新工科背景下“新能源材料”研究生課程教學探討

張友魁

（西南科技大學國防科技學院 四川 綿陽 621010）

從人類對火的利用和控制開始，每一種能源的發(fā)現(xiàn)與利用，都成為推動人類文明發(fā)展變遷的重要因素之一。人類的日常生活生產(chǎn)活動已無法離開能源，并且對能源提出了越來越高的需求。如今，隨著“雙碳”目標的全面展開，提高傳統(tǒng)化石能源的利用效率與開發(fā)多種形式的新能源并推廣應用，推動了全球能源加快轉型。其中，新能源技術得以推廣應用的關鍵在于所要用到的材料。這些材料根據(jù)新能源分類主要包括氫電池材料、鋰離子電池材料、燃料電池材料、太陽能電池材料以及反應堆核能材料等，統(tǒng)稱為新能源材料[1]。

隨著新能源領域的興起，培養(yǎng)國家建設和新能源發(fā)展所需的具有創(chuàng)新能力的高層次人才成為我國高校的重要目標之一。“新能源材料”作為一門為能源動力、材料工程等專業(yè)碩士研究生開設的專業(yè)選修課程，融合交叉了能源、材料、物理、化學等多個學科的內容[2]。該課程旨在讓學生了解新能源材料的類型、基本性質和常規(guī)生產(chǎn)制備方法，理解新能源材料所要解決的任務及面臨的挑戰(zhàn)、當前研究現(xiàn)狀和未來發(fā)展前景[3]。該課程的教學任務與目的是使學生擴大專業(yè)知識面，培養(yǎng)具備設計新能源材料、探索新的生產(chǎn)工藝等創(chuàng)新能力的高水平專業(yè)人才，為將來從事相關技術工作打下初步基礎。

本文以西南科技大學“新能源材料”課程為例，基于本課程在授課實踐中所遇到的問題，探討了該課程的教學方式方法的改革探索、學生興趣的激發(fā)以及對學習成效的考核方式創(chuàng)新等方面，以獲得適用于我校材料工程、能源化學工程、能源動力等專業(yè)碩士研究生的“新能源材料”課程教學模式，提高教學質量。

1 課程介紹

“新能源材料”是西南科技大學為材料工程、能源化學工程、能源動力等專業(yè)碩士研究生開設的一門專業(yè)課，主要學習太陽能、鋰電池、核能等高性能綠色能源在轉化利用過程中所涉及的關鍵材料，重點介紹新能源材料的類型及其設計與制造方法。該課程開設于碩士研究生一年級上半學期，此階段的學生已經(jīng)通過本科基礎課程的學習，具備了材料、化學、物理等領域的基本理論知識。“新能源材料”課程的教學任務與目的是使學生掌握鋰離子電池關鍵正負極材料、以質子交換膜型和中溫固體氧化物為代表的燃料電池材料、硅半導體材料為代表的太陽能電池材料以及鈾、氘、氚為代表的反應堆核能材料的相關知識及應用。擴大專業(yè)知識面，為將來從事相關技術工作打下初步基礎。新能源材料交叉能源、材料、物理、化學等多個學科，擬培養(yǎng)具備新能源材料專業(yè)基本知識，掌握新能源材料結構分析方法與性能測試技術，了解學科發(fā)展方向，有能力開發(fā)設計新能源材料、探索新的生產(chǎn)工藝的高水平創(chuàng)新人才[4]。

“新能源材料”課程內容涵蓋面廣、涉及知識緊跟時代前沿，然而，有限的課堂學時使教師在每堂課上都需要講授大量的知識信息，大部分學生在課堂有限的時間內難以消化吸收課堂內容。此外，“新能源材料”課程缺乏實踐實驗操作，而選課學生的研究通常只涉及新能源材料中的一種或兩種類型，并不能讓所有學生對所學內容產(chǎn)生興趣或學習動力，導致學習效果不佳。

2 課程內容與教學目標

新能源材料涵蓋的內容涉及能源、材料、物理、化學等學科、而且能源與材料的知識更新速度快。由于課程的這些特殊性，要求學生在有限的學時內能夠了解新能源材料的概念，理解新能源材料的基礎、掌握新能源材料應用現(xiàn)狀及未來發(fā)展方向存在一定的難度。因此，合理分配教學課時和設計教學內容對于本課程的教學非常重要。新能源材料根據(jù)新能源的分類，可以分為太陽能電池材料、儲能電池材料、燃料電池材料、核能材料等。鑒于本課程是碩士研究生的專業(yè)選修課，選修學生具有一定的材料、化學等學科背景，因此須對教學內容進行選取，突出重點，緊跟學科發(fā)展前沿設置教學內容?！靶履茉床牧稀闭n程涉及的教學內容主要包括以下幾個方面。

2.1 新能源材料概念

從新能源的概念出發(fā)，介紹新能源的種類、特點、用途及發(fā)展歷程，引出新能源材料的概念、新能源材料基礎和新能源材料的應用現(xiàn)狀。主要介紹新能源材料的基礎、類型和應用前景，使學生掌握新能源材料的基本概念與種類，了解常見的新能源材料及其應用現(xiàn)狀，并與學生開展討論，分析新能源材料發(fā)展面臨的任務及困難。

2.2 太陽能電池材料

這部分主要圍繞太陽能電池材料進行講述，從太陽能電池的工作原理出發(fā)，介紹太陽能電池中的硅材料、非晶硅、碲化鎘等材料基礎，簡略介紹非晶硅太陽能電池材料基礎與應用，重點介紹硅太陽能電池制造工藝、太陽能電池結構設計、提高太陽能電池效率的途徑等，并討論太陽能電池材料的應用。

2.3 儲能電池材料

這部分從鉛酸電池的工作原理出發(fā)，簡要介紹儲能電池技術與應用，詳細講解鉛酸電池及材料、鎳錳酸鋰電池及材料、鋰離子電池及材料等。重點圍繞鋰離子電池的工作原理，講解鋰離子電池正、負極材料、隔膜材料、電解質的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，與學生討論我國新能源汽車的發(fā)展與產(chǎn)業(yè)鏈。

2.4 燃料電池材料

主要介紹燃料電池技術的工作原理及其應用，簡要介紹基于堿性、磷酸鹽、熔融碳酸鹽及固體氧化物等系統(tǒng)的燃料電池基礎與應用，重點講授質子交換膜燃料電池材料及其應用。通過課堂討論理解各種燃料電池材料的特點、技術現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢以及提高質子交換膜燃料電池催化劑壽命的方法。

2.5 其他新型能源材料

這部分主要介紹核能、風能、潮汐能等其他類型的新能源及其中應用的材料，重點介紹核能的工作原理，詳細介紹核裂變、核聚變、核反應堆、核電站以及核能衍生的核技術，課堂討論核能的歷史及巨大的發(fā)展遠景。

課程的教學目標是使學生通過本課程的學習，能夠了解新能源材料的基礎知識和應用領域，掌握新能源材料生產(chǎn)工藝技術，具有新能源材料設計和研究能力，為將來從事新能源和材料開發(fā)領域的工作提供一定的基礎知識儲備。通過本課程的學習，要求學生能從知識、能力和素質三個方面達到了解新能源材料的基礎與應用方面的基礎知識、掌握初步的功能材料研究和設計能力、提高人際交往與團隊意識等三個方面的目標。

3 教學方法與考核方式改革探索

“新能源材料”課程涉及的學科領域多、知識點廣泛，且選課學生已經(jīng)具有相關的知識基礎儲備，因此，在有限的課程學時內，不適合深入展開講解細節(jié)知識點。在教學過程中，除了由老師進行傳統(tǒng)的課堂講授外，還需要利用多媒體開展案例式、研討式等多種方式融合的教學方法。隨著網(wǎng)絡教學的快速發(fā)展，網(wǎng)絡資源的使用，可以以豐富的多媒體課件，使課件實現(xiàn)文、圖、視頻并茂，有助于激發(fā)學生興趣，有利于學生掌握教學內容。

網(wǎng)絡資源的使用，可以在教學過程中引入典型案例進行分析，將理論聯(lián)系實際，抽象的教學內容具體化，從而進行案例式教學。這種教學方式能夠開闊學生思路，引導學生進行互動或討論。以太陽能電池材料為例，在講授這部分內容時，除了講授太陽能電池材料的工作原理、材料類型等基礎知識，還可以結合國內外最新科研前沿引入太陽能電池材料的研究案例，從材料的設計合成、表征分析、性能測試等方面展開太陽能電池材料的研究關鍵技術和發(fā)展難點，再引出太陽能電池的應用實例，引導學生討論太陽能電池材料的改進方向以及潛在的未來應用前景，從而培養(yǎng)學生聯(lián)系實際、發(fā)現(xiàn)問題和思考問題的能力。

此外，由于授課學生為材料、化學、能源等領域的碩士研究生，學生除了必要的課程學習外，主要的精力都投入到學術研究之中。要做好學術研究，查閱文獻資料、撰寫研究論文、開展學術匯報是研究生培養(yǎng)過程中必不可少的訓練內容。因此，在“新能源材料”課程的授課過程中，教師可以根據(jù)授課內容設置多個研究方向的系列專題，學生根據(jù)自己的研究方向和興趣進行專題選擇，利用課后時間完成文獻資料調研并制作成PPT，在相應內容的授課課堂上進行調研報告分享。通過全體學生對每次分享的內容進行點評與討論，活躍學生思維，開闊學生視野，激發(fā)學習熱情。

考核是檢驗學生學習情況的必要環(huán)節(jié)，能有效檢查學生對所學知識的理解和掌握情況，是評定學習成績、持續(xù)改進教學方法、提高教學質量的必要手段[5]。目前“新能源材料”課程的考核方式主要采取平時成績和期末成績的百分制加和，平時成績主要以平時客觀題作業(yè)為主，期末成績取決于期末考試卷面成績。但生硬、陳舊的考試內容具有較大局限性，難以避免抄襲作弊等情況，不能反映學生的綜合能力。

因此，為了適應新工科建設要求，培養(yǎng)具有優(yōu)秀創(chuàng)新能力的復合型人才，我們探索采用多元化的考核方式來評判學生的綜合學習能力。圍繞課程大綱涉及的知識點，注重對學生學習過程的評價，主要從以下幾個方面進行改革：一是平時作業(yè)以主觀題和調研題為主，考查學生平時主動學習、積極思考以及資料調研的能力。二是通過課堂分享內容的豐度、深度以及與其他學生討論互動的情況，考查學生多媒體制作、語言表達、自我展示等方面的能力。該環(huán)節(jié)還能夠培養(yǎng)學生的研究興趣、樹立學生自信心、拓寬學術視野，提高學生分析問題的能力。三是在期末考試中，設計更多靈活開放的題目，讓學生在答題過程中思考如何利用所學知識來解決能源問題，同時能夠對未來的能源需求和材料設計提出自己的創(chuàng)新方案。該環(huán)節(jié)不僅能夠考查學生創(chuàng)新思維、多學科知識交叉應用的能力，還能夠引導學生對本領域的未來發(fā)展趨勢有自己的獨立思考，真正做到學以致用。

這幾點關于教學過程和考核方式的改革，更加注重對學生學習過程的全方位培養(yǎng)與考查，能夠督促學生在短時間內查閱大量文獻，學會從海量信息中進行篩選、分析和總結。學生得益于平時考核的過程，能夠及時發(fā)現(xiàn)自己的不足，改進學習方法，培養(yǎng)專業(yè)知識總結和應用的能力。同時，教師也能從這種考核過程中發(fā)現(xiàn)學生學習存在的問題，將有利于持續(xù)改進教學方法，提高教學質量。

4 結語

“新能源材料”是一門面向材料、化學、能源等領域碩士研究生開設的重要專業(yè)課程，以培養(yǎng)具有專業(yè)基礎知識和創(chuàng)新能力的新能源領域復合型人才為目標。在新工科背景下，通過改變傳統(tǒng)的教學模式，以學生學習過程為主，探索有效的課堂教學和考核方式，充分發(fā)揮學生的主觀能動性，培養(yǎng)學生獨立思考、分析問題和解決問題的能力，提高創(chuàng)新精神，為新能源領域培養(yǎng)國家和社會需要的創(chuàng)新人才。