理想的负极材料。由金属锂中存储的化学能作为主要的能量来源研发的锂离子电池能量密度高、可充放电、循环寿命长、环境污染小，是对太阳能电池的有利补充，它的发明和商业化应用，为人类的文明创造了可充电的世界。本部分学习内容主要有三项：锂离子电池的发展、电极材料和锂离子电池的能量密度。在电极材料部分，重点介绍电极的正极材料、负极材料、电解液和隔膜。这部分内容采用隔堂对分联合前沿探索式教学模式，最后提出问题“如何提高锂离子电池的能量密度”，激发学生探究意识。学生课堂汇报题目如表2所示。

(3)燃料电池

氢气直接燃烧生成水的过程可以释放大量的能量，其原料和产物都不会造成环境污染，因此，研究开发利用氢气燃烧过程中释放能量的材料和设备是有利于人类发展的。燃料电池经历了四代电池的发展，学生应该学习每类电池的工作原理、电极物质和电极反应；结合电化学，理解燃料电池的热力学、动力学原理，了解发电效率；最后从材料学角度重点学习固体氧化物燃料电池的结构组成，包括电解质、阴极和阳极。这部分内容采用当堂对分教学模式，学习燃料电池的工作原理与种类，向学生提出问题“燃料电池与传统的电池之间有什么区别与联系”，既巩固了之前的知识点，又激发了学生的探究意识。

3.能源存储模块

围绕燃料电池的研发，氢能利用和储氢材料的研究是其中的关键。这部分内容主要围绕氢能的利用、储氢合金的机理和储氢合金的组成三方面展开介绍。氢能具有热值高、环保、资源丰富和可循环利用等优点，是未来理想的资源。但是氢能源的利用面临两大问题：如何实现大规模的廉价制氢和妥善储氢、输氢。对于制氢技术，主要有化石燃料制氢、化工副产品制氢、光催化制氢等。对于储氢技术，重点讲解储氢合金的机理和组成。然而，储氢合金的使用仍需解决一些问题，如合金吸氢量不大、合金吸氢作用不能在空气中进行、合金反复使用时稳定性较差等。这部分内容采用隔堂对分联合前沿探索式教学模式，课堂中让同学们思考“新型制氢与储氢技术重要性”的问题，课下调研相关文献并做汇报。 学生课堂汇报题目如表2所示。

与此同时，思政内容是培养社会主义接班人的必备要素，在课程的方方面面都应该体现出来。在科学发展史上，涌现出许多致力于科研，为人类做出巨大贡献的科学家。在课程中通过穿插科学发现和技术发展的一些小故事，了解前辈科学家的探索历程，也能引导学生学习其献身科学和勇于创新的精神，为日后科研素质的培养奠定基础，如表3所示。

表3 思政案例

总之，在教学内容的选择上，要始终坚持以学生为中心，通过对新能源材料中部分内容的重点讲解，结合其他知识点的自主学习，使学生了解覆盖新能源材料的各个知识点。

三、综合考核与教学效果评价的改革

课程考核是检验教学效果和评价课程的重要方法，不仅可以调动学生学习的积极主动性，也是课程建设必不可少的组成部分。本课程结合课堂形式，提出新的考核模式，即闭卷考试结合期末论文。科研离不开扎实的理论功底，基础知识掌握是否牢固，是否会灵活运用，直接关系到将来科研是否能顺利进行，因此本课程的考核结合课程教学形式，从期末课程论文、课堂表现、课堂文献汇报以及结课闭卷考试对学生进行综合考核。其中，课程论文为主要考核手段，重点考查学生将课程理论知识与科研前沿进展相结合的能力，培养学生撰写科技论文的能力和逻辑思维能力，所占比重为30%。课堂表现主要包括学生课堂测试、课堂讨论等，该部分成绩是学生积极参与课堂的表现，体现学生的学习态度，所占比重为30%。课堂文献汇报主要考查学生文献调研与PPT汇报的能力。通过课堂汇报，考查学生应用理论知识分析科学问题的能力，培养学生科学探索能力与科学思维，所占比重为20%。结课闭卷考试涉及电化学及能源利用的基础知识，所占比重为20%。为真实反映教学效果，课程结束后，通过问卷的形式调查学生对新能源材料课程内容和教学形式的满意度以及改进建议，结果95%的学生对新能源课程内容及教学形式较为满意。由此可见，我们的教学设计和教学过程得到了绝大多数学生的认可。为了更好地做好课程建设，以学生为中心，笔者还收集了同学们对新能源材料课程的改进建议，如“增加实践活动”“建议课堂讲解和文献汇报穿插进行”“增加新能源领域的现状和未来发展方向相关知识”等。在新能源材料课程建设中，积极听取学生的建议，不断地收集最新文献，更新教学资料库，增加前沿领域知识内容和新能源材料的种类。

四、结语

新能源材料是一门综合性课程，涉及多门学科。结合学科发展和规划，本课程坚持以学生为中心的教学理念，确定了新能源、电化学、太阳能电池、锂离子电池、燃料电池和氢能与储氢材料等教学内容，创新性地应用对分课堂联合前沿探索式教学模式。对于新能源专业基础性知识，采取当堂对分教学模式；而对于科研前沿部分，则采用隔堂对分联合前沿探索式教学模式，坚持吸收新能源材料领域最新科研成果，追踪科学发展前沿，不断更新教学内容，培养学生的创新精神、逻辑思维能力、分析解决问题的能力和良好的科研素养，为学生未来的科学研究奠定扎实的基础。从教学效果看，在这样的授课方式指导下，学生们不仅巩固了基础知识，同时还学会了一些做科研的思路和方法，取得了良好的教学效果。