超級電容器材料與技術(shù)課程教學(xué)探討

李靖　黎陽　馬董云　祝向榮

摘 要 超級電容材料與技術(shù)是針對材料科學(xué)與工程專業(yè)學(xué)生開設(shè)的一門專業(yè)選修課，具有較強的針對性和應(yīng)用性。本文結(jié)合CDIO工程教育教學(xué)模式的特點，對該門課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)模式等進行探討。

關(guān)鍵詞 CDIO工程教育 超級電容器 電化學(xué)

中圖分類號：TM53 文獻標(biāo)識碼：A

0引言

超級電容器具有優(yōu)良的充放電性能，是目前重要的“綠色”電化學(xué)儲能器件，在便攜式電子設(shè)備、新型電動交通工具和國防等眾多領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用價值，近年來受到科學(xué)研究人員的廣泛重視。

我校材料科學(xué)與工程專業(yè)（新能源材料與器件方向）以CDIO工程教育模式作為本科生的教學(xué)培養(yǎng)模式，鍛煉學(xué)生構(gòu)思、設(shè)計、實現(xiàn)和運行的實際應(yīng)用能力，注重培育學(xué)生的系統(tǒng)工程綜合能力?！冻夒娙萜鞑牧吓c技術(shù)》課程是該專業(yè)的一門專業(yè)選修課，我們在近幾年的教學(xué)過程中對該課程教學(xué)內(nèi)容的選取、教學(xué)方法、教學(xué)模式等方面開展了相關(guān)的研究與探索，獲得了一些教學(xué)心得。

1開設(shè)課程的重要性和可行性

完全學(xué)分制的材料科學(xué)與工程專業(yè)培養(yǎng)計劃安排學(xué)生在修完通識課程、專業(yè)基礎(chǔ)課和核心專業(yè)課學(xué)分后，從大三春季學(xué)期開設(shè)模塊化課程群選擇專業(yè)課。模塊化的課程群分別對應(yīng)新能源高效存儲材料與器件、新型高效節(jié)能材料與器件和新能源高效轉(zhuǎn)換材料與器件三個方向，學(xué)生在第6～7個學(xué)期中完成該課程群專業(yè)課的學(xué)習(xí)?！冻夒娙萜鞑牧吓c技術(shù)》課程安排在大四學(xué)期，在這之前已經(jīng)完成《應(yīng)用電化學(xué)》和《化學(xué)電源》的理論授課內(nèi)容，學(xué)生對電化學(xué)的基本理論、電化學(xué)反應(yīng)、電解過程、原電池反應(yīng)等內(nèi)容已經(jīng)非常熟悉，同時也了解鉛酸電池、鎘鎳電池、氫鎳電池、鋅銀電池、鋰離子電池、金屬-空氣電池、燃料電池等一些化學(xué)電源的工作原理。學(xué)生在選擇該模塊時，已經(jīng)對課程設(shè)置和課程內(nèi)容有一定的了解，保證學(xué)生有針對性的選課，真正做到選擇自己喜歡的方向進行選課，這也有利于大四春季學(xué)期畢業(yè)設(shè)計的開展。此外，本專業(yè)的教師一直遵循著科研教學(xué)并重的宗旨，教師們支持本科生進入自己實驗室進行實驗研究。本科生從大二春季學(xué)期開始跟著指導(dǎo)老師查閱能源材料領(lǐng)域?qū)W科前沿知識，從事科學(xué)實驗研究。在此基礎(chǔ)上，開設(shè)《超級電容器材料與技術(shù)》專業(yè)選修課程具有非常針對性的理論實踐意義。

2精心選擇教學(xué)內(nèi)容

《超級電容器材料與技術(shù)》教材選擇化學(xué)工業(yè)出版社出版的《超級電容器關(guān)鍵材料制備及應(yīng)用》，課程主要任務(wù)是闡明超級電容器的基本概念和基本原理；系統(tǒng)介紹各種不同類型的電極材料的特點、結(jié)構(gòu)、儲能原理、性能參數(shù)、制備方法和器件制造工藝；介紹各種新型電極材料如碳納米管、石墨烯、過渡金屬氧化物、導(dǎo)電聚合物、納米復(fù)合材料的研究進展，授課中引入較多的國內(nèi)外科研實例進行講解，顯著提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。上課過程中同時要強調(diào)超級電容器的安全、環(huán)保和綜合利用，增強學(xué)生的環(huán)保意識，培養(yǎng)學(xué)生的社會責(zé)任感。

3多種教學(xué)方式相結(jié)合

課堂教學(xué)是傳授知識的主要途徑，《超級電容器材料與技術(shù)》教學(xué)主要利用多媒體課件、板書、教學(xué)視頻、啟發(fā)式教學(xué)、討論式教學(xué)等多種教學(xué)方式進行授課。多媒體課件和教學(xué)視頻方便進行各類電極材料儲能原理、器件制備技術(shù)、器件性能展示等的介紹，有利于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和思考，提高學(xué)生對超級電容器的深層次認(rèn)識和了解。

超級電容器電極材料種類繁多，電極材料也是影響其性能和生產(chǎn)成本的關(guān)鍵因素。根據(jù)教學(xué)內(nèi)容，把電極材料分成四部分：碳納米材料、金屬氧化物材料、導(dǎo)電聚合物材料和納米復(fù)合材料，要求學(xué)生根據(jù)自己的興趣選擇其中一種具體的材料進行查閱資料，獨立完成課程報告，同時要把自己查閱的文獻資料制作成PPT，在班級進行交流，回答同學(xué)和老師的提問。通過這些鍛煉，既提升了學(xué)生的論文撰寫能力、口頭表達能力和語言組織能力，又達到全班同學(xué)相互學(xué)習(xí)的目的。這種授課模式激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。在教學(xué)活動中，還可以采用“討論式”的教學(xué)方式用以活躍課堂氣氛，讓學(xué)生主動參與教師的教學(xué)中，多向?qū)W生提供發(fā)表觀點的機會，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性。這些教學(xué)方法的綜合使用，可以取得良好的教學(xué)效果。

4教學(xué)與科研互相促進

在該課程的教學(xué)中，教師要堅持“以科研促進教學(xué)，以科研提升教學(xué)質(zhì)量”。超級電容器電極材料、器件制作技術(shù)等發(fā)展迅速，教師的知識結(jié)構(gòu)和教學(xué)內(nèi)容要及時更新，科研是取得最新知識技術(shù)的直接、快速途徑。任課教師要根據(jù)自身的科學(xué)研究，不斷的更新授課內(nèi)容，在上課過程中及時引入超級電容器的新發(fā)展和新技術(shù)，加深學(xué)生對超級電容器制作技術(shù)、碳納米材料、金屬氧化物材料、導(dǎo)電聚合物材料等有更深刻的認(rèn)識和了解。我們鼓勵學(xué)生積極參與教師科研項目，在教學(xué)中講授實驗內(nèi)容、技巧和方法，在實驗中進行教學(xué)內(nèi)容的傳授，兩者相輔相成互相促進。在教學(xué)過程中不僅要拓寬學(xué)生的知識面和視野，還要積極引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)與本專業(yè)相關(guān)的應(yīng)用研究。這不僅能培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力，還能提升學(xué)生的創(chuàng)新能力和動手能力。

5結(jié)語

《超級電容器材料與技術(shù)》課程的教學(xué)一定要緊密聯(lián)系科研前沿，要適應(yīng)社會發(fā)展的需求。教師要經(jīng)常閱讀最新科研文獻資料，把最新的研究成果引入課堂，向?qū)W生及時灌輸最新科研成果，在提升科研水平的同時獲得教學(xué)水平的加強。教師也需要不斷地改革教學(xué)方法，總結(jié)教學(xué)經(jīng)驗，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和創(chuàng)造性思維。

基金項目：課題：致謝：感謝上海第二工業(yè)大學(xué)《應(yīng)用電化學(xué)》全英語課程建設(shè)、校級《化學(xué)電源》重點課程建設(shè)和2018校新開課程建設(shè)《超級電容器材料與技術(shù)》。

參考文獻

[1] 魏穎.超級電容器關(guān)鍵材料制備及應(yīng)用[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2018.