能源材料課程授課方法探索

盧周廣 袁惠敏 程化

摘? 要 能源材料是材料科學(xué)與工程專業(yè)的一門核心專業(yè)課程，內(nèi)容涉及面廣。以電化學(xué)教學(xué)部分為例，設(shè)計(jì)三位一體的教學(xué)模式，即電化學(xué)基本理論是基礎(chǔ)，分不同的能源材料專題講解和討論，結(jié)合配套的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)實(shí)踐，形成“理論—講解—實(shí)驗(yàn)”三位一體，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)中進(jìn)行課題研究，在課題研究中加深對知識的理解和掌握。

關(guān)鍵詞 能源材料;電化學(xué);創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)

中圖分類號：G642.3? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2019）20-0085-03

Exploration of Teaching Mode in Course Energy Materials： Case

Study of Electrochemical Part//LU Zhouguang， YUAN Huimin， CHENG Hua

Abstract Energy materials is a major core course for students ma-jored in material science. It covers a wide range of subjects. Here we?use the electrochemical parts as a case to study the teaching mode for?this course. It is found that the three in one mode is very helpful for?teaching effect. Three refers to the basic knowledge， teaching and project lab. Students can learn to do project research and enhance their understanding by project research.

Key words energy materials; electrochemical; innovative experi-ment

1 引言

能源和材料是當(dāng)今支撐人類文明和保障社會(huì)發(fā)展的最重要的物質(zhì)基礎(chǔ)。在國家對新能源的產(chǎn)能需求逐漸擴(kuò)大的新形勢下，中國新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展尤其重要[1]。目前，能源危機(jī)和環(huán)境問題隨著社會(huì)的發(fā)展更加突出，傳統(tǒng)能源結(jié)構(gòu)已經(jīng)很難滿足人類社會(huì)的發(fā)展要求。人們普遍認(rèn)為，解決能源危機(jī)的關(guān)鍵是在新能源材料技術(shù)上取得突破[2]。隨著能源結(jié)構(gòu)的變化，對于新能源方面的人才需求也在不斷增加，因而在高校開設(shè)能源材料課程顯得尤為重要。高等教育的重要目標(biāo)之一就是培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立工作的能力，使他們在經(jīng)過高校的教育和學(xué)習(xí)后，具有在今后幾十年在社會(huì)中獨(dú)立工作的能力。

能源材料是將材料科學(xué)的理論基礎(chǔ)應(yīng)用于能源材料領(lǐng)域的一門課程，在介紹各種能源材料的理論、構(gòu)成、制備、表征、性能與應(yīng)用和發(fā)展趨勢的同時(shí)，要求學(xué)生初步具備將材料科學(xué)基礎(chǔ)理論和能源材料科研與生產(chǎn)實(shí)踐相結(jié)合的能力。筆者所在的南方科技大學(xué)作為國家試點(diǎn)研究型高校，具有國家高等教育改革發(fā)揮先導(dǎo)和示范的作用，服務(wù)國家創(chuàng)新型建設(shè)和深圳城市教育建設(shè)，非常注重培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和科研創(chuàng)新能力，將培養(yǎng)學(xué)生科研能力作為本校教育的重要部分。因此，本校的能源材料課程主要考慮不斷把新能源材料科研方面的最新成果與進(jìn)展引入課堂，并在教學(xué)中積極培養(yǎng)學(xué)生的理論與實(shí)踐結(jié)合、科技創(chuàng)新能力。課程的教學(xué)目標(biāo)不僅僅是使學(xué)生掌握各種能源材料的基礎(chǔ)知識，更重要的是通過課堂內(nèi)容來了解和掌握能源材料領(lǐng)域的最新研究進(jìn)展，向?qū)W生講述科學(xué)研究的樂趣和方法，拓寬學(xué)生的專業(yè)知識面，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)科交叉的思維方法和獨(dú)立創(chuàng)新能力，最終能結(jié)合各自研究課題，為深入開展能源材料方向的研究奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[3]，改變學(xué)生“高分低能”，使知識增長、能力培養(yǎng)與素質(zhì)提升有機(jī)結(jié)合。

筆者以自己多年科研方向結(jié)合課程要求，提出電化學(xué)基本理論是基礎(chǔ)、課程講解是主題、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)是鞏固的三位一體的教學(xué)方法?；镜碾娀瘜W(xué)理論為基礎(chǔ)，分不同的能源材料專題講解和討論，結(jié)合配套的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)實(shí)踐，理論—講解—實(shí)驗(yàn)，三位一體地加強(qiáng)學(xué)習(xí)效果（圖1），在學(xué)習(xí)中進(jìn)行研究，在研究中加深對知識的理解和掌握。這種三位一體教學(xué)模式注重學(xué)生的科研素質(zhì)能力的培養(yǎng)，特別是在論文的文獻(xiàn)檢索、研究內(nèi)容的設(shè)計(jì)、研究方法的選擇、研究過程的檢查以及論文的撰寫等方面的培養(yǎng)[4]。不僅使學(xué)生掌握該專業(yè)領(lǐng)域方面的知識，而且分析問題、解決問題的能力也得到提高。本文將以電化學(xué)教學(xué)部分為例，探索能源材料課程的授課方法。

2 三位一體教學(xué)方法的主要研究內(nèi)容

理論與實(shí)踐結(jié)合，深入學(xué)習(xí)理解課程內(nèi)容? 能源材料課程理論部分主要包括電化學(xué)相關(guān)的理論知識，各種能源材料的研究現(xiàn)狀、制備方法、性能及應(yīng)用現(xiàn)狀與前景，如傳統(tǒng)的火電、核電材料，新能源材料（如燃料電池、太陽能電池、二次電池材料），以及可再生能源材料（如風(fēng)電材料、熱電材料等）。對于理論知識部分的教學(xué)，首先將能源材料的知識點(diǎn)進(jìn)行分類，規(guī)整為一個(gè)個(gè)專題，對各種能源材料的基礎(chǔ)知識進(jìn)行系統(tǒng)講解，讓學(xué)生能夠掌握一定的電化學(xué)理論知識，為后續(xù)理解電池材料的種類及應(yīng)用打下基礎(chǔ)，同時(shí)培養(yǎng)提高學(xué)生對于能源材料研究的興趣[5]。結(jié)合實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)，讓學(xué)生對于如何制備與表征能源材料有更深入理解，指導(dǎo)學(xué)生查閱文獻(xiàn)，了解能源材料科學(xué)研究的前沿內(nèi)容，同時(shí)能夠反哺課堂所學(xué)的理論知識。最后通過社科調(diào)研、進(jìn)工廠參觀等方式，讓學(xué)生充分將理論與實(shí)踐聯(lián)系起來，并能夠用所學(xué)能源材料科研的基本理論解釋現(xiàn)實(shí)能源材料器件的工作原理。

結(jié)合學(xué)生興趣，選擇研究方向，開展創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)? 在學(xué)生完成部分簡單的專題實(shí)驗(yàn)后，引入創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生所學(xué)得到利用。創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的主題可由本科生根據(jù)個(gè)人興趣來選擇與能源材料有關(guān)的內(nèi)容，與指導(dǎo)教師討論之后來確定。學(xué)生需要查閱一定的文獻(xiàn)來支撐這個(gè)主題，即學(xué)生需要參與實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)。與傳統(tǒng)教學(xué)不同，學(xué)生不是根據(jù)規(guī)定好的步驟來開展實(shí)驗(yàn)，而是需要自己制訂實(shí)驗(yàn)方案，決定每一步做什么。因此，指導(dǎo)教師要引導(dǎo)分析學(xué)生的哪種實(shí)驗(yàn)方案可行，對學(xué)生實(shí)驗(yàn)方案在實(shí)施過程中可能碰到的實(shí)驗(yàn)問題進(jìn)行預(yù)判，隨時(shí)跟蹤實(shí)驗(yàn)進(jìn)展，給學(xué)生提供堅(jiān)實(shí)的后援。通過這個(gè)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，學(xué)生能夠了解與所研究能源材料相關(guān)的各種知識，能在實(shí)驗(yàn)中與指導(dǎo)教師進(jìn)行深入討論，能夠提高分析問題和解決問題的能力，科研素質(zhì)、文獻(xiàn)查閱能力也會(huì)有很大提高。

以學(xué)生為主導(dǎo)，注重提高學(xué)生的科研創(chuàng)新能力? 學(xué)生根據(jù)前期科學(xué)調(diào)研，提出具有創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)研究課題，分析課題的可行性，確定所要?jiǎng)?chuàng)新的材料。在新材料的制備與研究過程中，學(xué)生將要閱讀大量前瞻性文獻(xiàn)，翻閱電化學(xué)理論方面的書籍，注重與教師探討，以解決實(shí)驗(yàn)過程中遇到的難題。通過這種方法，學(xué)生可以迅速提高科研創(chuàng)新能力。

3 能源材料授課方法探索

以電化學(xué)基本理論為基礎(chǔ)? 教師在本課程開始授課前，應(yīng)充分了解課程知識體系的發(fā)展脈絡(luò)及邏輯關(guān)系，然后根據(jù)學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)，將基本的電化學(xué)理論梳理成一個(gè)個(gè)簡單易懂的模塊，以便學(xué)生能更快、更好地建立扎實(shí)的理論和技能基礎(chǔ);和學(xué)生一同對相關(guān)教材內(nèi)容進(jìn)行分析，結(jié)合學(xué)生基礎(chǔ)與興趣設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容和方式，同時(shí)考慮教材內(nèi)容的難點(diǎn)和重點(diǎn)，明確學(xué)習(xí)目標(biāo)、學(xué)習(xí)任務(wù)與問題。

課程講解是主體? 通過對課程內(nèi)容的選擇，把一些基本概念和容易混淆的概念通過動(dòng)畫形式表現(xiàn)，著重解釋重點(diǎn)和難點(diǎn)內(nèi)容，營造良好的教學(xué)氛圍。學(xué)生可以無壓力地表達(dá)自己，充分發(fā)散思維，更好地集中精力與課堂，主動(dòng)提出問題，增強(qiáng)對課程學(xué)習(xí)的興趣。要使學(xué)生在課堂上敢于問疑，并在下課后設(shè)有練習(xí)題檢查學(xué)習(xí)效果，通過打分考核形式評估學(xué)生是否掌握基本的電化學(xué)理論基礎(chǔ)，否則需要重新學(xué)習(xí)。

創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)是鞏固，三位一體? 本科生提前進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，開展創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)研究，是對電化學(xué)基本理論和課程講解內(nèi)容的進(jìn)一步完善和升華。在實(shí)驗(yàn)的探索與研究過程中，學(xué)生將有一定突破性的發(fā)現(xiàn)撰寫成論文，發(fā)表于學(xué)術(shù)期刊上。這不僅可以保障學(xué)生順利完成畢業(yè)論文，還會(huì)對他們本科畢業(yè)后申請國際知名科研院校有很大幫助。創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)研究學(xué)習(xí)是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的有效途徑，讓學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)獲取知識和運(yùn)用知識分析與解決問題。

4 實(shí)例及效果介紹

能源材料課程包括理論學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容兩個(gè)部分。其中，電化學(xué)理論知識的教學(xué)在課堂上完成，結(jié)合雨課堂、慕課等手段進(jìn)行。電化學(xué)的實(shí)驗(yàn)包括兩個(gè)部分：一個(gè)是基礎(chǔ)專題實(shí)驗(yàn)，提供固定的實(shí)驗(yàn)方案，讓學(xué)生合成一個(gè)多孔材料薄膜作為超級電容器的負(fù)極材料，通過這個(gè)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生能夠掌握基本的電化學(xué)測試方法;另一個(gè)是創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，沒有現(xiàn)成的實(shí)驗(yàn)方案，給定一個(gè)主題，如鋰電負(fù)極材料的合成以及電化學(xué)性能的研究，結(jié)果部分學(xué)生合成了鋰電的正極材料，部分學(xué)生合成了負(fù)極材料，所有學(xué)生都將自己合成的材料封裝成扣式鋰離子電池，并對自己合成的材料進(jìn)行了表征。

通過三位一體教學(xué)模式在能源材料課程中的實(shí)踐，學(xué)生能夠積極主動(dòng)地參與實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)，掌握相關(guān)的基礎(chǔ)知識，對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析和討論，具備一定的科研素養(yǎng)。學(xué)生反饋教學(xué)效果良好，以本課程中參與創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的本科生為例，開展“黑磷基復(fù)合材料的制備與鋰離子電池負(fù)極性能研究”的本科生在國際刊物上以第一作者發(fā)表英文論文一篇，合作發(fā)表學(xué)術(shù)論文八篇，并成功申請香港科技大學(xué)攻讀博士學(xué)位;開展“富鋰層狀過渡金屬復(fù)合氧化物的合成及氧還原和氧析出性能研究”的本科生在國際刊物上以第一作者發(fā)表英文論文一篇，合作發(fā)表學(xué)術(shù)論文七篇，并成功申請香港理工大學(xué)攻讀博士學(xué)位;開展“合成結(jié)構(gòu)可調(diào)的過渡金屬氧化物及其在氧還原電催化方面的應(yīng)用研究”的本科生在國際刊物上以第一作者發(fā)表英文論文兩篇，合作發(fā)表學(xué)術(shù)論文七篇，并成功申請加利福尼亞大學(xué)圣迭戈分校攻讀博士學(xué)位。

5 結(jié)語

本文以能源材料中的電化學(xué)部分為例，探索基于三位一體的教學(xué)模式，不僅使學(xué)生掌握各種能源材料的基礎(chǔ)知識，更重要的是通過創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)研究了解能源材料領(lǐng)域的最新研究進(jìn)展，向?qū)W生講述科學(xué)研究方法和藝術(shù)，拓寬學(xué)生的專業(yè)知識面，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)科交叉的思維方法和獨(dú)立創(chuàng)新能力，最終能結(jié)合各自研究課題，為深入開展能源材料方向的研究奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，采用理論聯(lián)系實(shí)際、同時(shí)實(shí)踐聯(lián)系理論的雙向思維模式，加深對能源材料課程的理解掌握。實(shí)踐表明，此方法可以使學(xué)生更加深入地理解課程內(nèi)容，顯著提高科研能力與素養(yǎng)。總之，三位一體的教學(xué)模式應(yīng)用于能源材料課程教學(xué)中，可以使學(xué)生更好地掌握書本內(nèi)容，提高創(chuàng)新能力，對我國突破能源危機(jī)及加大創(chuàng)新型人才輸出具有積極意義。

參考文獻(xiàn)

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