新工科背景下微項(xiàng)目式新能源專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)
——鋰離子電池實(shí)驗(yàn)案例

吳 玨， 陳 昕， 成錦強(qiáng)， 莊智鵬， 王顯赫

（珠海科技學(xué)院應(yīng)用化學(xué)與材料學(xué)院，廣東 珠海 519041）

0 引 言

在國(guó)家“雙碳”政策支持下，新能源、新材料等國(guó)家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，儲(chǔ)能電池、光伏電池等相關(guān)企業(yè)不斷涌現(xiàn)［1］。為適應(yīng)當(dāng)前新能源、新材料、節(jié)能環(huán)保、高端裝備制造等國(guó)家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求，由化學(xué)、材料、物理、電子、機(jī)械等多學(xué)科交叉，以能量轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)材料及其器件研究、設(shè)計(jì)、制備與應(yīng)用為人才培養(yǎng)特色。

項(xiàng)目式學(xué)習(xí)（Project-Based Learning，PBL）目前已成為我國(guó)教育教學(xué)理論研究和教學(xué)實(shí)踐改革的重要途徑［2-4］。其核心是驅(qū)動(dòng)性問(wèn)題的設(shè)計(jì)、實(shí)施、管理、評(píng)估與反思。驅(qū)動(dòng)性問(wèn)題一般源于真實(shí)問(wèn)題情境，在教師的科學(xué)合理設(shè)計(jì)下，衍生出一系列子問(wèn)題以開(kāi)啟項(xiàng)目式教學(xué)和PBL，激發(fā)學(xué)生進(jìn)行持續(xù)的、有意義的探索性學(xué)習(xí)，使學(xué)生獲得通過(guò)科學(xué)研究或?qū)嵺`創(chuàng)新進(jìn)而解決問(wèn)題的沉浸式學(xué)習(xí)體驗(yàn)［5］。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)教學(xué)研究者和一線授課教師圍繞PBL開(kāi)展了探索性改革和教學(xué)實(shí)踐研究。然而，目前的PBL多以初高中課堂教學(xué)為主，PBL 在大學(xué)的研究較少，尤其是在高等教育工科類實(shí)驗(yàn)課程的研究尚為欠缺。為此，本文以“新能源汽車動(dòng)力電池續(xù)航”為情境，開(kāi)展驅(qū)動(dòng)性問(wèn)題的設(shè)計(jì)和實(shí)施策略研究，對(duì)新能源材料與器件專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)課程“鋰離子電池實(shí)驗(yàn)”進(jìn)行改革，以改善傳統(tǒng)重復(fù)性、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)教學(xué)的弊端［6-8］。課程面向新能源材料與器件專業(yè)大三本科生開(kāi)設(shè)。常見(jiàn)的項(xiàng)目式教學(xué)時(shí)間和學(xué)科跨度較大，本實(shí)驗(yàn)課程結(jié)合課程目標(biāo)及實(shí)際情況，采用微項(xiàng)目式教學(xué)模式展開(kāi)。

1 實(shí)驗(yàn)課程設(shè)置

新能源材料與器件專業(yè)綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)是新能源材料與器件專業(yè)的重要實(shí)驗(yàn)課程［9］。通過(guò)綜合實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練，旨在使學(xué)生鞏固物理化學(xué)、新能源材料、電化學(xué)原理等專業(yè)課程基本理論，掌握多種電池器件的制造工藝和測(cè)試技術(shù)，初步具備新能源器件等相關(guān)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的研究、開(kāi)發(fā)能力。該綜合實(shí)驗(yàn)課程開(kāi)設(shè)有鋰離子電池、光伏電池、超級(jí)電容器等多項(xiàng)應(yīng)用性實(shí)驗(yàn)。單門實(shí)驗(yàn)課程的時(shí)間為24 課時(shí)。在傳統(tǒng)教學(xué)模式下，綜合實(shí)驗(yàn)課普遍存在著電池理論與實(shí)踐分離、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容固化、上課形式單一等問(wèn)題，由此導(dǎo)致學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)積極性不高，學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中易產(chǎn)生“為什么要學(xué)”的疑問(wèn)。對(duì)此，本文基于以學(xué)生為中心的教學(xué)理念和微項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的教學(xué)模式［10］，以鋰離子電池實(shí)驗(yàn)為例，對(duì)實(shí)驗(yàn)開(kāi)展涉及的各環(huán)節(jié)展開(kāi)論述（見(jiàn)表1），以期為高等學(xué)校相關(guān)工科專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程的實(shí)踐教學(xué)改革提供參考。

表1 改革前后實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式比較

2 微項(xiàng)目式實(shí)驗(yàn)教學(xué)

本課程改變傳統(tǒng)的教學(xué)模式，開(kāi)展“以學(xué)生為中心”的微項(xiàng)目式實(shí)驗(yàn)教學(xué)（見(jiàn)圖1）。實(shí)驗(yàn)課程以學(xué)生為主體，教師僅作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的引導(dǎo)者［11］。學(xué)生自主探索，分工合作、群策群力；教師主要引導(dǎo)、促進(jìn)，在項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中與學(xué)生進(jìn)行充分交流和探討。由此提高學(xué)生創(chuàng)新和合作能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和團(tuán)隊(duì)精神。

圖1 微項(xiàng)目式實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程

2.1 教師設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)性問(wèn)題，學(xué)生半自主擬定項(xiàng)目

教師團(tuán)隊(duì)結(jié)合社會(huì)熱點(diǎn)問(wèn)題及自身科研課題，設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)性問(wèn)題（見(jiàn)圖2）。在日常生活中，新能源汽車動(dòng)力電池的續(xù)航里程是許多用車家庭的痛點(diǎn)問(wèn)題。新能源汽車?yán)m(xù)航里程有限影響高速行駛、冬季續(xù)航里程下降造成用車?yán)щy等。汽車?yán)m(xù)航里程是源自生活的真實(shí)場(chǎng)景，以真實(shí)生活痛點(diǎn)為驅(qū)動(dòng)性問(wèn)題設(shè)計(jì)，既涵蓋真實(shí)生活場(chǎng)景元素，又具有導(dǎo)向型、探索性和科學(xué)性，引導(dǎo)和驅(qū)動(dòng)學(xué)生持續(xù)不斷地挖掘隱藏在生活痛點(diǎn)背后的科學(xué)問(wèn)題，探索可行的解決方案或改進(jìn)措施。

圖2 驅(qū)動(dòng)性問(wèn)題的設(shè)計(jì)

（1）學(xué)生的前期理論知識(shí)儲(chǔ)備。該實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程安排在大三下學(xué)期。此前，本科生已基本掌握了“物理化學(xué)”和“電化學(xué)原理”課程中，電池的結(jié)構(gòu)、工作原理等理論知識(shí)框架，以及“新能源材料”和“電池材料與器件”課程中常見(jiàn)電池材料的結(jié)構(gòu)與性能、電化學(xué)表征方法等理論知識(shí)框架，以及正極材料改性處理等應(yīng)用方法。

（2）學(xué)生半自主擬定項(xiàng)目方案。教師引導(dǎo)學(xué)生以團(tuán)隊(duì)形式針對(duì)驅(qū)動(dòng)性問(wèn)題及其子問(wèn)題，通過(guò)線上文獻(xiàn)調(diào)研、小組討論等方式制定項(xiàng)目方案。學(xué)生選題可包括正極材料優(yōu)化、隔膜改性、負(fù)極材料改進(jìn)等方向。例如，針對(duì)新能源汽車?yán)m(xù)航里程問(wèn)題，設(shè)計(jì)高能量正極材料（負(fù)極材料），提出隔膜改性提高電池能量密度等。在確定研究方向后，學(xué)生可結(jié)合理論課程、文獻(xiàn)檢索等方式制定詳細(xì)方案。教師在項(xiàng)目方案制定過(guò)程中僅作為引導(dǎo)者，通過(guò)審核學(xué)生團(tuán)隊(duì)自主擬定方案、與學(xué)生基于實(shí)驗(yàn)內(nèi)容討論，對(duì)方案的可行性給予把關(guān)。

2.2 學(xué)生預(yù)實(shí)驗(yàn)優(yōu)化方案，教師線上線上混合式指導(dǎo)

教師指導(dǎo)學(xué)生以“預(yù)實(shí)驗(yàn)”方式開(kāi)展探究式實(shí)驗(yàn)，獲得實(shí)驗(yàn)重要參數(shù)。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)過(guò)程通常由教師告知學(xué)生具體實(shí)驗(yàn)參數(shù)，學(xué)生根據(jù)講義內(nèi)容“依葫蘆畫瓢”。在該實(shí)驗(yàn)課程開(kāi)展過(guò)程中，教師盡可能地讓每位學(xué)生參與到自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)具體步驟過(guò)程中，提高學(xué)生對(duì)綜合實(shí)驗(yàn)的認(rèn)知。

首先，開(kāi)展線上預(yù)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)仿真教學(xué)加深學(xué)生對(duì)鋰離子電池材料制備及組裝的實(shí)驗(yàn)操作的熟悉度。仿真教學(xué)可基于國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程共享平臺(tái)的“鋰離子電池生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)虛擬仿真項(xiàng)目”和“鋰離子電池正極材料制備及性能探究虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”展開(kāi)。例如，鋰離子電池生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)虛擬仿真項(xiàng)目，以鋰離子電池的制備和表征為主線，包括正極材料合成和表征、鋰離子電池制備、電池性能測(cè)試等七個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K。學(xué)生通過(guò)觀看實(shí)驗(yàn)流程視頻和參與仿真實(shí)驗(yàn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)操作步驟進(jìn)行提前“預(yù)熱”，對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程有整體了解。

同時(shí)，課程還設(shè)有線下預(yù)實(shí)驗(yàn)。例如，在鋰離子電池的電化學(xué)測(cè)試環(huán)節(jié)，僅告知學(xué)生電池充（放）電的安全電壓范圍，讓學(xué)生通過(guò)查詢儀器電壓量程，實(shí)驗(yàn)觀察截止電壓數(shù)值大小對(duì)電池容量釋放影響等方式，自主設(shè)置充（放）電截止電壓。

通過(guò)線上與線下相結(jié)合的預(yù)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，有效培養(yǎng)學(xué)生自主探索、勇于創(chuàng)新的科學(xué)素養(yǎng)［12］。

2.3 師生實(shí)時(shí)互動(dòng)交流，多維度推進(jìn)項(xiàng)目實(shí)施

實(shí)驗(yàn)過(guò)程采用互動(dòng)式教學(xué)，包括“學(xué)生-教師”間互動(dòng)、“學(xué)生-學(xué)生”間互動(dòng)和“學(xué)生-社會(huì)”間互動(dòng)3 種模式。

實(shí)驗(yàn)開(kāi)展過(guò)程中，教師通過(guò)線下“學(xué)生-教師”互動(dòng)模式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)。實(shí)驗(yàn)開(kāi)展前，教師分組查閱學(xué)生擬定的實(shí)驗(yàn)方案，并與學(xué)生小組就主要問(wèn)題展開(kāi)討論，重點(diǎn)關(guān)注實(shí)驗(yàn)研究對(duì)象是否合理、實(shí)驗(yàn)步驟是否準(zhǔn)確。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程中，引導(dǎo)學(xué)生面對(duì)實(shí)驗(yàn)問(wèn)題時(shí)，結(jié)合課堂理論知識(shí)、主動(dòng)思考。例如，在涂漿時(shí)出現(xiàn)漿料無(wú)法涂布現(xiàn)象，引導(dǎo)學(xué)生回顧理論課程知識(shí)、分析前期操作過(guò)程，找到問(wèn)題原因（包括球磨時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、環(huán)境濕度高），并指導(dǎo)學(xué)生優(yōu)化實(shí)驗(yàn)參數(shù)（調(diào)整球磨時(shí)間、降低環(huán)境濕度、縮短涂布時(shí)間）。再例如，電池組裝過(guò)程中，出現(xiàn)電池輸出電壓為零現(xiàn)象，引導(dǎo)學(xué)生思考操作過(guò)程是否存在不規(guī)范行為（電池組裝過(guò)程正極與負(fù)極接觸、隔膜破損等）造成短路。引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)“實(shí)驗(yàn)-問(wèn)題-反思-驗(yàn)證-實(shí)驗(yàn)“的正反饋過(guò)程，綜合鍛煉分析能力、邏輯思維能力和動(dòng)手能力。

2.4 學(xué)生項(xiàng)目成果匯報(bào)，教師反饋總結(jié)經(jīng)驗(yàn)

設(shè)計(jì)項(xiàng)目成果匯報(bào)環(huán)節(jié)，通過(guò)“線上與線下相結(jié)合”的“學(xué)生-學(xué)生”間和“學(xué)生-社會(huì)”間互動(dòng)模式展示和討論項(xiàng)目結(jié)果。為了讓學(xué)生展示和分享項(xiàng)目成果和經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)吸收來(lái)自其他團(tuán)隊(duì)和教師的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)。

匯報(bào)過(guò)程以“項(xiàng)目結(jié)題展示會(huì)”形式展開(kāi)，并邀請(qǐng)本專業(yè)教師及電池企業(yè)工程師線上參與討論。學(xué)生以團(tuán)隊(duì)形式開(kāi)展項(xiàng)目匯報(bào)，從項(xiàng)目實(shí)施方案、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析、項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程問(wèn)題及其解決方案等多個(gè)方面進(jìn)行組間展示在每個(gè)團(tuán)隊(duì)展示完畢后，安排問(wèn)答環(huán)節(jié)，鼓勵(lì)各團(tuán)隊(duì)成員之間互動(dòng)交流，分享經(jīng)驗(yàn)和思路。任課教師和線上人員（教師或工程師）給予專業(yè)點(diǎn)評(píng)，就學(xué)生的展示內(nèi)容、演講能力、項(xiàng)目質(zhì)量等，進(jìn)行綜合評(píng)估和反饋。

該方法有效提高學(xué)生的積極性、表達(dá)能力和應(yīng)變能力，同時(shí)考察學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中是否主動(dòng)思考和掌握實(shí)驗(yàn)要點(diǎn)。

3 微項(xiàng)目式教學(xué)對(duì)學(xué)生能力的培養(yǎng)

通過(guò)項(xiàng)目式的新型實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)模式，體現(xiàn)課程的“兩性一度”［13-14］，全方面培養(yǎng)新能源材料與器件專業(yè)學(xué)生的綜合能力。

3.1 自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)

組織學(xué)生以團(tuán)隊(duì)形式自主討論、制定項(xiàng)目方案，培養(yǎng)學(xué)生的科研創(chuàng)新意識(shí)。實(shí)驗(yàn)課程通過(guò)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)模式創(chuàng)新，打造“線上-線下”相結(jié)合的雙線教育。學(xué)生通過(guò)復(fù)習(xí)電池電化學(xué)性質(zhì)及其組成等基本知識(shí)和閱讀科技論文，圍繞實(shí)驗(yàn)課程的選題范圍，自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探索的具體內(nèi)容和步驟。綜合實(shí)驗(yàn)課程結(jié)束后，學(xué)生還可通過(guò)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目、學(xué)科競(jìng)賽、畢業(yè)論文等途徑，在指導(dǎo)教師帶領(lǐng)下進(jìn)入科研實(shí)驗(yàn)室，結(jié)合科研實(shí)驗(yàn)室的大型分析儀器，對(duì)電池相關(guān)課題進(jìn)行更進(jìn)一步的深入探索。

3.2 獨(dú)立分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，塑造高階人才

引導(dǎo)學(xué)生團(tuán)隊(duì)自主分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)、求實(shí)的科研素養(yǎng)。在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析過(guò)程中，指導(dǎo)學(xué)生使用Origin等科學(xué)數(shù)據(jù)分析軟件分析電池的電化學(xué)性能數(shù)據(jù)。同時(shí)，學(xué)生可以結(jié)合多種結(jié)構(gòu)及電化學(xué)表征方法多維度分析電池的綜合性能。例如，通過(guò)X 射線衍射（XRD）測(cè)試方法和Jade結(jié)構(gòu)分析軟件，自主分析電化學(xué)過(guò)程中電極材料的結(jié)構(gòu)演化規(guī)律；通過(guò)電化學(xué)阻抗譜（EIS）測(cè)試方法和Zview分析軟件，科學(xué)考察電池工作過(guò)程的鋰離子擴(kuò)散路徑的演化過(guò)程；結(jié)合差示掃描量熱法（DSC）測(cè)試方法和分析軟件，了解探究電池材料的熱穩(wěn)定性能等。通過(guò)本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的系統(tǒng)分析，使本專業(yè)學(xué)生掌握相關(guān)科學(xué)軟件應(yīng)用、并培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)據(jù)分析、演繹推導(dǎo)能力。

3.3 實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)綜合考量，提升挑戰(zhàn)高度

針對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)“教學(xué)評(píng)價(jià)單一”問(wèn)題，本實(shí)驗(yàn)課程考核采取“學(xué)習(xí)效果和學(xué)習(xí)過(guò)程并重、終結(jié)性評(píng)價(jià)和過(guò)程性評(píng)價(jià)相結(jié)合”的多元評(píng)價(jià)模式，實(shí)時(shí)、全面地考核學(xué)生實(shí)驗(yàn)效果。在實(shí)驗(yàn)課程開(kāi)展過(guò)程中，設(shè)計(jì)相應(yīng)細(xì)致的考核評(píng)價(jià)表，盡可能考核每位學(xué)生處理分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、項(xiàng)目展示會(huì)、撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告等多個(gè)環(huán)節(jié)?？己藘?nèi)容重在肯定學(xué)生在課程學(xué)習(xí)中的努力和進(jìn)步，并及時(shí)將考核結(jié)果反饋給每位學(xué)生。各評(píng)價(jià)環(huán)節(jié)均有據(jù)可查，綜合考察學(xué)生的能力和態(tài)度，以及個(gè)性和提升幅度等因素，激勵(lì)學(xué)生將實(shí)驗(yàn)課程學(xué)習(xí)的重心從實(shí)驗(yàn)報(bào)告轉(zhuǎn)移至綜合能力素質(zhì)的整體提升。

4 結(jié) 語(yǔ)

以珠?？萍紝W(xué)院新能源材料與器件專業(yè)綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的“鋰離子電池”實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)為例，針對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)模式存在問(wèn)題，結(jié)合“學(xué)生為中心，理論聯(lián)系實(shí)際”

的教學(xué)理念，開(kāi)展微項(xiàng)目式實(shí)驗(yàn)教學(xué)，旨在緊跟新能源行業(yè)步伐、為本專業(yè)科研及企業(yè)生產(chǎn)輸送專業(yè)型人才。以上教學(xué)方式已面向珠海科技學(xué)院2021 級(jí)新能源材料與器件專業(yè)學(xué)生開(kāi)展，經(jīng)過(guò)實(shí)踐教學(xué)，學(xué)生反饋較好。當(dāng)然，工科綜合實(shí)驗(yàn)的教學(xué)改革是個(gè)任重而道遠(yuǎn)的過(guò)程，需要不斷摸索前進(jìn)。