《鋰離子電池技術(shù)》課程教學(xué)改革探索與實踐

孫寧波，司江菊，郭 嬌，陳 瑋

(新鄉(xiāng)學(xué)院化學(xué)與材料工程學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453000)

隨著世界經(jīng)濟的飛速發(fā)展，能源短缺和環(huán)境污染的問題變得日益嚴(yán)重。尋找清潔的綠色新能源成為當(dāng)今世界共同努力的方向。鋰離子電池具有儲能密度高、循環(huán)壽命長、自放電小、環(huán)境友好等優(yōu)點，使其在清潔新能源中占有很重要的一席之地。鋰電行業(yè)作為可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，已經(jīng)成為世界各國搶占新一輪經(jīng)濟與科技發(fā)展制高點的重要戰(zhàn)略之一。在國務(wù)院發(fā)布的《中國制造2025》中新能源汽車動力電池也被列為重點發(fā)展的十大領(lǐng)域之一，可見作為動力電池的鋰電行業(yè)發(fā)展的重要性。目前鋰電新能源產(chǎn)業(yè)正處于蓬勃發(fā)展的時期，隨著其產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷擴大，技術(shù)需求不斷提升，對鋰電專業(yè)技術(shù)人才的需求也在日益增長。因此，對口培養(yǎng)高素質(zhì)鋰電專業(yè)人才，從根本上保證鋰電行業(yè)真正快速健康的發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義。

《鋰離子電池技術(shù)》是為適應(yīng)新能源鋰電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展而開設(shè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，包含了系統(tǒng)全面的鋰離子電池相關(guān)知識?？梢詾閷W(xué)生后續(xù)行業(yè)深造、從事相關(guān)科研工作奠定堅實的理論及實踐基礎(chǔ)，對鋰電行業(yè)高水平應(yīng)用人才的培養(yǎng)至關(guān)重要。通過實踐教學(xué)不斷改革和完善鋰電新能源產(chǎn)業(yè)的人才培養(yǎng)體系和模式更是時代賦予的歷史重任。本文將針對這門新開設(shè)的專業(yè)課，從課程內(nèi)容、教學(xué)模式和教學(xué)手段三個方面出發(fā)進(jìn)行思考和探討，為培養(yǎng)高素質(zhì)鋰離子電池科研與從業(yè)人才提供思路。

1 鋰離子電池技術(shù)改革的必要性

鋰離子電池技術(shù)具有理論性強、技術(shù)更新快、多學(xué)科內(nèi)容廣泛的突出性質(zhì)，與材料科學(xué)基礎(chǔ)、電化學(xué)、材料化學(xué)、儲能材料等課程聯(lián)系緊密[1]。隨著材料制備和應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，各種電極、電解液新材料不斷地被成功研發(fā)，并在新能源動力電池方面展現(xiàn)了廣闊的應(yīng)用前景。另外，由于消費者的胃口日益挑剔，關(guān)于鋰電池的創(chuàng)新設(shè)計理念和方案不斷更新并適用于更廣闊的儲能應(yīng)用領(lǐng)域。這就促使了鋰離子電池技術(shù)知識的不斷更新。這些日新月異的行業(yè)變化不僅關(guān)系到國家新能源戰(zhàn)略高地，而且對鋰電從業(yè)者提出了更高的適應(yīng)要求。更是對高校教育中關(guān)于鋰離子電池技術(shù)的高素質(zhì)應(yīng)用人才培養(yǎng)提出新的挑戰(zhàn)。此外，互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)的發(fā)展也為創(chuàng)新教學(xué)模式、增加教學(xué)手段帶來新鮮血液。因此，從教學(xué)內(nèi)容更新、教學(xué)模式及教學(xué)手段來看，鋰離子電池技術(shù)課程的改革勢在必行。更是培養(yǎng)應(yīng)用型高素質(zhì)鋰電人才的必然要求。

2 課程改革的思考與探索

2.1 結(jié)合專業(yè)及應(yīng)用發(fā)展背景，優(yōu)化并更新課程內(nèi)容

鋰離子電池技術(shù)是一個集理論性與應(yīng)用性于一體的高技術(shù)含量學(xué)科，隨著新能源行業(yè)的飛速發(fā)展，與鋰離子電池相關(guān)的先進(jìn)材料、制備工藝、表征手段和行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)等都在不斷更新。然而，相關(guān)技術(shù)的發(fā)展并沒有在課程內(nèi)容中得到充分體現(xiàn)，課程內(nèi)容遠(yuǎn)落后于科技發(fā)展水平。這使得《鋰離子電池技術(shù)》課程教學(xué)中的理論知識與生產(chǎn)實際脫離較大，不能滿足培養(yǎng)高素質(zhì)應(yīng)用人才的要求。其次，鋰離子電池技術(shù)作為一門較新的課程，目前還沒有非常權(quán)威或經(jīng)典的教材?，F(xiàn)有的常用教材如《鋰離子電池原理與關(guān)鍵技術(shù)》、《鋰離子電池應(yīng)用與實踐》、《鋰離子電池——科學(xué)與技術(shù)》等由于編者學(xué)科背景差別，以及計劃讀者受眾不同，并不十分適合現(xiàn)階段本科教學(xué)。采用這些教材學(xué)習(xí)該課程，除了要求學(xué)生具有一定的材料、電化學(xué)和化學(xué)等方面的基礎(chǔ)知識，還要求學(xué)生有一定的鋰離子電池相關(guān)的理論功底。此外，常用教材所涉及的鋰電知識體系內(nèi)容龐雜，重點不突出，教學(xué)條理不清晰，這與課程教學(xué)課時數(shù)的限制形成了很大沖突。因此，在有限的課時數(shù)內(nèi)，合理優(yōu)化課程內(nèi)容并根據(jù)行業(yè)發(fā)展融入和更新必要的科技前沿內(nèi)容，調(diào)動和發(fā)散學(xué)生的思維及創(chuàng)新意識是鋰離子電池技術(shù)課程教學(xué)過程中一個必須面對的問題。

我們根據(jù)近年來的教學(xué)實踐經(jīng)驗，結(jié)合鋰離子電池知識體系及課程培養(yǎng)目標(biāo)，對鋰離子電池技術(shù)這門課的內(nèi)容進(jìn)行了精簡優(yōu)化，使其條理清晰、層層遞進(jìn)。同時，根據(jù)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀更新了科技前沿相關(guān)知識，提高了學(xué)生的接受度和興趣度。優(yōu)化后的基礎(chǔ)教學(xué)內(nèi)容主要分為五個部分：

(1)鋰離子電池的基本原理(包含電池結(jié)構(gòu)、原理、關(guān)鍵性能參數(shù))，此部分為鋰離子電池技術(shù)這門課的基石，要求學(xué)生掌握全部內(nèi)容。

(2)鋰離子電池制造工藝及基本測試技術(shù)(包含電池的制備及裝配工藝、測試技術(shù)、性能評價)，此部分可使學(xué)生迅速、直觀、較全面的了解鋰離子電池?？梢詾閷W(xué)生未來直接進(jìn)入相關(guān)產(chǎn)業(yè)作鋪墊，是學(xué)生必須掌握的知識和技能。為了更好的掌握本部分內(nèi)容，除了教師課堂上講述相關(guān)內(nèi)容外，通過近幾年的摸索，本校結(jié)合自身實際情況，修訂了專業(yè)人才培養(yǎng)方案，配套了鋰電實訓(xùn)平臺，設(shè)置了兩個32學(xué)時的鋰電實訓(xùn)課及一個16學(xué)時的鋰電實驗課。因此，學(xué)生除了課堂學(xué)習(xí)外，還需要完成圓柱、軟包、扣式鋰離子電池的制備、裝配、性能測試及評價。

(3)電極材料(正極材料、負(fù)極材料)。

(4)電解液(溶劑+鹽)，在學(xué)生掌握了(1)、(2)兩部分內(nèi)容后，可以更深入的了解和學(xué)習(xí)電極材料和電解液，此部分為學(xué)生未來從事鋰電相關(guān)材料研發(fā)、關(guān)注鋰電技術(shù)壁壘、進(jìn)行科學(xué)問題攻關(guān)做鋪墊。除學(xué)習(xí)常規(guī)書本介紹的材料外，授課老師還需要在講授相關(guān)知識時，不斷聯(lián)系并整合傳統(tǒng)專業(yè)的學(xué)科資源，融入科學(xué)前沿內(nèi)容，調(diào)動學(xué)生應(yīng)用已經(jīng)學(xué)過的基礎(chǔ)課內(nèi)容，啟發(fā)他們發(fā)散思維并提高創(chuàng)新意識。

(5)其他(隔膜、集流體、粘結(jié)劑、導(dǎo)電劑)，此部分所涉及到的知識，主要是學(xué)生未來進(jìn)入相關(guān)行業(yè)，作為工藝工程師或研發(fā)工程師需要學(xué)習(xí)和掌握的內(nèi)容。但對于本科生階段，學(xué)生有相關(guān)了解即可。授課教師講授此部分內(nèi)容時可結(jié)合如《創(chuàng)新中國》、《大國重器》等一些紀(jì)錄片介紹中國在這些領(lǐng)域的發(fā)展、面對的技術(shù)壁壘和所進(jìn)行的科技攻關(guān)和努力，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)學(xué)生討論并聯(lián)系所學(xué)知識，針對實際問題進(jìn)行思考并給出學(xué)生自己的觀點和方法。

2.2 創(chuàng)新教學(xué)模式，豐富教學(xué)手段

2.2.1 科研與教學(xué)深度融合教學(xué)模式

科技是第一生產(chǎn)力、科技興國。脫離了科技前沿的教學(xué)是無法與時俱進(jìn)的。激發(fā)學(xué)生興趣、培養(yǎng)新時代高素質(zhì)應(yīng)用型人才就需要緊跟科學(xué)前沿。以高水平科學(xué)研究促進(jìn)教學(xué)質(zhì)量與人才培養(yǎng)水平的提升，是保障高校教學(xué)質(zhì)量的重要途徑[2]。為了培養(yǎng)學(xué)生自主創(chuàng)新能力，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，我們對科研與教學(xué)深度融合的教學(xué)模式進(jìn)行了探索，總結(jié)了三種創(chuàng)新教學(xué)手段:

(1)引入科研項目教學(xué)。鋰電產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，其核心就是產(chǎn)品的不斷創(chuàng)新。而科研獨特的創(chuàng)造性和前沿性使其在創(chuàng)新型人才培養(yǎng)方面具有潛在的優(yōu)勢[3]。在對鋰離子電池技術(shù)的教學(xué)中，我們發(fā)現(xiàn)，將授課教師及其團隊的科研項目引入教學(xué)課堂學(xué)習(xí)和研究，并鼓勵學(xué)生積極參與到相關(guān)科研項目中，同時啟發(fā)學(xué)生聯(lián)系理論進(jìn)行思考，會極大的激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和好奇心，提高學(xué)生的參與度。尤其是教師結(jié)合科研項目和教學(xué)內(nèi)容將自己從事科研的體會與經(jīng)歷趣味性的傳遞給學(xué)生，更能引發(fā)學(xué)生的積極討論，有些學(xué)生往往會有令人驚喜的創(chuàng)新想法。這種模式的教學(xué)可以使學(xué)生在實踐中加深課堂所學(xué)知識，發(fā)散思維，同時獲取一定的實驗技能，提高科研創(chuàng)新思想，增強自主創(chuàng)新的信心。

(2)科學(xué)前沿專題報告+翻轉(zhuǎn)課堂。培養(yǎng)大學(xué)生的科技創(chuàng)新能力已經(jīng)成為當(dāng)今社會的需求和時代的主題[4]。讓學(xué)生及時有效的學(xué)習(xí)和消化與鋰離子電池相關(guān)的科技前沿內(nèi)容，不僅需要教師深厚的學(xué)術(shù)底蘊以及對鋰電相關(guān)的學(xué)術(shù)動態(tài)的精準(zhǔn)把控，也需要學(xué)生的積極參與。而翻轉(zhuǎn)課堂是適應(yīng)科技信息時代需要提出的一種新型教學(xué)模式，在我國掀起了一股教育熱潮[5]。通過教學(xué)實踐，我們發(fā)現(xiàn)結(jié)合課程內(nèi)容將最新的高水平學(xué)術(shù)論文整理成科學(xué)前沿專題報告，尤其是借助相關(guān)論文支撐材料中的視頻材料，輔以授課教師的講解和引導(dǎo)，并利用翻轉(zhuǎn)課堂讓學(xué)生及時輸出，會極大的提高學(xué)生對相關(guān)知識的理解以及對科學(xué)前沿知識的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新思考。如在學(xué)習(xí)硅負(fù)極材料的體積效應(yīng)問題時，我們以黃建宇等人在ACS Nano、Nano Letter等知名國際學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表的相關(guān)文章為參照制作了相關(guān)的科技前沿專題報告。介紹了硅負(fù)極材料的發(fā)展和應(yīng)用情況、目前存在的關(guān)鍵科學(xué)問題以及科研工作者給出的改善方案。采用了相關(guān)論文支撐材料中的原位透射電鏡視頻進(jìn)行講解，學(xué)生可以非常直觀的學(xué)習(xí)和理解與硅負(fù)極材料體積膨脹的相關(guān)問題，極大的激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。另外，通過引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)專題報告中科研工作者發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的思路，啟發(fā)學(xué)生回顧所學(xué)材料、化學(xué)等相關(guān)知識，結(jié)合硅負(fù)極材料目前存在的關(guān)鍵科學(xué)問題給出自己的解決方案。以分組的方式進(jìn)行討論，圍繞這一課題從不同角度展開調(diào)研、總結(jié)歸納、提出方案、匯總成報告。并采用翻轉(zhuǎn)課堂模式，鼓勵學(xué)生登上講臺講解調(diào)研報告，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)主動性，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

(3)互聯(lián)網(wǎng)+學(xué)術(shù)會議/講座+教學(xué)討論。今年受新冠疫情的影響，不僅高校的傳統(tǒng)教學(xué)模式受到影響，各類線下國際、國內(nèi)會議均受阻。傳統(tǒng)模式在受到?jīng)_擊的同時，迎來了新的轉(zhuǎn)變契機。隨著各高校開啟線上教學(xué)模式，各大學(xué)術(shù)會議也紛紛開展了互聯(lián)網(wǎng)線上直播、在線提問交流，會后可查看錄播的模式，來進(jìn)行科學(xué)前沿的交流和研討。目前這種模式均是免費的，并且受到廣大科研工作者和從業(yè)研究人員的青睞。不僅擴展了會議的影響力，而且對時間地點的限制減少，更為眾多平常沒有機會或時間參會的普通本科學(xué)校的老師和學(xué)生提供了聆聽高水平國內(nèi)外學(xué)術(shù)會議的機會。尤其是科技前沿領(lǐng)軍人物的專題報告以及直接跟學(xué)術(shù)牛人交流的機會將會給學(xué)生帶來直觀的體驗和啟發(fā)。相信以后線上+線下結(jié)合的會議模式將成為國內(nèi)外學(xué)術(shù)會議的常態(tài)。因此，高效教師應(yīng)抓住這樣的機會，將其柔性融入課堂中，適當(dāng)篩選與課程相關(guān)的、合適的科學(xué)前沿會議報告，要求學(xué)生進(jìn)行觀看學(xué)習(xí)(主要包含報告內(nèi)容和報告人的學(xué)術(shù)思想)，并鼓勵學(xué)生積極參與報告的交流問答。最后由教師與學(xué)生進(jìn)行再次的分析討論和總結(jié)，并交流體會和收獲。此外，還可以通過這種方式，向?qū)W生介紹這些科技前沿領(lǐng)軍人物和他們的研究領(lǐng)域，激發(fā)學(xué)生的興趣，鼓勵學(xué)生努力學(xué)習(xí)、打好基礎(chǔ)，為以后的研究生深造指引道路。

2.2.2 強化實踐教學(xué)，培養(yǎng)應(yīng)用型人才

鋰離子電池技術(shù)是一門應(yīng)用實踐性較強的課程，人才培養(yǎng)過程中單純的依靠課本講授，很難培養(yǎng)出理論扎實、實踐突出、動手能力強的學(xué)生。必須依靠理論與實踐相結(jié)合的方式。因此，新鄉(xiāng)學(xué)院在鋰離子電池專業(yè)技術(shù)人才培養(yǎng)上，結(jié)合自身實際情況，修訂了專業(yè)人才培養(yǎng)方案，除講授課程內(nèi)容，還配套了鋰電實訓(xùn)平臺，設(shè)置了兩個32學(xué)時的鋰電實訓(xùn)課及一個16學(xué)時的鋰電實驗課。學(xué)生除了課堂學(xué)習(xí)外，還需要完成圓柱、軟包、扣式鋰離子電池的制備、裝配、性能測試及評價。這些實踐課程將更好的幫助學(xué)生理論聯(lián)系實際，提高學(xué)生的能動性。此外，學(xué)校還充分發(fā)掘和依靠本地企業(yè)，做好產(chǎn)學(xué)研的結(jié)合。新能源材料與器件專業(yè)的學(xué)生需要到新鄉(xiāng)河南鋰動、新太行等鋰電生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)行認(rèn)知實習(xí)和專業(yè)生產(chǎn)實習(xí)，進(jìn)入生產(chǎn)一線，學(xué)習(xí)鋰離子電池的材料制備、電池組裝、化成工藝等，從而使學(xué)生更好的將理論與實際生產(chǎn)相結(jié)合。為學(xué)生未來進(jìn)入工作崗位和繼續(xù)深造夯實基礎(chǔ)。課程教學(xué)與實踐教學(xué)結(jié)合，提高學(xué)生專業(yè)知識、工程應(yīng)用與產(chǎn)業(yè)化的能力[6]。

3 結(jié) 語

隨著新能源產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，與鋰離子電池相關(guān)的新材料與新技術(shù)不斷更新，《鋰離子電池技術(shù)》課程的本科教學(xué)應(yīng)與時俱進(jìn)，不斷深化改革。本文結(jié)合《鋰離子電池技術(shù)》課程的特點以及已有的教學(xué)實踐經(jīng)驗等，分析了當(dāng)前課程教學(xué)現(xiàn)狀，并從課程內(nèi)容、教學(xué)模式和教學(xué)手段等方面進(jìn)行了教學(xué)改革思考和探索，以期調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，達(dá)到提高教學(xué)質(zhì)量和效果的目的，為培養(yǎng)高素質(zhì)鋰離子電池科研與從業(yè)人才提供思路。