“雙碳”目標(biāo)下《化學(xué)電源》課程理論和實踐教學(xué)改革研究

＊孫志鵬 邵漣漪 史曉艷

（廣東工業(yè)大學(xué)材料與能源學(xué)院 廣東 510006）

近年來溫室效應(yīng)、極端惡劣天氣如臺風(fēng)、暴雨、高溫、泥石流、干旱等自然災(zāi)害頻繁發(fā)生。2008年我國罕見低溫雨雪，冰凍災(zāi)害肆虐南方；同年5月，緬甸海基島附近有熱帶風(fēng)暴納爾吉斯登錄，7萬多人死亡；2010年春季，我國南部地區(qū)在以外的梅雨季節(jié)時期卻遭遇特大干旱；根據(jù)政府間氣候變化委員會Ipcc指出，2020年全球平均氣溫比工業(yè)化前高出了約1.2攝氏度。研究表明，以上氣候災(zāi)害，與人類碳排放過度有不可分割的關(guān)系。碳排放是人類經(jīng)營生產(chǎn)生活過程中向外界排放溫室氣體，而溫室氣體中最主要的氣體是二氧化碳。

我國計劃到2020年單位國內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放量比2005年下降40%到45%的控制溫室氣體排放行動目標(biāo)已經(jīng)實現(xiàn)。2020年，75屆聯(lián)合國大會上中國又一次提出，將提高國家自主貢獻(xiàn)力度，采取更有利的政策和措施，于2030年前達(dá)到碳達(dá)峰，努力爭取2060年前達(dá)到碳中和的目標(biāo)。由此，中國碳中和之路強(qiáng)勢推出新能源汽車，風(fēng)電光伏發(fā)電等領(lǐng)域亦蓬勃發(fā)展[1]。

化學(xué)電源又稱為電池，是一種把化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置。隨著“碳達(dá)峰、碳中和”雙碳目標(biāo)升級為國家戰(zhàn)略，電化學(xué)儲能作為能源和交通領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)越來越受關(guān)注，化學(xué)電源必將成為支撐新能源和電動汽車等新興產(chǎn)業(yè)最核心的技術(shù)之一[2]。

圖1 化學(xué)電源組成及電極反應(yīng)方程式

《化學(xué)電源》是為新能源材料與器件專業(yè)本科生開設(shè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，主要介紹各類化學(xué)電源的結(jié)構(gòu)組成、工作原理、性能和制造工藝的課程，是新能源器件研究的必備理論基礎(chǔ)知識，對于新能源器件的設(shè)計思路、關(guān)鍵材料的選擇、制備工藝的優(yōu)化等領(lǐng)域具有重要意義，是為實現(xiàn)雙碳目標(biāo)輸送電化學(xué)儲能等領(lǐng)域的新人才的必備課程，對開展相關(guān)領(lǐng)域的研究工作具有一定的指導(dǎo)和引導(dǎo)作用。

但在這樣的新時代大戰(zhàn)略目標(biāo)下開設(shè)的專業(yè)基礎(chǔ)課《化學(xué)電源》，其授課的過程中，無論是學(xué)生體驗還是教學(xué)成果，都浮現(xiàn)出與傳統(tǒng)教學(xué)模式中大同小異的諸多問題。因此，在雙碳目標(biāo)下，解決《化學(xué)電源》課程理論和實踐教學(xué)面臨的研究、改革問題已是當(dāng)務(wù)之急。針對其教學(xué)現(xiàn)狀，指出課程教學(xué)中存在的弊端，提出完善教學(xué)體系、提高教學(xué)質(zhì)量的措施，有利于為雙碳戰(zhàn)略培養(yǎng)電化學(xué)領(lǐng)域復(fù)合型創(chuàng)新人才[3]。

1.教學(xué)現(xiàn)狀存在的問題

偏重于注重基礎(chǔ)理論，缺少實踐和深刻的理解。沒有改變許多傳統(tǒng)教學(xué)模式中要么偏重于基礎(chǔ)理論，要么偏重于工程技術(shù)的弊端，無法在授予電化學(xué)發(fā)展脈絡(luò)及其重要基礎(chǔ)知識的同時，根據(jù)電化學(xué)在實際科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用，把科學(xué)基礎(chǔ)問題和解決實際問題聯(lián)系起來，做到科學(xué)研究和工程技術(shù)的緊密結(jié)合。這種傳統(tǒng)的、單一的教學(xué)模式已經(jīng)無法滿足新時代雙碳目標(biāo)下創(chuàng)新型復(fù)合人才培養(yǎng)目標(biāo)的推進(jìn)[4]。

課堂的教學(xué)缺少師生之間的互動，學(xué)生的課堂參與度不高，無法及時得到學(xué)生課堂學(xué)習(xí)情況的反饋，也缺少如何改進(jìn)教學(xué)模式的反饋。

考核形式和考試內(nèi)容單一，學(xué)生的答題模式也只是千篇一律，機(jī)械重復(fù)，少有自己的思維創(chuàng)新[5]。

缺少樹立使命擔(dān)當(dāng)、理想信念的思想引領(lǐng)，不利于增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)信心與動力，明確學(xué)習(xí)目標(biāo)與途徑[6]。

2.教學(xué)改革研究

(1)課程內(nèi)容拓展，扛起“雙碳”戰(zhàn)略使命

碳達(dá)峰、碳中和是一個宏大的戰(zhàn)略目標(biāo)，在電化學(xué)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)對化學(xué)電源提高能效、節(jié)能減排，創(chuàng)新性實現(xiàn)資源的高效循環(huán)利用是雙碳戰(zhàn)略目標(biāo)的關(guān)鍵。因此，可以結(jié)合雙碳目標(biāo)，適當(dāng)對授課內(nèi)容進(jìn)行增設(shè)，對授課章節(jié)進(jìn)行增改，設(shè)法提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，推動學(xué)生從被動型輸入學(xué)習(xí)到主動型積極探索的轉(zhuǎn)變。一方面，通過了解全球社會、環(huán)境以及經(jīng)濟(jì)背景，討論雙碳戰(zhàn)略目標(biāo)的必要性；另一方面，通過國家對于實施雙碳目標(biāo)建立的一系列戰(zhàn)略發(fā)展方向，了解新能源以及化學(xué)電源在目標(biāo)實施過程中起到的作用。如風(fēng)力和光伏發(fā)電的不連續(xù)性和不穩(wěn)定性則可以由化學(xué)電源的引入得到很大程度的解決。又如麻省理工學(xué)院的一個研究團(tuán)隊推出了一種新型的鋰基電池技術(shù)，可以凈化火力發(fā)電廠排放的二氧化碳，可以引導(dǎo)學(xué)生去學(xué)習(xí)該技術(shù)用了何種介質(zhì)吸收二氧化碳，借由何種轉(zhuǎn)化機(jī)理參與電池循環(huán)，這項技術(shù)帶來的新收獲是什么，二氧化碳最終去向和其中需要克服的重要難題是什么等，調(diào)動學(xué)生主動思考的能力，充分發(fā)揮課堂上學(xué)生群體進(jìn)行相互學(xué)習(xí)的便利優(yōu)勢。

此外，還可以給學(xué)生普及各類電池如鋰電池、鋰離子電池、燃料電池等在商業(yè)化中的應(yīng)用程度，展示新能源汽車、快充電池、儲能電池等技術(shù)革新的新聞，由書本進(jìn)入生活。在相應(yīng)的電源類型中引導(dǎo)學(xué)生思考這樣的化學(xué)電源的應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)該在何處，還可以通過什么樣的實驗研究，如何改變有機(jī)會發(fā)揮更大優(yōu)勢等。

要從可持續(xù)發(fā)作戰(zhàn)的角度出發(fā)，緊密結(jié)合能源問題、氣候變化等影響人類生活生產(chǎn)的重大問題來進(jìn)行理論教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生擁護(hù)國家重大發(fā)展戰(zhàn)略的責(zé)任心與使命感，增強(qiáng)其學(xué)習(xí)熱情與信心動力。在這些熱門話題之上通過建立反思、演講、討論等教學(xué)形式,實現(xiàn)老師帶動學(xué)生，學(xué)生之間也互相帶動的模式，實現(xiàn)共同進(jìn)步。

(2)圍繞“雙碳”前沿，授課形式多元化

用線上平臺輔助教學(xué)，可以進(jìn)行隨堂練習(xí)，線上論壇進(jìn)行課后討論等，既有利于提高老師考量、統(tǒng)計平時成績，提高反饋和考核效率，知悉學(xué)生對相關(guān)知識的掌握程度以進(jìn)行下一步教學(xué)工作的準(zhǔn)備；還可以提高學(xué)生的參與度，及時反饋在課堂中遇到的學(xué)習(xí)問題，減緩課堂中學(xué)生處于被動，教師講授占據(jù)課堂主題的負(fù)面反饋[7]。引導(dǎo)學(xué)生觀看化學(xué)電源科學(xué)前沿領(lǐng)軍人物的專題會議報告，雙碳材料及雙碳技術(shù)前沿講座等，基于每節(jié)課的授課內(nèi)容，通過選擇合適的學(xué)術(shù)報告，在課堂上將這種學(xué)習(xí)融入傳統(tǒng)的教學(xué)模式中，要求學(xué)生共同交流學(xué)習(xí)心得。

(3)理論實踐兩手抓，加強(qiáng)實踐能力素養(yǎng)

圖2 典型的循環(huán)伏安圖

在教學(xué)過程中，我們應(yīng)該關(guān)注要點，強(qiáng)調(diào)理論與實踐的聯(lián)系，應(yīng)該介紹化學(xué)電源的產(chǎn)生和發(fā)展背景，根據(jù)課程改革的要求，詳細(xì)解釋重要的基本理論，各類電池的優(yōu)缺點以及創(chuàng)新性，闡述化學(xué)電源對于支撐新能源、推進(jìn)雙碳戰(zhàn)略的意義。通過本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以系統(tǒng)地掌握現(xiàn)代電池原理和技術(shù)，了解現(xiàn)代電池行業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r，認(rèn)識現(xiàn)代電化學(xué)儀器、方法在實際生產(chǎn)中的應(yīng)用，能掌握理論研究與應(yīng)用相結(jié)合的基本思路和方法，為從事科研工作提供扎實理論基礎(chǔ)；還能提升自己的實操能力，促進(jìn)產(chǎn)學(xué)結(jié)合。在一部分知識模塊中，我們可以采用理論教學(xué)與實驗配套的教學(xué)模式，要求學(xué)生全面理解和掌握起源、發(fā)展、作用、基本過程[8]。

比如電化學(xué)分析儀器是電化學(xué)技術(shù)在現(xiàn)代分析領(lǐng)域中應(yīng)用的一個重要方面，不僅可以用于研究和解決實際問題，而且還可以為電化學(xué)反應(yīng)、電化學(xué)法等研究工作提供有力的技術(shù)支持。在授課這部分內(nèi)容時可以首先重點介紹電化學(xué)測量基礎(chǔ)知識、電化學(xué)分析儀器原理和電化學(xué)分析儀器技術(shù)，對電化學(xué)分析數(shù)據(jù)處理和模擬、常見的電化學(xué)綜合測試系統(tǒng)都做比較詳細(xì)的介紹；此外，再統(tǒng)一安排學(xué)生進(jìn)入實驗室參與學(xué)習(xí)實操，如在實驗室通過鐵氰化鉀在玻碳電極上的氧化還原實驗，指導(dǎo)學(xué)生掌握循環(huán)伏安掃描法，測量峰電流和峰電位的方法；指導(dǎo)如何調(diào)試設(shè)備、設(shè)置參數(shù)，對循環(huán)伏安曲線上的氧化與還原峰手動做切線進(jìn)行實驗數(shù)據(jù)處理；分組進(jìn)行實驗結(jié)果的討論，關(guān)于鐵氰化鉀在玻碳電極上的氧化還原過程是否可逆，以及為何峰電流-掃描速度曲線不是直線，最后獨立完成實驗報告，實現(xiàn)理論教學(xué)與實驗配套。

圖3 扣式鋰離子電池裝配工藝流程圖

還可以引導(dǎo)學(xué)生自主完成圓柱、軟包、扣式鋰離子電池的制備、裝配、性能測試及評價，充分發(fā)揮學(xué)生們的主觀能動性；也可以通過裝電池的仿真實驗教學(xué)等授予學(xué)生基本實驗技能、經(jīng)驗、鼓勵觀察和評價，指導(dǎo)和規(guī)范他們的實驗表現(xiàn)，培養(yǎng)和提高學(xué)生的教學(xué)和研究能力。理論與實踐相結(jié)合不僅是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)知識和實驗技能的有效舉措，也是難得的可以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維、主動創(chuàng)新動力的教學(xué)模式[9]。

另外，應(yīng)該以學(xué)生為中心，讓學(xué)生化被動為主動，通過同時把握老師的教學(xué)和學(xué)生的學(xué)習(xí)活動來促進(jìn)教學(xué)效果。除了通過提問、小組討論、讓學(xué)生提前準(zhǔn)備并上臺演講部分知識點等手段讓學(xué)生參與教學(xué)的過程，還應(yīng)該提高學(xué)生對過程和原理進(jìn)行計算推導(dǎo)、論證核算，對不同類型化學(xué)電源產(chǎn)品和工藝流程反復(fù)分析比較，擇優(yōu)而取的能力。應(yīng)深化學(xué)生對知識點的理解，培養(yǎng)學(xué)生綜合考慮各種相關(guān)因素，運用化學(xué)電源基本知識理論和相關(guān)計算技巧來解決科研、生產(chǎn)中遇到的實際難題。

3.結(jié)論

在雙碳目標(biāo)下，各高校的課程愈加重視碳中和理念與教學(xué)實際緊密結(jié)合，《化學(xué)電源》作為新能源技術(shù)領(lǐng)域的核心專業(yè)課程之一，其教學(xué)質(zhì)量對引導(dǎo)學(xué)生們成為雙碳創(chuàng)新人才具有重要意義，本文聚焦雙碳戰(zhàn)略，提出改進(jìn)、深化課程內(nèi)容，開拓多元授課形式，強(qiáng)調(diào)理論與實踐相結(jié)合，更不可忽視思想政治教育融進(jìn)教學(xué)體系的重要性，以對《化學(xué)電源》課程教學(xué)方案優(yōu)化改革，助力于為雙碳目標(biāo)培養(yǎng)與擴(kuò)充有創(chuàng)新、有擔(dān)當(dāng)?shù)碾娀瘜W(xué)人才。