新工科背景下微项目式新能源专业实验教学<br/>——锂离子电池实验案例

新工科背景下微项目式新能源专业实验教学
——锂离子电池实验案例

2024-05-17成锦强庄智鹏王显赫

实验室研究与探索 2024年4期

吴珏，陈昕，成锦强，庄智鹏，王显赫

（珠海科技学院应用化学与材料学院，广东珠海 519041）

0 引言

在国家“双碳”政策支持下，新能源、新材料等国家战略性新兴产业快速发展，储能电池、光伏电池等相关企业不断涌现［1］。为适应当前新能源、新材料、节能环保、高端装备制造等国家战略性新兴产业发展需求，由化学、材料、物理、电子、机械等多学科交叉，以能量转换与存储材料及其器件研究、设计、制备与应用为人才培养特色。

项目式学习（Project-Based Learning，PBL）目前已成为我国教育教学理论研究和教学实践改革的重要途径［2-4］。其核心是驱动性问题的设计、实施、管理、评估与反思。驱动性问题一般源于真实问题情境，在教师的科学合理设计下，衍生出一系列子问题以开启项目式教学和PBL，激发学生进行持续的、有意义的探索性学习，使学生获得通过科学研究或实践创新进而解决问题的沉浸式学习体验［5］。

近年来，国内教学研究者和一线授课教师围绕PBL开展了探索性改革和教学实践研究。然而，目前的PBL多以初高中课堂教学为主，PBL 在大学的研究较少，尤其是在高等教育工科类实验课程的研究尚为欠缺。为此，本文以“新能源汽车动力电池续航”为情境，开展驱动性问题的设计和实施策略研究，对新能源材料与器件专业综合实验课程“锂离子电池实验”进行改革，以改善传统重复性、验证性实验教学的弊端［6-8］。课程面向新能源材料与器件专业大三本科生开设。常见的项目式教学时间和学科跨度较大，本实验课程结合课程目标及实际情况，采用微项目式教学模式展开。

1 实验课程设置

新能源材料与器件专业综合设计实验是新能源材料与器件专业的重要实验课程［9］。通过综合实验训练，旨在使学生巩固物理化学、新能源材料、电化学原理等专业课程基本理论，掌握多种电池器件的制造工艺和测试技术，初步具备新能源器件等相关产业领域的研究、开发能力。该综合实验课程开设有锂离子电池、光伏电池、超级电容器等多项应用性实验。单门实验课程的时间为24 课时。在传统教学模式下，综合实验课普遍存在着电池理论与实践分离、实验内容固化、上课形式单一等问题，由此导致学生参与实验积极性不高，学生在学习过程中易产生“为什么要学”的疑问。对此，本文基于以学生为中心的教学理念和微项目式学习的教学模式［10］，以锂离子电池实验为例，对实验开展涉及的各环节展开论述（见表1），以期为高等学校相关工科专业实验课程的实践教学改革提供参考。

表1 改革前后实验教学模式比较

2 微项目式实验教学

本课程改变传统的教学模式，开展“以学生为中心”的微项目式实验教学（见图1）。实验课程以学生为主体，教师仅作为实验教学的引导者［11］。学生自主探索，分工合作、群策群力；教师主要引导、促进，在项目实施过程中与学生进行充分交流和探讨。由此提高学生创新和合作能力，培养学生的创新精神和团队精神。

图1 微项目式实验教学过程

2.1 教师设计驱动性问题，学生半自主拟定项目

教师团队结合社会热点问题及自身科研课题，设计驱动性问题（见图2）。在日常生活中，新能源汽车动力电池的续航里程是许多用车家庭的痛点问题。新能源汽车续航里程有限影响高速行驶、冬季续航里程下降造成用车困难等。汽车续航里程是源自生活的真实场景，以真实生活痛点为驱动性问题设计，既涵盖真实生活场景元素，又具有导向型、探索性和科学性，引导和驱动学生持续不断地挖掘隐藏在生活痛点背后的科学问题，探索可行的解决方案或改进措施。

图2 驱动性问题的设计

（1）学生的前期理论知识储备。该实验教学课程安排在大三下学期。此前，本科生已基本掌握了“物理化学”和“电化学原理”课程中，电池的结构、工作原理等理论知识框架，以及“新能源材料”和“电池材料与器件”课程中常见电池材料的结构与性能、电化学表征方法等理论知识框架，以及正极材料改性处理等应用方法。

（2）学生半自主拟定项目方案。教师引导学生以团队形式针对驱动性问题及其子问题，通过线上文献调研、小组讨论等方式制定项目方案。学生选题可包括正极材料优化、隔膜改性、负极材料改进等方向。例如，针对新能源汽车续航里程问题，设计高能量正极材料（负极材料），提出隔膜改性提高电池能量密度等。在确定研究方向后，学生可结合理论课程、文献检索等方式制定详细方案。教师在项目方案制定过程中仅作为引导者，通过审核学生团队自主拟定方案、与学生基于实验内容讨论，对方案的可行性给予把关。

2.2 学生预实验优化方案，教师线上线上混合式指导

教师指导学生以“预实验”方式开展探究式实验，获得实验重要参数。传统实验过程通常由教师告知学生具体实验参数，学生根据讲义内容“依葫芦画瓢”。在该实验课程开展过程中，教师尽可能地让每位学生参与到自行设计实验具体步骤过程中，提高学生对综合实验的认知。

首先，开展线上预实验，通过仿真教学加深学生对锂离子电池材料制备及组装的实验操作的熟悉度。仿真教学可基于国家虚拟仿真实验教学课程共享平台的“锂离子电池生产关键技术虚拟仿真项目”和“锂离子电池正极材料制备及性能探究虚拟仿真实验”展开。例如，锂离子电池生产关键技术虚拟仿真项目，以锂离子电池的制备和表征为主线，包括正极材料合成和表征、锂离子电池制备、电池性能测试等七个虚拟仿真实验模块。学生通过观看实验流程视频和参与仿真实验，对实验操作步骤进行提前“预热”，对实验过程有整体了解。

同时，课程还设有线下预实验。例如，在锂离子电池的电化学测试环节，仅告知学生电池充（放）电的安全电压范围，让学生通过查询仪器电压量程，实验观察截止电压数值大小对电池容量释放影响等方式，自主设置充（放）电截止电压。

通过线上与线下相结合的预实验环节，有效培养学生自主探索、勇于创新的科学素养［12］。

2.3 师生实时互动交流，多维度推进项目实施

实验过程采用互动式教学，包括“学生-教师”间互动、“学生-学生”间互动和“学生-社会”间互动3 种模式。

实验开展过程中，教师通过线下“学生-教师”互动模式进行实验指导。实验开展前，教师分组查阅学生拟定的实验方案，并与学生小组就主要问题展开讨论，重点关注实验研究对象是否合理、实验步骤是否准确。同时，实验操作过程中，引导学生面对实验问题时，结合课堂理论知识、主动思考。例如，在涂浆时出现浆料无法涂布现象，引导学生回顾理论课程知识、分析前期操作过程，找到问题原因（包括球磨时间过长、环境湿度高），并指导学生优化实验参数（调整球磨时间、降低环境湿度、缩短涂布时间）。再例如，电池组装过程中，出现电池输出电压为零现象，引导学生思考操作过程是否存在不规范行为（电池组装过程正极与负极接触、隔膜破损等）造成短路。引导学生通过“实验-问题-反思-验证-实验“的正反馈过程，综合锻炼分析能力、逻辑思维能力和动手能力。

2.4 学生项目成果汇报，教师反馈总结经验

设计项目成果汇报环节，通过“线上与线下相结合”的“学生-学生”间和“学生-社会”间互动模式展示和讨论项目结果。为了让学生展示和分享项目成果和经验，同时吸收来自其他团队和教师的经验和教训。

汇报过程以“项目结题展示会”形式展开，并邀请本专业教师及电池企业工程师线上参与讨论。学生以团队形式开展项目汇报，从项目实施方案、实验结果与分析、项目实施过程问题及其解决方案等多个方面进行组间展示在每个团队展示完毕后，安排问答环节，鼓励各团队成员之间互动交流，分享经验和思路。任课教师和线上人员（教师或工程师）给予专业点评，就学生的展示内容、演讲能力、项目质量等，进行综合评估和反馈。

该方法有效提高学生的积极性、表达能力和应变能力，同时考察学生在实验过程中是否主动思考和掌握实验要点。

3 微项目式教学对学生能力的培养

通过项目式的新型实验课程教学模式，体现课程的“两性一度”［13-14］，全方面培养新能源材料与器件专业学生的综合能力。

3.1 自主设计实验方案，培养创新意识

组织学生以团队形式自主讨论、制定项目方案，培养学生的科研创新意识。实验课程通过教学内容和教学模式创新，打造“线上-线下”相结合的双线教育。学生通过复习电池电化学性质及其组成等基本知识和阅读科技论文，围绕实验课程的选题范围，自主设计实验探索的具体内容和步骤。综合实验课程结束后，学生还可通过大学生创新创业项目、学科竞赛、毕业论文等途径，在指导教师带领下进入科研实验室，结合科研实验室的大型分析仪器，对电池相关课题进行更进一步的深入探索。

3.2 独立分析实验数据，塑造高阶人才

引导学生团队自主分析实验数据，培养学生严谨、求实的科研素养。在实验数据分析过程中，指导学生使用Origin等科学数据分析软件分析电池的电化学性能数据。同时，学生可以结合多种结构及电化学表征方法多维度分析电池的综合性能。例如，通过X 射线衍射（XRD）测试方法和Jade结构分析软件，自主分析电化学过程中电极材料的结构演化规律；通过电化学阻抗谱（EIS）测试方法和Zview分析软件，科学考察电池工作过程的锂离子扩散路径的演化过程；结合差示扫描量热法（DSC）测试方法和分析软件，了解探究电池材料的热稳定性能等。通过本实验数据的系统分析，使本专业学生掌握相关科学软件应用、并培养学生的数据分析、演绎推导能力。

3.3 实验环节综合考量，提升挑战高度

针对传统教学“教学评价单一”问题，本实验课程考核采取“学习效果和学习过程并重、终结性评价和过程性评价相结合”的多元评价模式，实时、全面地考核学生实验效果。在实验课程开展过程中，设计相应细致的考核评价表，尽可能考核每位学生处理分析实验数据、项目展示会、撰写实验报告等多个环节。考核内容重在肯定学生在课程学习中的努力和进步，并及时将考核结果反馈给每位学生。各评价环节均有据可查，综合考察学生的能力和态度，以及个性和提升幅度等因素，激励学生将实验课程学习的重心从实验报告转移至综合能力素质的整体提升。