《新能源材料制备实验》线上线下混合教学模式的探索与研究--以自组装构筑柔性自支撑MoS2/CNTs复合薄膜及其电化学性能研究为例

李佳慧,孙祝玺,时秋伟,谢燕楠*

(1.南京邮电大学 材料科学与工程学院 有机电子显示国家重点实验室,江苏 南京 210023;2.南京信息工程大学 化学与材料学院,江苏 南京 210044)

在线教育在疫情时期崭露头角,不仅是应对之举,更是促进信息化教育的关键一步。与传统教学相比,线上教育能够有效弥补传统教学的不足之处,推动教育教学改革,助力教育强国建设[1]。然而,后疫情时代的教育挑战也愈发凸显,我们需要探索如何在融合传统教学与互联网优势的同时,有序构建合理规范的线上线下混合式教学模式,以适应当今发展趋势。这是当前教育工作者亟须解决的重要问题[2-3]。

目前,《新能源材料制备实验》等实践类课程主要采用传统教学方法,教师依赖简短的课堂时间进行演示性实验,学生动手操作的部分非常少,后续也没有可以有效进行巩固课堂要点的教材或PPT。教师无法了解学生的课前准备情况、课堂理解程度以及课后复习情况,也无法获取学生的学习习惯和状态。近年来,MOOC、微课和翻转课堂等创新教育模式在全球范围内蓬勃发展。为支持高校开展在线开放课程,教育部于2019年颁布相关政策,鼓励高校制定配套政策,并开展校际课程认证和学分认定。

当今数字化时代对高等教育提出了新的要求,教学模式逐渐从传统课堂教学转向线上与线下相结合的混合式教学。此外,后疫情时代下,新冠等传染病的不时暴发可能迫使教育不断切换线上线下教学。因此,对《新能源材料制备实验》等实践类课程的教学模式进行改革势在必行。

1 《新能源材料制备实验》重要性及教与学存在的问题

新能源材料制备实验是当今科技和工程领域不可或缺的一门课程。随着全球对可持续能源和清洁技术的迫切需求,这门课程对经济和社会发展具有巨大的潜在影响,已经成为广泛关注的焦点。正如纳米科技是21世纪前沿科学技术的代表领域之一,新能源材料的研究和应用在能源转型、环境保护和经济增长等方面扮演着重要角色。《新能源材料制备实验》课程不仅在材料化学、能源工程、电子学等专业中具有重要地位,而且它涉及的知识和技能也对跨学科领域产生深远影响。新能源材料的研究与开发对可再生能源、能源储存和能源效率的提高至关重要。它们是支撑清洁能源技术(如太阳能、风能、电池技术等)发展的基础,对环境友好型能源系统的实现具有关键作用。然而,尽管新能源材料制备实验的重要性明显,但教学中仍然存在一些问题。首先,实验室设备和材料有时可能受到限制,这可能限制了学生在实验中的参与和实践机会。其次,这门课程涉及的知识面广泛,而课时有限,这可能导致学生只能在概述层面了解相关内容,而不能深入探究。此外,由于这门课程通常是选修课,学生的学习积极性和重视程度可能相对较低,导致在线上和线下学习过程中出现不认真学习等现象都亟待解决。总之,《新能源材料制备实验》课程在现代科技和工程领域的重要性不可忽视,但教学中需要应对实验设备限制、课程知识广泛、学生学习积极性不足等一系列问题,以更好地满足学生和社会的需求,推动新能源材料领域的研究和应用。

2 《新能源材料制备实验》线下线上混合式教学案例

2.1 选取与制作线上资源

本课程的线上MOOC资源主要采用国家首批一流线上课程--浙江大学《先进材料实验》课程,及武汉理工大学的国家精品课程《无极非金属材料实验》。针对材料科学与工程学院,特别是新能源材料与器件(专业)系的教学重点,采用课堂教学录制配合微课等方式准备预习资源,并根据不同章节内容的特点选取匹配度较高的线上资源进行教学。例如录制了新能源材料与器件中《新能源材料制备》中对应的柔性薄膜的制备及其电化学性能研究实验章节。

2.2 确定教改实施范围和流程

结合《新能源材料制备实验》课程的实际情况,确定了线上教学模式的实施范围和实施程度。教师以学生为本,通过管理平台资源,合理引导学生学习,帮助学生完成学习任务。在课前,针对概念抽象、公式较多的章节,例如纳米科学的基本理论、纳米材料的检测与表征、纳米材料化学等章节,在课前首先让学生开展线上学习,包括自学(通过平台学习教学资源、平台进行讨论和平台进行检测)和小组学习(问题讨论、概念图制作和专题汇报制作)。在课中,仍然针对所有重点和难点问题进行讲解,包括讨论课、总结课、汇报课、疑难解答课,线上线下学习双管齐下,确保知识点的完全理解。这类章节线下教学是重点,并且结合雨课堂模式开展课堂测验,检测学生理解程度。针对问题不太抽象、与生活比较贴近的章节,如纳米电子学、纳米生物医学、纳米机械学等章节,通过设置思考题的方式让学生开展线上学习,线下教学采用分组提问及答疑的方式开展,检查学生的学习效果,确保相关知识点的掌握牢固度和理解深度,这些章节的线上学习占有更大的比例。在课后,进一步通过平台测验完成知识巩固,通过平台学习前沿知识进行知识延伸,同时培养学生理论联系实际来解决问题的能力,以及通过平台互评在线答疑来向教师进行教学反馈,如图(1)所示。

图1 《新能源材料制备实验》线下线上混合式教学流程图

2.3 确定合理的考核评价体系

课程引入线上学习资源,开展课前、课中和课后学习模式,因此可采用多元评价体系的方式进行课程考核。由于引入了线上学习资源,多元评价方式是指课程的考核并不仅仅依赖于单一的考试评价,而需考虑线上、线下教学本身特点并赋予多元化的方式进行综合考核。学期最终成绩包括线上成绩+线下成绩,每部分又包括平时成绩和论文或实践操作部分。根据线上线下教学比例进行综合整合,摸索出了一套适合这种混合教学模式下《新能源材料制备实验》课程适合的评价体系:课程采用考查的考核方式,其中线上占20%,包括平时成绩和问实践操作成绩;线下占80%,其中平时出勤及课堂表现占10%,实践操作占40%,实验报告成绩占20%,期末随机实验操作考察成绩占30%。

3 构建合适的科研实验案例

通过线上线下混合教学课程的设计,旨在充分调动学生的学习兴趣与积极性,更好的吸纳相关的专业知识。针对学生在学习《纳米科学与技术》学科中普遍存在的对新能源材料与器件构筑与表征表现出的模糊印象和认知受限等问题,提出在课程中举例或演示一些简单的纳米材料的合成、器件组装与表征实验,以此来加深学生理论知识的理解度,并培养理论联系实际的能力,从而加深知识认知与学习自信心。这种线上理论和线下实践联合学习的新模式,可是效针对一类研究类知识学习的有效途径。例如在学习新能源材料与器件结构与表征过程中,就可以适当构建基于碳纳米材料薄膜的制备及其电化学性能表征为实验案例,进行线上线下混合教学。

3.1 实验目的

成功利用原位自组装技术在水相体系、室温条件下获得一维碳纳米管(CNTs)复合二维二硫化钼(MoS2)纳米片自支撑的三维多孔薄膜材料,并通过高分辨扫描电镜和高分辨透射电镜完成复合材料的外观形貌,薄膜厚度,及微纳形貌分析。并进一步通过三电极电化学测试表征MoS2/CNTs薄膜在超级电容器中的应用及结果讨论分析。以此来帮助学生进一步了解和学习纳米材料宏观自组装及其在新能源中电化学储能中的应用。

3.2 实验材料与实验仪器

样品的物相结构采用RigaKu D/max-2550Pc型X射线衍射仪(XRD,管压:40 kV,电流:30 mA,CuKα,λ=1.540 56Å);样品的微观形貌通过日本日立公司的Hitachi S-4800型场发射扫描电子显微镜(Field Emission Scanning Electron Microscopy,FESEM)和日本JEOL公司生产的JEM-2010F型透射电子显微镜(Transmission electron microscopy,TEM)进行表征;样品的数码照片为Canon G10相机拍摄。电化学测试仪器为辰华电化学工作站(CHI760D),循环伏安曲线的扫描速率为10～1 000 mV/s。文章所有测试均在室温下完成。

3.3 电化学测试与计算

采用三电极体系对制备获得的薄膜电极进行电化学性能测试。电极的测试具体如下:首先将所制备的薄膜电极剪成1 cm×5 cm的电极条,在头部保留1 cm作为极耳,不需要添加任何导电剂和黏结剂。在三电极体系下分别进行循环伏安测试(Cyclic voltammetry,CV),恒电流充放电(Galvanostatic charge/discharge,GCD)及电化学交流阻抗测试(Electrochemical Impedance Spectroscopy,EIS)。循环伏安曲线的测试仪器为辰华电化学工作站(CHI760D)。其中,循环伏安测试中扫描速率为10～1 000 mV/s。根据循环伏安曲线,计算得样品的质量比电容Cm(F/g):

(1)

式中,I(A)为电流值,υ(V·s-1)为电压扫描速率,ΔV(V)为电压视窗。m为两片电极的质量(mg)。

根据充放电曲线,计算得样品的质量比电容C(F/g):

C=I·tdmΔV,

(2)

式中,I(A)为电流值,td(s)为放电时间。

能量密度E(Wh/g)和功率密度P(W/g)分别由公式(3)和公式(4)计算:

(3)

(4)

其中在公式(1)～(4)中,电极的质量可以为电极的体积V(cm3)或电极的面积A(cm2),相应获得样品的体积比电容Cv(F/cm3),体积能量密度P(Wh/cm3),体积功率密度P(W/cm3),或面积比电容Ca(F/cm2),面积能量密度E(Wh/cm2)和面积功率密度P(W/cm2)[4,5]。

3.4 MoS2/CNTs复合三维薄膜的制备实验步骤

(a)抽滤自组装制备自支撑柔性复合薄膜的制备流程图;(b)自支撑柔性MoS2/CNTs复合薄膜数码照片;(c-e)不同倍数下自支撑柔性MoS2/CNTs复合薄膜的断面扫描电镜图;(f)自支撑柔性MoS2/CNTs复合薄膜力学拉伸断裂强度图谱;(g-h)单电极在不同扫速下的循环伏安测试曲线,1 M硫酸为电解液;(i)质量比电容随扫速变换曲线图。

通过高分辨扫描电镜和高分辨透射电镜完成复合薄膜MoS2/CNTs的外观形貌,尺寸大小,晶格分析。采用三电极体系对获得的柔性薄膜电极进行电化学性能测试。具体如下:首先将所制备的复合薄膜剪成15 cm的电极条,在头部保留0.5～1 cm作为极耳,无需额外的集流体进行支撑,对材料进行循环伏安测试和恒电流充放电。

3.5 MoS2/CNTs复合薄膜的形貌及电化学性能表征与分析

实验设计采用一维碳纳米管交错互联二维二硫化钼纳米片,借助真空抽滤辅助抽滤的方法,二维结构纳米片层层堆叠,层间靠范德华力和碳管进行交错交联,获得了如图2b所示的可自支撑的柔性复合薄膜,薄膜可以用镊子轻易折叠而不会发生断裂,表现出了良好的力学稳定性[6,7]。高分辨率场发射扫描电子显微镜(FE-SEM,High Resolution Field Emission Scanning Electron Microscope,图2c-e)表明所制备的二硫化钼/碳纳米管(MoS2/CNTs)主要表现为二维层层堆叠自组装结构,且一维碳纳米管在纳米片表面和之间交互链接。Strain-Stress拉伸断裂应力测试也证实了MoS2/CNTs复合材料表现出了优异的力学性能,其可承受的最大强度为22.7 MPa。进一步,采用三电极(工作电极:MoS2/CNTs复合薄膜,对电极:Pt片,参比电极:Ag/AgCl)测试模式,在典型的H2SO4电解液下进行电化学测试,电解液的浓度为1 M,对复合薄膜进行电化学储能测试。如图2g-h,复合薄膜在扫速为10 mV/s时,其质量比电容可达87 F/g。

4 结 论

总之,通过教学实践成功将线上和线下教学模式有机融合,应用于《新能源材料制备实验》课程的本科教学中。结合我们学院材料化学和新能源材料制备与器件专业特点,构建了恰当的科研实例,如自组装构筑柔性自支撑MoS2/CNTs复合薄膜的制备与表征,形成了一系列成功的线上线下混合教学案例,并建立了有效的学生学习效果评价体系。这一教学模式的应用显著改善了学生学习体验,不仅解决了传统课堂教学中教师难以传授、学生难以理解的问题,还有助于提高学生的学习主动性,强调了学生将理论与实际相结合、解决问题的能力培养。此外,这种教学模式的采用在应对后疫情时代可能暴发的传染性疾病(如新冠感冒、甲型流感)方面也具备显著的优势,为学生提供了更加稳定和可靠的学习环境。总的来说,新能源材料制备实验课程的线上线下混合教学模式是一种高效且灵活的教育方式,有助于提升学生的学术成就和综合能力,满足了现代教育的需求,同时也为应对各种突发状况提供了可行的教学解决方案。