新能源材料導(dǎo)論教學(xué)的實(shí)踐與思考

張玉娟

（北京科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 北京 100080）

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，人類對(duì)能源的需求越來越大。而傳統(tǒng)化石能源是不可再生能源。據(jù)報(bào)道，目前已知的石油儲(chǔ)量約為2300 億噸，按目前的石油消費(fèi)速度計(jì)算，僅夠人類消費(fèi)40-50 年左右。因此，人類必須尋找新的能源方式以滿足人類發(fā)展的需求。同時(shí)，傳統(tǒng)化石能源的使用造成的環(huán)境問題越來越嚴(yán)峻。化石能源均通過燃燒轉(zhuǎn)化為能量，而這個(gè)過程會(huì)產(chǎn)生大量硫和氮的氧化物等有害氣體以及PM2.5 等固體粉塵?；茉慈紵a(chǎn)生的巨量二氧化碳也會(huì)造成全球變暖等其他環(huán)境問題。因此，人類必須尋找更為環(huán)保和友好的能源方式。而解決能源問題的關(guān)鍵是新能源技術(shù)和材料的突破。開發(fā)和利用新能源技術(shù)和材料，是當(dāng)今能源領(lǐng)域科學(xué)界和工業(yè)界所面對(duì)的重要課題。新能源技術(shù)和材料的水平及產(chǎn)業(yè)化規(guī)模是當(dāng)今衡量一個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展、科技進(jìn)步和國(guó)防實(shí)力的重要標(biāo)志。因此，加快培養(yǎng)新能源材料領(lǐng)域的技術(shù)人才具有重要的意義。

在新能源技術(shù)和材料迅速發(fā)展的背景下，國(guó)內(nèi)很多高校除了開設(shè)新能源材料專業(yè)外，還開設(shè)了面向非本專業(yè)學(xué)生的新能源材料導(dǎo)論的課程。這一課程一般作為公共選修課，以開拓學(xué)生視野為主要目的，并為學(xué)生未來的研究深造或者就業(yè)提供一定的知識(shí)儲(chǔ)備。本課程一般包括新能源材料的發(fā)展背景和現(xiàn)狀，以及各種新能源材料的工作原理、制備方法、發(fā)展趨勢(shì)等。雖然該課程為選修課，但是屬于多學(xué)科的綜合交叉學(xué)科，要求學(xué)生具備較廣泛的知識(shí)儲(chǔ)備，包括無機(jī)化學(xué)、高分子化學(xué)、凝聚態(tài)物理、量子物理甚至核物理等學(xué)科基礎(chǔ)。因而，教師講授和學(xué)生聽課均面臨不小的挑戰(zhàn)。

筆者在北京科技大學(xué)開設(shè)新能源材料導(dǎo)論全校公共選修課多年來，緊跟新能源技術(shù)和材料的前沿進(jìn)展，不斷優(yōu)化課程內(nèi)容，持續(xù)進(jìn)行教學(xué)改革，并適當(dāng)調(diào)整考核方式，加強(qiáng)和學(xué)生的溝通交流，取得了較好的教學(xué)成果，學(xué)生對(duì)課程的滿意度逐年提升。本文將對(duì)筆者開設(shè)新能源材料導(dǎo)論課程的教學(xué)體會(huì)做簡(jiǎn)要介紹，以期能對(duì)相關(guān)課程老師的教學(xué)有所啟發(fā)。

1 內(nèi)容設(shè)置優(yōu)化

課程內(nèi)容一般以某本特定教材或推薦讀物為依托。新能源材料導(dǎo)論課程比較經(jīng)典的幾本教材有吳其勝教授主編的《新能源材料》、朱繼平教授主編的《新能源材料技術(shù)》以及王新東教授主編的《新能源材料與器件》。第一本教材主要介紹了新能源材料的發(fā)展歷史，應(yīng)用前景以及材料性能的基礎(chǔ)性理論，整體上內(nèi)容較系統(tǒng)全面，原理方面知識(shí)相對(duì)較深?yuàn)W；后兩本主要介紹了新能源技術(shù)中所要用到的關(guān)鍵材料，以及新能源技術(shù)和器件的應(yīng)用現(xiàn)狀，難度適中。由于筆者所開課程面向全校本科生，學(xué)生基礎(chǔ)差別較大，因此一般將這幾本書作為推薦讀物，學(xué)生可以根據(jù)自己的具體情況自行選擇?？紤]到學(xué)生接受程度的差別，筆者講授的內(nèi)容主要選自后兩本教材。

就具體內(nèi)容而言，由于本課程為選修課，時(shí)間一般為32 學(xué)時(shí)甚至16 學(xué)時(shí)，因此，內(nèi)容不可能面面俱到，必須主次分明。那么，選取內(nèi)容主次的依據(jù)就是相關(guān)技術(shù)和材料本身的先進(jìn)性以及與國(guó)民經(jīng)濟(jì)的結(jié)合緊密程度。筆者認(rèn)為，課程內(nèi)容的重點(diǎn)可以是鋰離子電池材料、燃料電池材料、核電材料、太陽(yáng)能電池材料；其他新能源材料的相關(guān)內(nèi)容可以適當(dāng)減少講授課時(shí)，如相變儲(chǔ)能材料、非鋰金屬離子電池材料、生物質(zhì)能材料等。對(duì)這些新能源材料的講授，筆者通常從所對(duì)應(yīng)的新能源器件的工作原理入手，通過原理介紹引出器件的關(guān)鍵材料，再對(duì)材料的結(jié)構(gòu)和性能展開詳細(xì)介紹。

新能源技術(shù)和材料日新月異，因此該課程講授的內(nèi)容每年都要進(jìn)行適當(dāng)更新和調(diào)整，基本原則是緊跟技術(shù)發(fā)展的前沿。這也是本課程最大的特點(diǎn)，對(duì)授課教師形成了很大的挑戰(zhàn)。比如，近年來隨著電動(dòng)汽車需求越來越旺盛，鋰離子電池技術(shù)和材料迅猛發(fā)展。因而鋰離子電池材料的內(nèi)容講授越來越多，而像鎳鎘電池、鎳氫電池由于環(huán)保問題以及記憶效應(yīng)較大等問題逐漸退出歷史舞臺(tái)，筆者已經(jīng)逐漸不再講授。再比如，隨著人類對(duì)大容量、高能量密度的動(dòng)力電池的需求越來越高，非鋰金屬離子電池技術(shù)發(fā)展迅速，如鈉離子電池和鋁離子電池材料均取得了巨大的飛躍，筆者對(duì)非鋰金屬離子電池講授的內(nèi)容也在增加。再如，為應(yīng)對(duì)“碳達(dá)峰、碳中和”的目標(biāo)需求，國(guó)家十四五規(guī)劃提出，要積極發(fā)展核電，預(yù)計(jì)十四五末核電發(fā)電量比十三五末增長(zhǎng)40%，為此，筆者也計(jì)劃在未來的課時(shí)中逐漸增加核電材料的講授。

2 教學(xué)方法改革

2.1 適當(dāng)增加視頻教學(xué)

對(duì)任何課程，若直接采用填鴨式的教授方式，學(xué)生的接受程度都不理想。新能源材料導(dǎo)論課程尤其如此，死板講授新能源器件的工作原理以及和材料性能的關(guān)聯(lián)，學(xué)生的專注度和參與度都不高。該課程的背景應(yīng)用性較強(qiáng)，而視頻教學(xué)則可以大大改善教學(xué)效果。筆者幾乎在每堂課都會(huì)有相關(guān)內(nèi)容的視頻播放，在播放前要先布置好要思考的問題，播放完之后讓學(xué)生來回答。筆者在教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，一旦有視頻播放，學(xué)生的積極性和專注度大為提高，學(xué)習(xí)效果也有大幅提升。對(duì)考試的結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對(duì)視頻播放內(nèi)容的掌握要比單純教授知識(shí)的掌握更加牢固。

2.2 加強(qiáng)課堂互動(dòng)

課堂有效互動(dòng)是實(shí)現(xiàn)有效教學(xué)的必然要求，課堂互動(dòng)的活躍性直接影響了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和教學(xué)質(zhì)量的提高。學(xué)生是教學(xué)的積極參與者、促進(jìn)者，只有學(xué)生參與了，才能真正完善教學(xué)環(huán)節(jié)。要充分調(diào)動(dòng)學(xué)生參與教學(xué)的積極性，最好的方式就是調(diào)動(dòng)學(xué)生思考。筆者在教學(xué)過程中，不管是直接講授的知識(shí)，還是結(jié)合視頻播放的知識(shí)，都會(huì)進(jìn)行大量的提問。學(xué)生在回答的過程中，會(huì)進(jìn)行深度的思考，從而能夠?qū)χR(shí)形成很好的鞏固。就提問的內(nèi)容而言，更多的是與日常生活相關(guān)的或?qū)W生接觸較多的內(nèi)容，比如在鋰離子電池章節(jié)，鋰離子電池容量為什么隨著循環(huán)次數(shù)有所衰減，三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池的優(yōu)劣勢(shì)是什么，鈉離子電池比鋰離子電池的優(yōu)勢(shì)是什么，等等。即使學(xué)生回答得不理想，通過教師再講解，學(xué)生的掌握程度也會(huì)提高不少。

2.3 強(qiáng)調(diào)自主學(xué)習(xí)的重要性

在互聯(lián)網(wǎng)高度發(fā)達(dá)的今天，獲取知識(shí)變得輕而易舉。這也意味著，課堂教學(xué)在知識(shí)傳播方面的重要性也日趨下降。在這樣的背景下，教師需要讓學(xué)生養(yǎng)成善于自主學(xué)習(xí)的習(xí)慣，學(xué)生可以通過互聯(lián)網(wǎng)開展自主學(xué)習(xí)，以解決課程疑問。為此，筆者在教學(xué)過程中，讓學(xué)生根據(jù)自己的興趣愛好，就某一種新能源材料進(jìn)行文獻(xiàn)資料或?qū)嶒?yàn)調(diào)研并進(jìn)行歸納總結(jié)，總結(jié)形式可以是PPT、視頻材料或者論文報(bào)告等，也可以在課堂上進(jìn)行簡(jiǎn)要的報(bào)告講解。為有效提高學(xué)生參與的積極性和主動(dòng)性，歸納總結(jié)可以作為課程考試成績(jī)的一部分。此外，筆者也推薦學(xué)生多從新能源技術(shù)和材料相關(guān)的網(wǎng)站獲取資訊，如新能源網(wǎng)、電動(dòng)汽車網(wǎng)等，以了解新能源技術(shù)和材料最新發(fā)展趨勢(shì)，拓展學(xué)生的視野。

2.4 增加案例教學(xué)

案例教學(xué)可以使課堂增加活力，提高課堂的教學(xué)效率。筆者在講授核電材料章節(jié)時(shí)，會(huì)著重介紹我國(guó)自主研制的第三代核電“華龍一號(hào)”。作為中國(guó)核電的“國(guó)家名片”，“華龍一號(hào)”的特點(diǎn)在于，它是我國(guó)具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的第三代百萬千瓦級(jí)核電技術(shù)，其全球首堆建設(shè)設(shè)備國(guó)產(chǎn)化率高達(dá)88%。這意味著我國(guó)核電技術(shù)水平和綜合實(shí)力躋身世界第一方陣。鋰離子電池章節(jié)的案例最為豐富。在講授鋰離子電池工作原理時(shí)，會(huì)用濃重的筆墨介紹鋰離子電池之父，諾貝爾獎(jiǎng)獲得者Goodenough 先生是如何為鋰離子電池的發(fā)展而奮斗一生的。作為鋰離子電池最大使用載體之一的電動(dòng)汽車近年來在全球范圍內(nèi)尤其在中國(guó)得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，全球TOP20 的電動(dòng)汽車生產(chǎn)商中，中國(guó)占8 家，遙遙領(lǐng)先于其他國(guó)家。受益于我國(guó)新能源汽車的快速發(fā)展，比亞迪公司和寧德時(shí)代公司已成為全球范圍內(nèi)動(dòng)力電池的一級(jí)生產(chǎn)企業(yè)；在動(dòng)力電池四大材料方面，上海杉杉、上海恩捷、深圳貝特瑞、蘇州捷力等公司的產(chǎn)能規(guī)模已居于世界前列。鋰離子動(dòng)力電池龍頭寧德時(shí)代于2021 年7 月發(fā)布鈉離子電池，引起了行業(yè)轟動(dòng)，其成本低，循環(huán)壽命長(zhǎng)，安全性好的特點(diǎn)極有可能成為未來動(dòng)力電池的主力。筆者的介紹不僅增加了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，也使學(xué)生們的民族自豪感和自信心大為增強(qiáng)。學(xué)生對(duì)案例感興趣了，會(huì)順藤摸瓜主動(dòng)去了解相關(guān)新能源材料的專業(yè)知識(shí)，從而大大提升學(xué)習(xí)的效果。

3 考核方式調(diào)整

作為最終考核成績(jī)的重要部分，傳統(tǒng)期末筆試的作用仍然無法取代。通過筆試，學(xué)生的課程聽講和課后復(fù)習(xí)都得到了加強(qiáng)。當(dāng)然，筆試成績(jī)不能代表學(xué)生的學(xué)習(xí)綜合情況。如前所述，筆者在教學(xué)過程中，會(huì)讓學(xué)生根據(jù)自己的興趣愛好，就某一種新能源材料進(jìn)行文獻(xiàn)資料查閱或?qū)嶒?yàn)調(diào)研并進(jìn)行歸納總結(jié)，并作為最終成績(jī)的一部分。這部分歸納總結(jié)的成績(jī)既加強(qiáng)了知識(shí)的鞏固，又培養(yǎng)了學(xué)生學(xué)術(shù)論文的寫作能力。這些報(bào)告中，有的學(xué)生介紹了二維片層材料作為電池負(fù)極材料的優(yōu)勢(shì)，有的學(xué)生介紹了鈾的碳/氮化合物作為第四代核燃料的發(fā)展趨勢(shì)，也有學(xué)生介紹了鈉離子電池的發(fā)展?fàn)顩r等等。這其中不乏精彩之作，甚至作為綜述論文發(fā)表在了高水平學(xué)術(shù)期刊上。

4 結(jié)論

本文在新能源技術(shù)和材料快速發(fā)展的背景下，結(jié)合筆者多年來開展“新能源材料導(dǎo)論”本科生選修課的經(jīng)驗(yàn)，探討了“新能源材料導(dǎo)論”課程的內(nèi)容設(shè)置優(yōu)化、教學(xué)方法改革、考核方式調(diào)整等內(nèi)容，以增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升課程的教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果，并希望能對(duì)相關(guān)課程老師的教學(xué)有所啟發(fā)。