“鋰離子電池設(shè)計(jì)及工藝”集中實(shí)踐課教學(xué)模式探究

張小青 鄭素枚 程存喜

(廈門(mén)工學(xué)院 機(jī)械科學(xué)與電氣工程學(xué)院 柔性制造裝備集成福建省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 廈門(mén) 361021)

如何高效地開(kāi)發(fā)和利用新能源材料與技術(shù)，成為當(dāng)今世界科學(xué)家們所面臨的挑戰(zhàn)。新能源材料與器件領(lǐng)域的重點(diǎn)是研究與開(kāi)發(fā)新一代高性能綠色能源材料、技術(shù)和器件，是實(shí)現(xiàn)新能源轉(zhuǎn)化、利用及發(fā)展的關(guān)鍵[1，2]。為了提高新能源材料與器件在國(guó)家的戰(zhàn)略地位，教育部于2010年批準(zhǔn)在高等院校增設(shè)新能源材料與器件專業(yè)。廈門(mén)工學(xué)院于2012年經(jīng)教育部備案審批同意設(shè)置新能源材料與器件專業(yè)，依據(jù)我校的辦學(xué)定位，該專業(yè)旨在培養(yǎng)德智體美勞全面發(fā)展、基礎(chǔ)扎實(shí)、在實(shí)際工作中有較強(qiáng)的適應(yīng)性和創(chuàng)造能力，適應(yīng)新能源材料與器件產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和市場(chǎng)需求的應(yīng)用型專門(mén)人才。

在新能源材料與器件專業(yè)人才培養(yǎng)中，實(shí)驗(yàn)教學(xué)起著不可比擬的作用，其既是理論知識(shí)的具體驗(yàn)證、拓展和延伸，又是培養(yǎng)學(xué)生綜合實(shí)踐能力的載體。有效的實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力、實(shí)踐能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作溝通能力、工程素養(yǎng)等有著重要作用[3]。我校新能源材料與器件專業(yè)結(jié)合已構(gòu)建的專業(yè)課程體系、師資力量、實(shí)驗(yàn)室資源等，設(shè)置了具有專業(yè)特色的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，包含學(xué)科通識(shí)課實(shí)驗(yàn)、專業(yè)課實(shí)驗(yàn)、集中實(shí)踐課和課外實(shí)踐課4個(gè)層次。其中集中實(shí)踐課是培養(yǎng)應(yīng)用型專門(mén)人才的重要內(nèi)容之一，是連接校內(nèi)理論教學(xué)與工程實(shí)踐的重要紐帶，是提高人才素質(zhì)與能力的重要途徑。作者就我校開(kāi)設(shè)的“鋰離子電池設(shè)計(jì)及工藝”集中實(shí)踐教學(xué)的教學(xué)模式所進(jìn)行的探究與實(shí)踐進(jìn)行總結(jié)。

1 課程分析

按照教學(xué)計(jì)劃，“鋰離子電池設(shè)計(jì)及工藝”集中實(shí)踐課要求學(xué)生在了解鋰離子電池工藝技術(shù)的最新研究成果的基礎(chǔ)上，能獨(dú)立完成鋰離子扣式電池的整體設(shè)計(jì)、正負(fù)極材料的制備、扣式電池的安裝及性能檢測(cè)、數(shù)據(jù)分析等。學(xué)生若想順利完成任務(wù)，需有一定的理論知識(shí)儲(chǔ)備和基本的實(shí)驗(yàn)技能，故該課程面向大三學(xué)生開(kāi)課。一方面學(xué)生此時(shí)已經(jīng)學(xué)習(xí)了“無(wú)機(jī)化學(xué)”“有機(jī)化學(xué)”“物理化學(xué)”“電化學(xué)”“材料科學(xué)基礎(chǔ)”“鋰離子電池材料與器件”等理論課程，有了一定的理論知識(shí)儲(chǔ)備，對(duì)扣式鋰離子電池正負(fù)極的制備、器件的組裝和性能測(cè)試有了初步的了解和認(rèn)識(shí)；另一方面，學(xué)生也經(jīng)過(guò)了“大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)”“無(wú)機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)”“有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)”“物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)”“電化學(xué)實(shí)驗(yàn)”“電子電工技術(shù)實(shí)驗(yàn)”等實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)習(xí)，已經(jīng)掌握了基本的實(shí)驗(yàn)操作技能。

2 教學(xué)模式探究

2.1 布置實(shí)驗(yàn)任務(wù)

教師根據(jù)教學(xué)大綱向?qū)W生布置實(shí)驗(yàn)任務(wù)，要求學(xué)生通過(guò)參考實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教材及查閱文獻(xiàn)設(shè)計(jì)一個(gè)完整的制備與表征體系，完成從鋰離子扣式電池的整體設(shè)計(jì)，到正負(fù)極材料的選擇及制備，最后到扣式電池的組裝及性能測(cè)試的全過(guò)程。

2.2 設(shè)計(jì)方案并答辯匯報(bào)

班級(jí)學(xué)生按3人一組自由組隊(duì)，每個(gè)小組選取1位負(fù)責(zé)人。每組同學(xué)圍繞教師布置的任務(wù)，于1周時(shí)間內(nèi)自行查閱資料，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，制作答辯PPT，然后由小組中的1位成員匯報(bào)，匯報(bào)的內(nèi)容應(yīng)包括：(1)所需的藥品、耗材及儀器；(2)正極材料的選擇和制備方法；(3)扣式電池組裝方法及注意事項(xiàng)；(4)扣式電池性能檢測(cè)方法及結(jié)果預(yù)期等；(5)計(jì)算出的所需試劑的量。匯報(bào)過(guò)程中，指導(dǎo)教師提出相關(guān)問(wèn)題檢驗(yàn)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的掌握程度，并確定方案是否可行。若匯報(bào)答辯通過(guò)，則進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，若不通過(guò)，則按照指導(dǎo)教師的意見(jiàn)進(jìn)行修改，修改后再次答辯，直至答辯通過(guò)為止。

2.3 制備、組裝及表征

學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室后，先由指導(dǎo)教師講解及示范真空手套箱、封口機(jī)、藍(lán)電測(cè)試儀、電化學(xué)工作站等儀器的使用方法及注意事項(xiàng)，學(xué)生掌握后，開(kāi)始按照設(shè)計(jì)的方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。為了充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，培養(yǎng)和提高學(xué)生的操作技能，小組每位成員都須制備電池的正極片，組裝3～5個(gè)扣式電池，并測(cè)試電池的阻抗、充放電等性能。

實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后，1周內(nèi)實(shí)驗(yàn)室全天開(kāi)放，學(xué)生可以自行安排時(shí)間前往實(shí)驗(yàn)室完成實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，指導(dǎo)老師不干涉學(xué)生的實(shí)驗(yàn)進(jìn)度，不直接回答學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中遇到的問(wèn)題，只適時(shí)引導(dǎo)，鼓勵(lì)學(xué)生通過(guò)自我學(xué)習(xí)解決問(wèn)題。

2.4 處理數(shù)據(jù)，完成報(bào)告

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，小組每位成員都需撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告，詳細(xì)記錄實(shí)驗(yàn)的完成情況，并對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果作詳細(xì)的思考與解釋。

3 考核形式

考核與評(píng)定是實(shí)驗(yàn)教學(xué)中重要的一環(huán)，科學(xué)合理的考核體系尤為重要，其不僅可以客觀并全面地評(píng)價(jià)學(xué)生的真實(shí)水平，還有利于加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)管理，對(duì)提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量起著重要作用。本著“重過(guò)程、輕結(jié)果”的理念，在對(duì)“鋰離子電池設(shè)計(jì)及工藝”集中實(shí)踐課成績(jī)?cè)u(píng)定中，分別從以下4個(gè)方面進(jìn)行：

(1)實(shí)驗(yàn)方案：該部分成績(jī)占總成績(jī)的20%，主要考查學(xué)生設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案的完整性及可行性；

(2)匯報(bào)答辯：該部分成績(jī)占總成績(jī)的20%，主要考查學(xué)生制作的PPT的質(zhì)量，學(xué)生的陳述表達(dá)能力，回應(yīng)提問(wèn)的溝通能力；

(3)實(shí)驗(yàn)過(guò)程：該部分成績(jī)占總成績(jī)的40%，包括對(duì)學(xué)生出勤、動(dòng)手操作、儀器使用、衛(wèi)生保持等方面的考查；

(4)實(shí)驗(yàn)報(bào)告：該部分成績(jī)占總成績(jī)的20%，主要考查學(xué)生的數(shù)據(jù)處理及分析、實(shí)驗(yàn)結(jié)果總結(jié)及解釋等能力。

4 教學(xué)成果

4.1 培養(yǎng)了學(xué)生分析及解決問(wèn)題的能力

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)通常是學(xué)生按照老師制定好的實(shí)驗(yàn)步驟“按方取藥”，但該集中實(shí)踐課的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容由學(xué)生自行設(shè)計(jì)，所有的實(shí)驗(yàn)條件都需學(xué)生自行摸索。如在制備正極片漿液的過(guò)程中，文獻(xiàn)只說(shuō)明要先制備合適黏稠度的漿液，并沒(méi)有給出溶劑的具體用量，學(xué)生在制備過(guò)程中，由于沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)，漿液不是太稀就是太稠，無(wú)法均勻涂覆在鋁箔上，經(jīng)過(guò)多次反復(fù)試驗(yàn)探索后，終于制備出黏稠度合適的漿液。再如利用打孔器裁剪隔膜的過(guò)程中，由于隔膜薄且韌性大，學(xué)生多次試驗(yàn)后，裁剪的隔膜邊緣還是有很多毛刺，學(xué)生經(jīng)過(guò)思考，嘗試在隔膜上下墊一層稱量紙進(jìn)行裁剪，裁剪出的隔膜整體平整，形如滿月，邊緣圓滑。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生學(xué)習(xí)熱情高漲，遇到問(wèn)題能積極地思考分析，為了獲得理想的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，每位同學(xué)都進(jìn)行了多次的實(shí)踐探索。

4.2 培養(yǎng)了學(xué)生的科研綜合能力

科研綜合能力包括文獻(xiàn)調(diào)研能力、科研意識(shí)、表達(dá)能力、創(chuàng)新能力等，這些能力對(duì)學(xué)生從事科研工作非常重要[4]。學(xué)生在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案時(shí)，需查閱文獻(xiàn)資料，這不僅可增強(qiáng)學(xué)生文獻(xiàn)調(diào)研、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、創(chuàng)新思維等綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Γ€非常有利于對(duì)學(xué)生進(jìn)行系統(tǒng)的科學(xué)鍛煉。此外，學(xué)生還需要學(xué)習(xí)一些儀器操作和檢測(cè)方法。如，組裝扣式電池需在真空手套箱內(nèi)完成，這就要求學(xué)生掌握真空手套箱的操作方法；電池殼組裝好以后需對(duì)其進(jìn)行電化學(xué)性能測(cè)試，這就要求學(xué)生能獨(dú)立操作充放電測(cè)試儀及電化學(xué)工作站，能正確設(shè)定測(cè)試參數(shù)；測(cè)試結(jié)束后，學(xué)生還需通過(guò)Origin、ChemDraw等專業(yè)軟件處理數(shù)據(jù)，并正確分析測(cè)試數(shù)據(jù)。這些對(duì)學(xué)生后續(xù)畢業(yè)論文的順利進(jìn)行甚至將來(lái)從事的科研工作來(lái)說(shuō)，是一個(gè)提前學(xué)習(xí)的過(guò)程。

4.3 培養(yǎng)了學(xué)生團(tuán)隊(duì)合作能力

在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案及答辯匯報(bào)期間，要求同學(xué)們以小組為單位完成任務(wù)，這就需要小組成員通力合作，培養(yǎng)了學(xué)生的合作能力，增強(qiáng)了同學(xué)間的溝通與交往。此外，每個(gè)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、學(xué)習(xí)興趣、專長(zhǎng)方向不同，小組成員間的交流互助對(duì)活躍學(xué)生思維，擴(kuò)大學(xué)生視野，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造能力，都起到了重要作用[5]。

4.4 考核方式更加合理化

一般情況下，實(shí)驗(yàn)教學(xué)以平時(shí)表現(xiàn)和實(shí)驗(yàn)報(bào)告作為主要考核指標(biāo)，但有時(shí)不能如實(shí)反映學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的掌握程度和思考程度，該門(mén)課程的考核評(píng)價(jià)指標(biāo)涉及了學(xué)生查閱文獻(xiàn)的能力、口頭表達(dá)能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作溝通能力、動(dòng)手操作能力、軟件運(yùn)用能力、分析及解決問(wèn)題能力等，多維度的考核評(píng)價(jià)指標(biāo)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)考核形式單一的缺點(diǎn)，使實(shí)驗(yàn)考核更加公正合理，更能全面地考核學(xué)生的真實(shí)水平。

5 結(jié)語(yǔ)

“鋰離子電池設(shè)計(jì)及工藝”集中實(shí)踐課通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、匯報(bào)答辯、制備正極材料、組裝扣式電池、測(cè)試性能、整理數(shù)據(jù)、撰寫(xiě)報(bào)告及分析總結(jié)等環(huán)節(jié)，使實(shí)驗(yàn)內(nèi)容更趨豐富和形式多樣。該實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式試行以來(lái)，取得了良好的效果，學(xué)生在文獻(xiàn)調(diào)研、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)操作及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析等綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ母鞣矫嫒〉昧撕艽筮M(jìn)步。同時(shí)課程在活躍學(xué)生思維, 擴(kuò)大學(xué)生視野, 培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力、實(shí)踐能力等方面都起到了重要作用。然而，在新工科建設(shè)和卓越人才培養(yǎng)的大潮下，如何持續(xù)開(kāi)展新能源材料與器件專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的創(chuàng)新性改革，推陳出新，與時(shí)俱進(jìn)，仍是我們今后努力的方向。