新工科背景下“新能源材料”研究生课程教学探讨

张友魁

（西南科技大学国防科技学院 四川 绵阳 621010）

从人类对火的利用和控制开始，每一种能源的发现与利用，都成为推动人类文明发展变迁的重要因素之一。人类的日常生活生产活动已无法离开能源，并且对能源提出了越来越高的需求。如今，随着“双碳”目标的全面展开，提高传统化石能源的利用效率与开发多种形式的新能源并推广应用，推动了全球能源加快转型。其中，新能源技术得以推广应用的关键在于所要用到的材料。这些材料根据新能源分类主要包括氢电池材料、锂离子电池材料、燃料电池材料、太阳能电池材料以及反应堆核能材料等，统称为新能源材料[1]。

随着新能源领域的兴起，培养国家建设和新能源发展所需的具有创新能力的高层次人才成为我国高校的重要目标之一。“新能源材料”作为一门为能源动力、材料工程等专业硕士研究生开设的专业选修课程，融合交叉了能源、材料、物理、化学等多个学科的内容[2]。该课程旨在让学生了解新能源材料的类型、基本性质和常规生产制备方法，理解新能源材料所要解决的任务及面临的挑战、当前研究现状和未来发展前景[3]。该课程的教学任务与目的是使学生扩大专业知识面，培养具备设计新能源材料、探索新的生产工艺等创新能力的高水平专业人才，为将来从事相关技术工作打下初步基础。

本文以西南科技大学“新能源材料”课程为例，基于本课程在授课实践中所遇到的问题，探讨了该课程的教学方式方法的改革探索、学生兴趣的激发以及对学习成效的考核方式创新等方面，以获得适用于我校材料工程、能源化学工程、能源动力等专业硕士研究生的“新能源材料”课程教学模式，提高教学质量。

1 课程介绍

“新能源材料”是西南科技大学为材料工程、能源化学工程、能源动力等专业硕士研究生开设的一门专业课，主要学习太阳能、锂电池、核能等高性能绿色能源在转化利用过程中所涉及的关键材料，重点介绍新能源材料的类型及其设计与制造方法。该课程开设于硕士研究生一年级上半学期，此阶段的学生已经通过本科基础课程的学习，具备了材料、化学、物理等领域的基本理论知识。“新能源材料”课程的教学任务与目的是使学生掌握锂离子电池关键正负极材料、以质子交换膜型和中温固体氧化物为代表的燃料电池材料、硅半导体材料为代表的太阳能电池材料以及铀、氘、氚为代表的反应堆核能材料的相关知识及应用。扩大专业知识面，为将来从事相关技术工作打下初步基础。新能源材料交叉能源、材料、物理、化学等多个学科，拟培养具备新能源材料专业基本知识，掌握新能源材料结构分析方法与性能测试技术，了解学科发展方向，有能力开发设计新能源材料、探索新的生产工艺的高水平创新人才[4]。

“新能源材料”课程内容涵盖面广、涉及知识紧跟时代前沿，然而，有限的课堂学时使教师在每堂课上都需要讲授大量的知识信息，大部分学生在课堂有限的时间内难以消化吸收课堂内容。此外，“新能源材料”课程缺乏实践实验操作，而选课学生的研究通常只涉及新能源材料中的一种或两种类型，并不能让所有学生对所学内容产生兴趣或学习动力，导致学习效果不佳。

2 课程内容与教学目标

新能源材料涵盖的内容涉及能源、材料、物理、化学等学科、而且能源与材料的知识更新速度快。由于课程的这些特殊性，要求学生在有限的学时内能够了解新能源材料的概念，理解新能源材料的基础、掌握新能源材料应用现状及未来发展方向存在一定的难度。因此，合理分配教学课时和设计教学内容对于本课程的教学非常重要。新能源材料根据新能源的分类，可以分为太阳能电池材料、储能电池材料、燃料电池材料、核能材料等。鉴于本课程是硕士研究生的专业选修课，选修学生具有一定的材料、化学等学科背景，因此须对教学内容进行选取，突出重点，紧跟学科发展前沿设置教学内容。“新能源材料”课程涉及的教学内容主要包括以下几个方面。

2.1 新能源材料概念

从新能源的概念出发，介绍新能源的种类、特点、用途及发展历程，引出新能源材料的概念、新能源材料基础和新能源材料的应用现状。主要介绍新能源材料的基础、类型和应用前景，使学生掌握新能源材料的基本概念与种类，了解常见的新能源材料及其应用现状，并与学生开展讨论，分析新能源材料发展面临的任务及困难。

2.2 太阳能电池材料

这部分主要围绕太阳能电池材料进行讲述，从太阳能电池的工作原理出发，介绍太阳能电池中的硅材料、非晶硅、碲化镉等材料基础，简略介绍非晶硅太阳能电池材料基础与应用，重点介绍硅太阳能电池制造工艺、太阳能电池结构设计、提高太阳能电池效率的途径等，并讨论太阳能电池材料的应用。

2.3 储能电池材料

这部分从铅酸电池的工作原理出发，简要介绍储能电池技术与应用，详细讲解铅酸电池及材料、镍锰酸锂电池及材料、锂离子电池及材料等。重点围绕锂离子电池的工作原理，讲解锂离子电池正、负极材料、隔膜材料、电解质的研究现状及发展趋势，与学生讨论我国新能源汽车的发展与产业链。

2.4 燃料电池材料

主要介绍燃料电池技术的工作原理及其应用，简要介绍基于碱性、磷酸盐、熔融碳酸盐及固体氧化物等系统的燃料电池基础与应用，重点讲授质子交换膜燃料电池材料及其应用。通过课堂讨论理解各种燃料电池材料的特点、技术现状与发展趋势以及提高质子交换膜燃料电池催化剂寿命的方法。

2.5 其他新型能源材料

这部分主要介绍核能、风能、潮汐能等其他类型的新能源及其中应用的材料，重点介绍核能的工作原理，详细介绍核裂变、核聚变、核反应堆、核电站以及核能衍生的核技术，课堂讨论核能的历史及巨大的发展远景。

课程的教学目标是使学生通过本课程的学习，能够了解新能源材料的基础知识和应用领域，掌握新能源材料生产工艺技术，具有新能源材料设计和研究能力，为将来从事新能源和材料开发领域的工作提供一定的基础知识储备。通过本课程的学习，要求学生能从知识、能力和素质三个方面达到了解新能源材料的基础与应用方面的基础知识、掌握初步的功能材料研究和设计能力、提高人际交往与团队意识等三个方面的目标。

3 教学方法与考核方式改革探索

“新能源材料”课程涉及的学科领域多、知识点广泛，且选课学生已经具有相关的知识基础储备，因此，在有限的课程学时内，不适合深入展开讲解细节知识点。在教学过程中，除了由老师进行传统的课堂讲授外，还需要利用多媒体开展案例式、研讨式等多种方式融合的教学方法。随着网络教学的快速发展，网络资源的使用，可以以丰富的多媒体课件，使课件实现文、图、视频并茂，有助于激发学生兴趣，有利于学生掌握教学内容。

网络资源的使用，可以在教学过程中引入典型案例进行分析，将理论联系实际，抽象的教学内容具体化，从而进行案例式教学。这种教学方式能够开阔学生思路，引导学生进行互动或讨论。以太阳能电池材料为例，在讲授这部分内容时，除了讲授太阳能电池材料的工作原理、材料类型等基础知识，还可以结合国内外最新科研前沿引入太阳能电池材料的研究案例，从材料的设计合成、表征分析、性能测试等方面展开太阳能电池材料的研究关键技术和发展难点，再引出太阳能电池的应用实例，引导学生讨论太阳能电池材料的改进方向以及潜在的未来应用前景，从而培养学生联系实际、发现问题和思考问题的能力。

此外，由于授课学生为材料、化学、能源等领域的硕士研究生，学生除了必要的课程学习外，主要的精力都投入到学术研究之中。要做好学术研究，查阅文献资料、撰写研究论文、开展学术汇报是研究生培养过程中必不可少的训练内容。因此，在“新能源材料”课程的授课过程中，教师可以根据授课内容设置多个研究方向的系列专题，学生根据自己的研究方向和兴趣进行专题选择，利用课后时间完成文献资料调研并制作成PPT，在相应内容的授课课堂上进行调研报告分享。通过全体学生对每次分享的内容进行点评与讨论，活跃学生思维，开阔学生视野，激发学习热情。

考核是检验学生学习情况的必要环节，能有效检查学生对所学知识的理解和掌握情况，是评定学习成绩、持续改进教学方法、提高教学质量的必要手段[5]。目前“新能源材料”课程的考核方式主要采取平时成绩和期末成绩的百分制加和，平时成绩主要以平时客观题作业为主，期末成绩取决于期末考试卷面成绩。但生硬、陈旧的考试内容具有较大局限性，难以避免抄袭作弊等情况，不能反映学生的综合能力。

因此，为了适应新工科建设要求，培养具有优秀创新能力的复合型人才，我们探索采用多元化的考核方式来评判学生的综合学习能力。围绕课程大纲涉及的知识点，注重对学生学习过程的评价，主要从以下几个方面进行改革：一是平时作业以主观题和调研题为主，考查学生平时主动学习、积极思考以及资料调研的能力。二是通过课堂分享内容的丰度、深度以及与其他学生讨论互动的情况，考查学生多媒体制作、语言表达、自我展示等方面的能力。该环节还能够培养学生的研究兴趣、树立学生自信心、拓宽学术视野，提高学生分析问题的能力。三是在期末考试中，设计更多灵活开放的题目，让学生在答题过程中思考如何利用所学知识来解决能源问题，同时能够对未来的能源需求和材料设计提出自己的创新方案。该环节不仅能够考查学生创新思维、多学科知识交叉应用的能力，还能够引导学生对本领域的未来发展趋势有自己的独立思考，真正做到学以致用。

这几点关于教学过程和考核方式的改革，更加注重对学生学习过程的全方位培养与考查，能够督促学生在短时间内查阅大量文献，学会从海量信息中进行筛选、分析和总结。学生得益于平时考核的过程，能够及时发现自己的不足，改进学习方法，培养专业知识总结和应用的能力。同时，教师也能从这种考核过程中发现学生学习存在的问题，将有利于持续改进教学方法，提高教学质量。

4 结语

“新能源材料”是一门面向材料、化学、能源等领域硕士研究生开设的重要专业课程，以培养具有专业基础知识和创新能力的新能源领域复合型人才为目标。在新工科背景下，通过改变传统的教学模式，以学生学习过程为主，探索有效的课堂教学和考核方式，充分发挥学生的主观能动性，培养学生独立思考、分析问题和解决问题的能力，提高创新精神，为新能源领域培养国家和社会需要的创新人才。