新能源材料課程教學改革探索

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[摘要]新能源技術和材料的高效利用及開發，將有力促進社會的發展和進步，同時對新能源材料類的人才培養提出更高要求。本文以新能源技術以及新能源材料為背景，論述了新能源材料課程教學過程中存在的問題及面臨的挑戰，探討研究了課程的教學內容、教學模式的優化和改革，增加學生的學習興趣，提升課程的教學質量和教學效果。

[關鍵詞]新能源材料；教學改革；課程優化

科技的發展和社會的進步，加速了人類對能源的需求，而傳統能源的消耗和枯竭制約了社會的快速發展和人們生活品質的提升。隨著世界經濟的快速發展和全球人口的不斷增長，世界能源消耗劇增，人類社會的可持續發展受到嚴重威脅，而解決能源危機的關鍵是新能源技術和新能源材料的突破。新能源是區別于傳統能源的創新技術基礎上可以開發利用的可再生能源，常見的形式如太陽能、地熱能、風能、海洋能、生物質能和核聚變能等，是一種可循環利用、清潔、環保的能源形式。新能源技術對于一個國家的技術發展和能源水平至關重要，同時新材料技術的研發水平及產業化規模是衡量一個國家經濟高速發展、科技進步和國防實力有效提升的重要標志[1]。如何高效地開發和利用新能源技術和材料，已成為當今世界科學家們所面對的重要挑戰[2]。在這個新興產業中對技術類人員的需求是非常迫切的，加大對新能源材料類的人才培養刻不容緩。在此背景下根據社會發展的需要產生了新能源材料的課程，該課程屬于多學科的綜合交叉學科，不僅有能源科學，還有材料科學、物理、數學、化學等學科的結合。當今社會，面對科學技術高速發展，新能源和新材料的不斷涌現，知識信息爆炸性輸出，需要學生快速掌握相關知識，如何科學高效地培養本專業的學生是該課程授課教師所面臨的問題。新能源材料這們課程是隨著新能源技術和產業發展而設置的專業選修課，為學生將來從事相關的能源材料工作、科研創新等方面提供堅實的專業基礎。本課程在介紹國內外新能源材料開發、利用、研究的基礎上，結合當今世界能源領域的研究發展現狀，概述了新能源和新能源材料面臨的主要任務和研究進展，闡述了各種新能源材料，如鋰離子電池材料、太陽能電池材料、光電顯示材料、儲氫材料等材料技術的特點。并對新能源材料的工作原理、材料組成、制備方法、發展趨勢等進行了詳細講述。通過新能源材料課程的特點與學科前沿發展的結合，激發學生對該課程的興趣，深入了解和學習新能源材料技術的相關理論知識及發展狀況，提高學生的綜合素養。推動學生自主深入學習各類能源材料，引導其在新能源材料方向的發展。為了改進和提高該課程的教學質量及教學效果，本文結合作者講授新能源材料課程的經驗和體會，探討了新能源材料課程的教學內容、教學模式的優化和改革。

1新能源材料課程教學過程存在的問題及面臨的挑戰

(1)對前期基礎要求高。新能源材料涉及多學科內容，是一門綜合性很強的課程。如果學生前期對相關的基礎知識(如物理、數學、材料、化學等)學習或理解不深，那后面學習這門課程的時候有些知識點和理論概念理解起來就比較困難。例如電池材料中的“電解池”、“原電池”等概念，有的學生以前學習過，但是仍然弄不清楚它們的區別和工作原理。此外，具體講解某一類新能源材料中還會涉及到一些復雜的專業術語、過程原理及公式，這都要求學生具有一定的前期基礎知識。(2)授課模式單一。由于特定教材的局限和傳統講授式授課方式的單一，“灌輸式”授課方式使得學生幾乎是被動接受知識，課堂教學不生動，不能吸引學生的注意力，學生對講授內容感到無趣，使得學習積極性不高，不能很好地達到教學效果和完成相應的教學目標。在國家大力發展新能源技術和相關材料的大環境下，前述這種傳統教學模式有待整合和優化，同時增加和融合多種教學手段，以引導學生的自學和創新能力，提高教學質量，并為高速發展的新能源技術和新材料應用輸出高素質創新型復合人才。(3)教學內容不能緊跟社會發展的時代前沿。日益增長的技術和生產水平不斷促進新能源材料的快速發展，目前各國面對疫情，提出了各自的經濟和社會發展計劃，如歐盟為應對疫情的影響，通過的史上最大規模疫后振興計劃，其中將太陽能產業在經濟復蘇和能源轉型中的作用更加突出，而我國作為全球太陽能的大國，這對中國的太陽能企業來說是巨大的發展機遇[3]。產業和技術的發展緊跟時代的需求，可以有側重的增加相應內容的課時量。然而上課時使用的特定教材中講授的內容比較滯后，不能緊跟時代的發展而傳遞最新的資訊和發展信息。(4)缺乏自主思考及實踐過程。新能源材料是綜合性較強的課程，要求學生掌握一定的基礎知識和原理，同時還應具備思考設計和解決問題的能力。由于課時數的限制，同時受到實驗場地、環境、設備等實驗條件的限制，缺少相應的實踐課程，無法完全真實進行實驗設計和動手操作，不利于加深學生對相應知識的理解和培養學生解決問題的能力。

2新能源材料教學改革研究與探索

新能源材料課程是冶金工程專業研究生選修課，共32學時，本課程的教學目的是通過介紹當今能源利用的現狀、存在問題以及解決辦法，了解材料在新能源領域應用的現狀及其所發揮的重要作用；激發學生對新能源材料的了解和興趣，推動學生自主深入學習各類能源材料，引導其在新能源材料方向的發展。根據存在的問題具體提出以下關于新能源材料課程教學內容和教學方式的改革建議。2.1新能源材料前沿發展信息了解的基礎上，穿插引入經典理論。知識信息爆炸，各種新知識非常多，但很多新材料的發展有相近的經典原理。理解了相應原理，學習和消化新的知識就會更容易、更高效。新能源材料的相關基礎知識涉及多學科的知識，前期部分內容在其它課程中已經學習過，但是后期綜合應用各學科知識點有一定難度。在講解新能源材料發展及應用的同時穿插引入相應的經典理論知識，使學生理解的更為深入。例如講解鋰離子電池材料時，先講解了它的發展歷史背景，然后穿插引入什么是電解池，什么是原電池，通過電解CuCl2溶液裝置的具體例子讓學生明白電解池的工作過程及相應概念，通過銅鋅原電池的具體例子讓學生明白原電池的工作過程和相關術語，不斷引導學生對電池理論中的一些基本概念如正極、負極、陽極、陰極等基本概念的理解。然后再講電池的分類及應用等，進一步引出鋰離子電池，并讓學生掌握鋰離子電池的工作原理，通過電池工作示意圖及前面奠定的基礎理論知識，使學生明白鋰離子電池充電時，鋰離子從正極脫嵌，通過電解質和隔膜嵌入到負極，到達負極的鋰離子就嵌入到碳層的微孔中，嵌入的鋰離子越多，充電容量越高，使負極處于富鋰離子態，正極處于貧鋰態；放電時，鋰離子從負極脫嵌進入正極[4]。工作原理掌握了，鋰離子電池的發展及應用、以及其它各種類型的鋰離子電池就更容易理解。2.2教學內容的優化調整及重點與主次的合理取舍。新能源材料課程涉及的專業面比較寬廣，學科交叉性強，內容豐富，教學內容涉及多個學科的綜合知識點。而且涵蓋的內容非常多，包括了新能源和新能源材料的背景和進展，以及具體的一些新能源材料種類，如分類包括了鋰離子電池材料、儲氫材料、光電顯示材料、太陽能電池材料等新材料技術；同時對這些新材料的學習所需的相關專業基礎比較多，如半導體物理、化學等相關知識。然而新能源材料課程只有32學時，在教學內容上，如果要把門類眾多的各種新材料完整地講解完，這很難做到，也不現實，這就要求在較短的時間內結合具體情況對教學內容進行合理的取舍[5]。如跟本學院相關性比較大的新材料內容可以多講解，太陽能電池材料、光電顯示材料等與本學院多個研究團隊的研究方向接近，這樣可以多講解這方面的內容，包括該方向的前沿熱點和發展方向等，為學生進入具體的實驗過程打下基礎，同時更容易實現理論與實踐的結合。另外根據社會發展的時代前沿，多講解一些最新的新能源材料的發明和應用，以及由于這種新能源材料的發明而對社會發展產生的積極意義，使學生開闊眼界并提高科研興趣。2.3豐富教學方式。教學方法和手段要根據教學對象的變化進行實時的優化和調整，被動的填鴨式的教學方法滿足不了學生的學習興趣以及提升教學質量[6]。在強調學生綜合能力的過程中，教學方式跟上發展的要求，與時俱進顯得尤為重要。在具體教學過程中，除采用常規的課堂講授方式外，將課堂互動、線下實踐、視頻及音頻展示、研究報告、科研訓練等教學手段有機結合，這種教學方式不僅能活躍課堂教學氣氛，而且有利于培養學生的查閱文獻、撰寫學術報告及語言表達水平，從而提高學生綜合素質，為學生后續發展奠定堅實的理論和實踐基礎。例如可以讓學生根據自己的興趣愛好，就某一種新能源材料進行文獻資料或實驗調研并進行歸納總結，總結形式可以包括PPT、視頻材料、音頻材料以及動畫展示等，在課堂上以專題報告的形式進行展示，其他學生提建議和問題，該形式并作為課程考試成績的一部分，通過提高學生的參與性，使學生在學習新能源材料的過程中，提高各個方面的綜合能力。2.4引導并激發學生的積極性與創造性。鼓勵學生采用靈活學習方式參與科研實踐活動，以現有學生所在課題組的資源為平臺，鼓勵學生分組進入相關的科研團隊，引導學生進行團隊協作并進行方案設計，提高學生的實踐動手能力，培養學生分析問題及將理論和實踐相結合的能力。在具體實驗中理解和實踐新能源材料的研究和應用，通過多種方式的混合教學，為培養出優秀的創新型復合人才奠定理論和實踐基礎。比如根據班級情況可以分成不同小組，每個小組4~6人，每個人負責不同內容，充分發揮教師的積極引導作用，通過已學的基本知識和科研實踐、以及文獻資料的調研，來完成預計的科研研究項目或方案設計。同時鼓勵學生積極參與老師的科研課題，在做科研課題的過程中進一步加深對相關知識的認知，為學生以后能夠獨立科研或參與科研活動奠定良好的實踐基礎[7]。

3結語

本文以新能源材料的人才培養為出發點，探討研究了《新能源材料》課程的教學內容、教學模式的優化和改革，增加學生的學習興趣，提升課程的教學質量和教學效果。教學改革是學校、老師及學生同時參與的綜合性的系統工程，需要教育工作者不斷的創新、探索和實踐，積極嘗試新的教學模式，豐富、改進和創新教學方法與手段，充分調動起學生學習的主動性和積極性，培養綜合性高素質人才。

參考文獻

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[3]中國半導體行業協會，新能源材料[J]．新材料產業，2020(04)：87-89．

[4]黃可龍．鋰離子電池原理與關鍵技術[M]．北京：化學工業出版社，2008．

[5]李新利，李麗華，任鳳章，等．新能源材料與技術課程的教改探索[J]．山東化工，2018，47(21)：156-158．

[6]韓延明．建設創新課堂提高教學質量[J]．臨沂師范學院學報，2010，32(04)：1-9．

[7]趙立斌，張莉莉，邢楠，等．大學生創新訓練、學術素養提升與創新型人才培養[J]．河北農業大學學報(社會科學版)，2019，21(06)：36-44

作者:陳杰 孫本雙 徐建偉 單位:鄭州大學河南省資源與材料工業技術研究院