能源材料课程授课方法探索

    卢周广 袁惠敏 程化

    

    摘? 要 能源材料是材料科学与工程专业的一门核心专业课程，内容涉及面广。以电化学教学部分为例，设计三位一体的教学模式，即电化学基本理论是基础，分不同的能源材料专题讲解和讨论，结合配套的创新实验实践，形成“理论—讲解—实验”三位一体，让学生在学习中进行课题研究，在课题研究中加深对知识的理解和掌握。

    关键词 能源材料;电化学;创新实验

    中图分类号：G642.3? ? 文献标识码：B

    文章编号：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

    能源和材料是當今支撑人类文明和保障社会发展的最重要的物质基础。在国家对新能源的产能需求逐渐扩大的新形势下，中国新能源产业的发展尤其重要[1]。目前，能源危机和环境问题随着社会的发展更加突出，传统能源结构已经很难满足人类社会的发展要求。人们普遍认为，解决能源危机的关键是在新能源材料技术上取得突破[2]。随着能源结构的变化，对于新能源方面的人才需求也在不断增加，因而在高校开设能源材料课程显得尤为重要。高等教育的重要目标之一就是培养学生独立工作的能力，使他们在经过高校的教育和学习后，具有在今后几十年在社会中独立工作的能力。

    能源材料是将材料科学的理论基础应用于能源材料领域的一门课程，在介绍各种能源材料的理论、构成、制备、表征、性能与应用和发展趋势的同时，要求学生初步具备将材料科学基础理论和能源材料科研与生产实践相结合的能力。笔者所在的南方科技大学作为国家试点研究型高校，具有国家高等教育改革发挥先导和示范的作用，服务国家创新型建设和深圳城市教育建设，非常注重培养学生的实践能力和科研创新能力，将培养学生科研能力作为本校教育的重要部分。因此，本校的能源材料课程主要考虑不断把新能源材料科研方面的最新成果与进展引入课堂，并在教学中积极培养学生的理论与实践结合、科技创新能力。课程的教学目标不仅仅是使学生掌握各种能源材料的基础知识，更重要的是通过课堂内容来了解和掌握能源材料领域的最新研究进展，向学生讲述科学研究的乐趣和方法，拓宽学生的专业知识面，培养学生学科交叉的思维方法和独立创新能力，最终能结合各自研究课题，为深入开展能源材料方向的研究奠定坚实的基础[3]，改变学生“高分低能”，使知识增长、能力培养与素质提升有机结合。

    笔者以自己多年科研方向结合课程要求，提出电化学基本理论是基础、课程讲解是主题、创新实验是巩固的三位一体的教学方法。基本的电化学理论为基础，分不同的能源材料专题讲解和讨论，结合配套的创新实验实践，理论—讲解—实验，三位一体地加强学习效果（图1），在学习中进行研究，在研究中加深对知识的理解和掌握。这种三位一体教学模式注重学生的科研素质能力的培养，特别是在论文的文献检索、研究内容的设计、研究方法的选择、研究过程的检查以及论文的撰写等方面的培养[4]。不仅使学生掌握该专业领域方面的知识，而且分析问题、解决问题的能力也得到提高。本文将以电化学教学部分为例，探索能源材料课程的授课方法。

    2 三位一体教学方法的主要研究内容

    理论与实践结合，深入学习理解课程内容? 能源材料课程理论部分主要包括电化学相关的理论知识，各种能源材料的研究现状、制备方法、性能及应用现状与前景，如传统的火电、核电材料，新能源材料（如燃料电池、太阳能电池、二次电池材料），以及可再生能源材料（如风电材料、热电材料等）。对于理论知识部分的教学，首先将能源材料的知识点进行分类，规整为一个个专题，对各种能源材料的基础知识进行系统讲解，让学生能够掌握一定的电化学理论知识，为后续理解电池材料的种类及应用打下基础，同时培养提高学生对于能源材料研究的兴趣[5]。结合实验课程的教学，让学生对于如何制备与表征能源材料有更深入理解，指导学生查阅文献，了解能源材料科学研究的前沿内容，同时能够反哺课堂所学的理论知识。最后通过社科调研、进工厂参观等方式，让学生充分将理论与实践联系起来，并能够用所学能源材料科研的基本理论解释现实能源材料器件的工作原理。

    结合学生兴趣，选择研究方向，开展创新实验? 在学生完成部分简单的专题实验后，引入创新实验，让学生所学得到利用。创新实验的主题可由本科生根据个人兴趣来选择与能源材料有关的内容，与指导教师讨论之后来确定。学生需要查阅一定的文献来支撑这个主题，即学生需要参与实验方案的设计。与传统教学不同，学生不是根据规定好的步骤来开展实验，而是需要自己制订实验方案，决定每一步做什么。因此，指导教师要引导分析学生的哪种实验方案可行，对学生实验方案在实施过程中可能碰到的实验问题进行预判，随时跟踪实验进展，给学生提供坚实的后援。通过这个创新实验，学生能够了解与所研究能源材料相关的各种知识，能在实验中与指导教师进行深入讨论，能够提高分析问题和解决问题的能力，科研素质、文献查阅能力也会有很大提高。

    以学生为主导，注重提高学生的科研创新能力? 学生根据前期科学调研，提出具有创新性的实验研究课题，分析课题的可行性，确定所要创新的材料。在新材料的制备与研究过程中，学生将要阅读大量前瞻性文献，翻阅电化学理论方面的书籍，注重与教师探讨，以解决实验过程中遇到的难题。通过这种方法，学生可以迅速提高科研创新能力。

    3 能源材料授课方法探索

    以电化学基本理论为基础? 教师在本课程开始授课前，应充分了解课程知识体系的发展脉络及逻辑关系，然后根据学生的认知特点，将基本的电化学理论梳理成一个个简单易懂的模块，以便学生能更快、更好地建立扎实的理论和技能基础;和学生一同对相关教材内容进行分析，结合学生基础与兴趣设计教学内容和方式，同时考虑教材内容的难点和重点，明确学习目标、学习任务与问题。

    课程讲解是主体? 通过对课程内容的选择，把一些基本概念和容易混淆的概念通过动画形式表现，着重解释重点和难点内容，营造良好的教学氛围。学生可以无压力地表达自己，充分发散思维，更好地集中精力与课堂，主动提出问题，增强对课程学习的兴趣。要使学生在课堂上敢于问疑，并在下课后设有练习题检查学习效果，通过打分考核形式评估学生是否掌握基本的电化学理论基础，否则需要重新学习。

    创新实验是巩固，三位一体? 本科生提前进入实验室，开展创新性的实验研究，是对电化学基本理论和课程讲解内容的进一步完善和升华。在实验的探索与研究过程中，学生将有一定突破性的发现撰写成论文，发表于学术期刊上。这不仅可以保障学生顺利完成毕业论文，还会对他们本科毕业后申请国际知名科研院校有很大帮助。创新性的实验研究学习是培养学生创新精神和实践能力的有效途径，让学生通过实验获取知识和运用知识分析与解决问题。

    4 实例及效果介绍

    能源材料课程包括理论学习和实验内容两个部分。其中，电化学理论知识的教学在课堂上完成，结合雨课堂、慕课等手段进行。电化学的实验包括两个部分：一个是基础专题实验，提供固定的实验方案，让学生合成一个多孔材料薄膜作为超级电容器的负极材料，通过这个实验，学生能够掌握基本的电化学测试方法;另一个是创新实验，没有现成的实验方案，给定一个主题，如锂电负极材料的合成以及电化学性能的研究，结果部分学生合成了锂电的正极材料，部分学生合成了负极材料，所有学生都将自己合成的材料封装成扣式锂离子电池，并对自己合成的材料进行了表征。

    通过三位一体教学模式在能源材料课程中的实践，学生能够积极主动地参与实验方案的设计，掌握相关的基础知识，对实验结果进行分析和讨论，具备一定的科研素养。学生反馈教学效果良好，以本课程中参与创新实验的本科生为例，开展“黑磷基复合材料的制备与锂离子电池负极性能研究”的本科生在国际刊物上以第一作者发表英文论文一篇，合作发表学术论文八篇，并成功申请香港科技大学攻读博士学位;开展“富锂层状过渡金属复合氧化物的合成及氧还原和氧析出性能研究”的本科生在国际刊物上以第一作者发表英文论文一篇，合作发表学术论文七篇，并成功申请香港理工大学攻读博士学位;开展“合成结构可调的过渡金属氧化物及其在氧还原电催化方面的应用研究”的本科生在国际刊物上以第一作者发表英文论文两篇，合作发表学术论文七篇，并成功申请加利福尼亚大学圣迭戈分校攻读博士学位。

    5 结语

    本文以能源材料中的电化学部分为例，探索基于三位一体的教学模式，不仅使学生掌握各种能源材料的基础知识，更重要的是通过创新性实验研究了解能源材料领域的最新研究进展，向学生讲述科学研究方法和艺术，拓宽学生的专业知识面，培养学生学科交叉的思维方法和独立创新能力，最终能结合各自研究课题，为深入开展能源材料方向的研究奠定坚实基础。充分发挥学生的主观能动性，采用理论联系实际、同时实践联系理论的双向思维模式，加深对能源材料课程的理解掌握。实践表明，此方法可以使学生更加深入地理解课程内容，显著提高科研能力与素养。总之，三位一体的教学模式应用于能源材料课程教学中，可以使学生更好地掌握书本内容，提高创新能力，对我国突破能源危机及加大创新型人才输出具有积极意义。

    参考文献

    [1]赵昕，朱连磊，丁黎黎.能源结构调整中政府、新能源产业和传统能源产业的演化博弈分析[J].武汉大学学报：哲学社会科学版，2018（1）：145-156.

    [2]陶雪钰，范贺良，朱亞波.《能源材料导论》课程教学实践与探索[J].科技资讯，2014（32）：173-174.

    [3]秦海英.研究生《能源材料》课程教学改革探索[J].教育现代化，2017（26）：46-47.

    [4]施晓秋，刘军.“三位一体”课堂教学模式改革实践[J].中国大学教学，2015（8）：34-39.

    [5]郭炳焜，李新海，杨松青.化学电源：电池原理及制造技术[M].长沙：中南大学出版社，2009.