《新能源材料》課程的教學(xué)探討

劉法謙 郭志巖 張乾

摘要：《新能源材料》是新能源材料與器件專業(yè)的核心專業(yè)課程之一，專業(yè)性強(qiáng)，涉及面廣。作者根據(jù)目前國際的研究熱點，確定了《新能源材料》課程的教學(xué)范圍，并從教學(xué)手段的運用、課堂—實驗室—工廠三位一體的培養(yǎng)模式以及交互式教學(xué)等方面，提出了一些個人見解。

關(guān)鍵詞：新能源材料；教學(xué)內(nèi)容；教學(xué)手段

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）29-0132-02

隨著經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展，能源短缺成為全球日益突出的問題。為此，發(fā)展以太陽能為代表的新能源已經(jīng)成為各個國家的共識。美國俄勒岡州科技學(xué)院于2005年率先開辦了可再生能源四年大學(xué)本科學(xué)位課程，之后，紐約州立大學(xué)Canton分校于2006年、伊利諾伊州立大學(xué)于2008年都開設(shè)了可再生替代能源專業(yè)。2009年底，我國開始布局戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，新能源產(chǎn)業(yè)作為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的代表，成為低碳經(jīng)濟(jì)的發(fā)展方向。2010年，“新能源材料與器件專業(yè)”被教育部批準(zhǔn)為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)相關(guān)專業(yè)之一。作為新能源的轉(zhuǎn)化和利用以及發(fā)展新能源技術(shù)的關(guān)鍵，新能源材料則成為了關(guān)乎國家發(fā)展的戰(zhàn)略性重大問題，而《新能源材料》這門課程也成為新能源材料與器件專業(yè)的核心課程之一。

《新能源材料》是建立在高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理、大學(xué)化學(xué)、材料科學(xué)基礎(chǔ)、半導(dǎo)體物理與器件、新能源轉(zhuǎn)換與控制技術(shù)、凝聚態(tài)物理等基礎(chǔ)課和專業(yè)課之上的一門課程，專業(yè)性強(qiáng)，涉及面廣，是材料科學(xué)與電子科學(xué)、化學(xué)、物理學(xué)、能源技術(shù)科學(xué)等多學(xué)科交叉的綜合性學(xué)科，涵蓋了太陽能電池材料、儲氫材料、鋰電池材料、燃料電池材料等先進(jìn)能源材料。盡管我國已經(jīng)有一些高校開設(shè)新能源材料與器件專業(yè)，但作為一個新興專業(yè)，其相關(guān)課程建設(shè)仍相對滯后?！缎履茉床牧稀纷鳛槠渲械暮诵恼n程，其建設(shè)具有重要意義。作者經(jīng)過近幾年的教學(xué)，針對新能源材料的課程特點，在教學(xué)過程中采用了一些新型的教學(xué)方法和手段，在啟發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，增加該課程的興趣點的同時，提高了教學(xué)效果。

一、《新能源材料》教學(xué)內(nèi)容

目前，可供新能源材料選用的教材非常有限，且大多數(shù)編著于多年前。新能源領(lǐng)域的發(fā)展可謂日新月異，陳舊的教材已經(jīng)無法適應(yīng)新形勢下的需要?；诖?，我們以最近幾年的科學(xué)研究熱點為依據(jù)，厘定了以下教學(xué)內(nèi)容：

1.太陽能電池材料。太陽能電池是通過光電效應(yīng)或者光化學(xué)效應(yīng)直接把光能轉(zhuǎn)化成電能的裝置，是目前最有應(yīng)用前景的可再生能源。本部分主要講述太陽能電池原理、太陽能電池的結(jié)構(gòu)與特性、太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)、太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用以及各種太陽能電池。太陽能電池的分類很多，較傳統(tǒng)的主要包括：硅太陽能電池、有機(jī)聚合物電池、染料敏化太陽能電池和量子點敏化太陽能電池等。自2013年起，以CH3NH3PbI3為代表的鈣鈦礦太陽能電池逐漸成為研究的主流。[1]鈣鈦礦型復(fù)合氧化物ABO3是一種具有獨特物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)的新型無機(jī)非金屬材料，A位一般是稀土或堿土元素離子，B位為過渡元素離子，A位和B位皆可被半徑相近的其他金屬離子部分取代而保持其晶體結(jié)構(gòu)基本不變。目前，鈣鈦礦太陽能電池的效率已經(jīng)接近20%。

2.鋰離子電池材料。鋰離子電池是一種二次電池（充電電池），它主要依靠鋰離子在正極和負(fù)極之間移動來工作。[2]在充放電過程中，Li+在兩個電極之間往返嵌入和脫嵌：充電時，Li+從正極脫嵌，經(jīng)過電解質(zhì)嵌入負(fù)極，負(fù)極處于富鋰狀態(tài)；放電時則相反。電池一般采用含有鋰元素的材料作為電極，是現(xiàn)代高性能電池的代表。鋰離子電池的研究是當(dāng)前能源領(lǐng)域的研究熱點，本部分主要講述的內(nèi)容包括：鋰離子電池的工作原理、鋰離子電池負(fù)極材料、鋰離子電池正極材料、鋰離子電池電解質(zhì)材料以及鋰離子電池隔膜材料。

3.金屬氫化物鎳電池材料。20世紀(jì)60年代末，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)儲氫合金。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)儲氫合金在吸放氫的過程中伴有電化學(xué)效應(yīng)、熱效應(yīng)等。1973年起科學(xué)家開始把LaNi5型儲氫合金作為二次電池負(fù)極材料，1987年建成Ni/MH電池的試生產(chǎn)線，1990年，Ni/MH電池商業(yè)化，日本居于世界前列，1990年，日本三洋公司開始批量生產(chǎn)，美國、德國相繼開始生產(chǎn)。我國近年來發(fā)展很快，相繼建立的一些電池生產(chǎn)企業(yè)，如天津和平海灣，深圳比亞迪等。本部分主要講述的內(nèi)容包括金屬氫化物鎳電池原理、結(jié)構(gòu)和特性以及其優(yōu)缺點、儲氫合金負(fù)極材料、鎳正極材料以及Ni/MH電池材料的再生利用。

4.燃料電池。燃料電池是一種不經(jīng)過燃燒而在等溫下直接將儲存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能高效而又環(huán)境友好地轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。它的最大特點是燃料和氧化劑是從電池外部連續(xù)注入電池的，是繼水利、火力和核能發(fā)電之后的第四類發(fā)電技術(shù)。2005年，日本Honda推出50kW的燃料電池轎車，2006年三星公司推出燃料電池筆記本電腦，極大的推進(jìn)了燃料電池的工業(yè)化進(jìn)程。本部分主要講述的內(nèi)容包括燃料電池原理、質(zhì)子交換膜型燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池、固體氧化物燃料電池以及燃料電池汽車基礎(chǔ)。

二、《新能源材料》教學(xué)手段嘗試

1.各種教學(xué)手段和教學(xué)方法的綜合運用?！缎履茉床牧稀飞婕暗姆秶軐?，包括無機(jī)、有機(jī)，非金屬、金屬等知識體系，著重強(qiáng)調(diào)數(shù)理基礎(chǔ)，理化結(jié)合，材料、器件、系統(tǒng)的結(jié)合。[3]由于該課程較抽象，且都是學(xué)生還沒有接觸到的領(lǐng)域，學(xué)生在初次接觸本門課程時經(jīng)常會遇到知識過于抽象不好理解的困難。因此需要改變傳統(tǒng)的教學(xué)方法，采用多種多樣的教學(xué)模式和教學(xué)手段，尤其是要充分利用多媒體技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等現(xiàn)代教學(xué)手段，形成直觀形象和生動的教學(xué)場景，從而提高教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效率。多媒體課件能將新能源材料中抽象難懂的概念、關(guān)系、原理以圖像、聲音、動畫、視頻的形式變得具體化，從而可以增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和積極性，提高教學(xué)效果。比如可以在鋰離子電池基礎(chǔ)部分講述完成后，使用視頻的形式來闡述鋰離子電池完整的制作過程，加深學(xué)生的印象。在講解燃料電池時，可以先利用通用公司制作的關(guān)于燃料汽車的廣告，來激發(fā)學(xué)生對燃料電池的興趣。但應(yīng)用現(xiàn)代化教學(xué)手段并不等于全盤拋棄傳統(tǒng)的教學(xué)手段，黑板的隨意性和互動性不是多媒體所能完全替代的。對于原理的闡述時，例如闡述各種電池器件的工作原理、電化學(xué)原理和固相合成原理等難點問題時，應(yīng)該通過板書逐個擊破。因而在實際教學(xué)中要合理地將現(xiàn)代教學(xué)手段與傳統(tǒng)的教學(xué)手段結(jié)合起來，提高課堂教學(xué)的質(zhì)量。

2.課堂—實驗室—工廠三位一體的培養(yǎng)模式?！缎履茉床牧稀匪婕暗降睦碚搩?nèi)容較為抽象，僅靠課堂上的教學(xué)很難實現(xiàn)讓學(xué)生對新能源材料的了解和認(rèn)識。作為課堂理論教學(xué)的補(bǔ)充和延伸，通過開設(shè)課程實驗可以加深學(xué)生對理論知識的理解，并提高學(xué)生的動手能力和分析解決問題的能力。實驗內(nèi)容的設(shè)計，不僅要注重實時性，同時還要突出實驗的專業(yè)背景，這樣才能真正體現(xiàn)實驗教學(xué)的系統(tǒng)性和專業(yè)性。目前，本課程開設(shè)的基礎(chǔ)實驗包括：鋰離子電池正負(fù)極材料的制備，電池裝配及性能測試；基于TiO2的染料敏化太陽能電池正負(fù)極制備，電池裝配及性能測試；燃料電池的基本原理和燃料電池的性能測試。實踐活動包含著與理論教學(xué)相關(guān)的實踐活動內(nèi)容，不僅體現(xiàn)著理論聯(lián)系實際的教學(xué)理念，還可以培養(yǎng)學(xué)生實踐能力和創(chuàng)新能力。青島科技大學(xué)在城陽區(qū)青大工業(yè)園和平度新能源材料產(chǎn)業(yè)園區(qū)均設(shè)有實習(xí)基地。其中城陽區(qū)可以進(jìn)行動力型鋰離子電池正極材料、負(fù)極材料的制備以及電池的裝配實驗；平度市新能源材料產(chǎn)業(yè)園區(qū)里的企業(yè)可以進(jìn)行單晶硅太陽能電池、多晶硅太陽能電池以及完整的太陽能電池裝配線。通過學(xué)生走進(jìn)實驗室，再走進(jìn)企業(yè)，可以實現(xiàn)課堂—實驗室—工廠三位一體的理論與實踐相結(jié)合的模式。

3.實施交互教學(xué)，讓學(xué)生走上講臺。為了進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，我們安排了每個學(xué)生都有上臺演講機(jī)會，讓學(xué)生參與到教學(xué)中來。每人大概分配10分鐘時間，一個學(xué)生一個命題。題目主要分為二類：一類命題來源于前沿領(lǐng)域。即從最新的Science、Nature及其系列子刊等國際著名期刊上尋找關(guān)于新能源材料的最新進(jìn)展，讓同學(xué)們完成從資料查找、到閱讀，再到課堂講授的完整流程。比如，針對目前太陽能電池中，研究最熱的鈣鈦礦電池，讓學(xué)生通過查找文獻(xiàn)，指出鈣鈦礦電池效率高的原因所在，效率可能繼續(xù)提高的因素以及鈣鈦礦電源目前存在的缺陷。另一類命題來源于生活，比如目前國家大力推行電動汽車，那么最適合作為動力型鋰離子電池正極的材料有哪些？目前大多數(shù)農(nóng)村用的小型電動車采用的是哪一類電池？太陽光的光譜范圍是多少？什么樣的材料才能最大范圍的吸收太陽光，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)榭纱鎯δ芰?？等等。另通過這種交互的教學(xué)方式，學(xué)生的積極性普遍得到了提高，學(xué)生在講授過程中，不但自己有了很大的收獲，教師也能在相互的交流中獲益頗多。

三、結(jié)論

我們根據(jù)目前國際的研究熱點，確定了包含太陽能電池材料、鋰離子電池材料、金屬氫化物鎳電池材料以及燃料電池材料四大領(lǐng)域的教學(xué)內(nèi)容。并根據(jù)新能源材料課程的特殊性，改變傳統(tǒng)的教學(xué)方法，通過各種教學(xué)手段和教學(xué)方法的綜合運用、課堂—實驗室—工廠三位一體的培養(yǎng)模式以及交互式教學(xué)等方式，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和積極性，使《新能源材料》的教學(xué)手段更加完善和成熟，并取得了令人滿意的教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]Hodes，Gary.Cahen，David，Perovskite cells roll forward[J]. Nature Photonics，2014，（8）.

[2]F.-Q. Liu，H. Wu，T. Li，L. R. Grabstanowicz，K. Amine and T[J]. Xu，Nanoscale，2013，（5）.

[3]雷永泉.新能源材料[M].天津大學(xué)出版社，2001.