新能源材料仿真教學(xué)模式的探索與構(gòu)建

摘 要：隨著新能源技術(shù)的快速進(jìn)步，模擬技術(shù)在新能源材料的設(shè)計、優(yōu)化以及性能預(yù)測等多個方面展現(xiàn)出了廣泛的應(yīng)用價值，探索并構(gòu)建有效的新能源材料仿真教學(xué)體系，對于增強(qiáng)學(xué)生的專業(yè)技能及創(chuàng)新能力具有重要意義。本文著眼于當(dāng)前新能源材料學(xué)科的發(fā)展趨勢，引進(jìn)先進(jìn)的仿真軟件和工具，構(gòu)建理論與仿真相結(jié)合的課程體系，采用翻轉(zhuǎn)課堂、項目驅(qū)動教學(xué)模式和教學(xué)評價與反饋機(jī)制相結(jié)合的方式，增強(qiáng)產(chǎn)學(xué)研合作和仿真教學(xué)的實際應(yīng)用性，通過跨學(xué)科合作和團(tuán)隊協(xié)作培訓(xùn)，實現(xiàn)課程體系的創(chuàng)新與整合平臺的構(gòu)建與應(yīng)用，完成新能源材料仿真教學(xué)模式的有益探索。

關(guān)鍵詞：仿真技術(shù)；教學(xué)模式；構(gòu)建；教育改革；創(chuàng)新能力

The Exploration and Construction of Teaching Model for Chemical and

Chemical Engineering New Energy Materials

Dong Yujuan Wang Chuang Wang Xuejiao

Bohai University LiaoningJinzhou 121013

Abstract：With the rapid advancement of new energy technologies，simulation technology has demonstrated extensive application value in multiple aspects such as the design，optimization，and performance prediction of new energy materials.Therefore，exploring and establishing an effective simulation teaching system for new energy materials is of great significance for enhancing students' professional skills and innovation capabilities.This paper focuses on the current development trends of the new energy materials discipline，introduces advanced simulation software and tools，builds a curriculum system that combines theory with simulation.The combination of flipped classroom，projectdriven teaching model and teaching evaluation and feedback mechanism is adopted to enhance the practical application of industryuniversityresearch cooperation and simulation teaching.And through interdisciplinary cooperation and team collaboration training，achieves the innovation and integration of the curriculum system and the construction and application of the platform.It is a beneficial exploration to complete the simulation teaching mode of new energy materials.

Keywords：Simulation technology；Teaching strategy；Construction；Educational reform；Innovative capability

一、概述

能源問題已成為當(dāng)今世界面臨的重大挑戰(zhàn)之一，作為新能源技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，新能源材料及其相關(guān)器件的研發(fā)正受到前所未有的關(guān)注［12］。這類設(shè)備的競爭優(yōu)勢主要體現(xiàn)在高性能材料的應(yīng)用上，而這些材料性能的不斷改進(jìn)與創(chuàng)新，則極大地依賴于仿真分析和計算模型的支持。所謂仿真技術(shù)，是指通過計算機(jī)模擬及數(shù)值計算等手段，建立數(shù)學(xué)模型來再現(xiàn)并預(yù)測實際物理過程的一種方法。自20世紀(jì)中葉起，特別是在材料科學(xué)領(lǐng)域內(nèi)，計算機(jī)模擬技術(shù)已積累了數(shù)十年的應(yīng)用歷史。例如，分子動力學(xué)模擬（MD）、密度泛函理論（DFT）以及有限元分析（FEA）等工具，在材料設(shè)計與性能預(yù)測方面發(fā)揮著不可或缺的作用。目前，我國眾多高等院校均已設(shè)立新能源材料與器件專業(yè)，旨在培養(yǎng)兼具創(chuàng)新能力與工程實踐能力的專業(yè)人才。然而，傳統(tǒng)的教育模式往往偏重于理論知識的教學(xué)，而在培養(yǎng)學(xué)生動手能力和創(chuàng)新思維方面存在不足［3］。

在此背景下，新能源材料及器件的教學(xué)內(nèi)容與方法亟待創(chuàng)新。特別是通過引入仿真教學(xué)手段，能夠顯著提升學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗，使其更加直觀且高效，同時也有助于大幅度提高學(xué)生的工程實踐能力和創(chuàng)新能力。相關(guān)研究指出，采用仿真教學(xué)不僅有助于學(xué)生深入理解并掌握材料的微觀結(jié)構(gòu)、電學(xué)特性和熱力學(xué)屬性，還允許他們在無須昂貴實驗設(shè)備和高成本的情況下，在虛擬實驗室環(huán)境中廣泛開展材料性能評估與器件設(shè)計工作［45］。

如何將仿真技術(shù)有效地融入日常教學(xué)活動已成為推動教育改革的核心議題之一。國內(nèi)外眾多研究都致力于探索以仿真技術(shù)為支撐的教學(xué)方法。研究表明，這種教學(xué)模式的成功實施需要緊密對接學(xué)生的學(xué)習(xí)需求和實際應(yīng)用環(huán)境，旨在培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新意識。例如，“新能源材料與設(shè)備”課程中，文獻(xiàn)［6］中的學(xué)者提出仿真教學(xué)可以分為兩類：一類是通過仿真軟件進(jìn)行的虛擬實驗，這有助于加深學(xué)生對材料屬性及設(shè)備工作原理的理解；另一類則是將仿真與設(shè)計相結(jié)合的項目導(dǎo)向型學(xué)習(xí)，利用仿真平臺模擬現(xiàn)實工程問題，指導(dǎo)學(xué)生完成綜合性的設(shè)計任務(wù)和問題解決過程。這種方法能夠鼓勵學(xué)生在實踐中不斷改進(jìn)設(shè)計方案，從而培養(yǎng)他們的工程思維能力。此外，一些學(xué)者還特別指出了模擬教學(xué)過程中互動性和合作性的重要性。文獻(xiàn)［7］中的學(xué)者指出，在開展模擬教學(xué)時，教師應(yīng)著重引導(dǎo)學(xué)生深入分析模擬數(shù)據(jù)，理解其背后的科學(xué)道理，并鼓勵團(tuán)隊成員之間創(chuàng)造性地解決問題。這樣不僅有利于激發(fā)學(xué)生的主動學(xué)習(xí)興趣，還能有效提高他們的團(tuán)隊合作技巧。

本文立足于教學(xué)模式的創(chuàng)新，詳細(xì)討論了新能源材料領(lǐng)域內(nèi)仿真教學(xué)改革的各項具體舉措。這些措施涵蓋了課程內(nèi)容更新、引入先進(jìn)的仿真軟件工具、革新教學(xué)方法以及加強(qiáng)實踐操作環(huán)節(jié)等方面，力求為高等院校中新能源材料專業(yè)教育的改革與發(fā)展提供有價值的參考建議。

二、現(xiàn)存的問題

盡管在新能源材料與器件專業(yè)的教育過程中，仿真教學(xué)方法展現(xiàn)了其獨(dú)特的優(yōu)勢，但實際應(yīng)用中仍存在若干亟待解決的問題。

（1）仿真教學(xué)對學(xué)生掌握計算機(jī)操作及使用相關(guān)軟件的能力提出了較高的要求。對于那些基礎(chǔ)相對薄弱的學(xué)生來說，熟練運(yùn)用復(fù)雜的仿真工具可能會構(gòu)成不小的挑戰(zhàn)。因此，如何有效協(xié)助學(xué)生克服這些技術(shù)障礙，并逐步提升他們的仿真操作技能，成為當(dāng)前亟待解決的關(guān)鍵問題之一。

（2）準(zhǔn)確解讀與深入分析仿真數(shù)據(jù)，不僅是對學(xué)生理論知識掌握程度的一種檢驗，也是對其實踐經(jīng)驗的挑戰(zhàn)。在引導(dǎo)學(xué)生理解模擬實驗結(jié)果時，教育者應(yīng)當(dāng)側(cè)重于培養(yǎng)學(xué)生們的批判性思維能力，而不僅僅滿足于表面的數(shù)據(jù)展示。

三、課程的實施

（一）構(gòu)建理論與仿真相結(jié)合的課程體系

本課程體系綜合了新能源材料的基礎(chǔ)理論與仿真技術(shù)，旨在構(gòu)建一個模塊化框架，該框架包括材料科學(xué)基礎(chǔ)、仿真軟件的應(yīng)用以及數(shù)據(jù)分析。通過將“材料性能仿真”“電子結(jié)構(gòu)與材料性能仿真”及“新能源器件設(shè)計與仿真”等專業(yè)課程與基礎(chǔ)學(xué)科相結(jié)合的教學(xué)方法，確保學(xué)生不僅能夠掌握必要的理論知識，還能夠在實踐中獨(dú)立完成復(fù)雜的仿真分析任務(wù)。

（二）引進(jìn)先進(jìn)的仿真軟件和工具

采用諸如VASP、Gaussian和COMSOL等前沿仿真軟件，不僅能夠增強(qiáng)學(xué)生的實踐能力，還助于他們掌握最新的計算材料科學(xué)技術(shù)。通過提供尖端的模擬平臺與實驗條件，學(xué)生們可以在虛擬環(huán)境中自由地開展試驗與創(chuàng)作活動，從而積累重要的數(shù)據(jù)資源與實踐經(jīng)驗，進(jìn)一步激發(fā)其創(chuàng)新能力。

（三）采用翻轉(zhuǎn)課堂和項目驅(qū)動教學(xué)模式

在教育過程中引入翻轉(zhuǎn)課堂的方法，將傳統(tǒng)教材中的知識點(diǎn)轉(zhuǎn)換為線上視頻供學(xué)生自主學(xué)習(xí)。面對面的教學(xué)時間則更多地用于案例探討、互動交流以及模擬實驗等環(huán)節(jié)。此外，還推行了一種基于項目的主動學(xué)習(xí)策略，通過確立項目目標(biāo)、促進(jìn)小組協(xié)作及以解決問題為導(dǎo)向的學(xué)習(xí)方式，來提升學(xué)生們應(yīng)對現(xiàn)實挑戰(zhàn)的能力。經(jīng)由一系列實際操作的模擬任務(wù)，學(xué)生們能夠更加深入地掌握新能源材料在性能改進(jìn)、結(jié)構(gòu)設(shè)計及其應(yīng)用研究方面的知識。

（四）加強(qiáng)產(chǎn)學(xué)研合作，增強(qiáng)仿真教學(xué)的實際應(yīng)用性

通過與科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)建立緊密的合作伙伴關(guān)系，我們邀請來自行業(yè)的專家及經(jīng)驗豐富的教師共同參與到教學(xué)活動中。定期組織企業(yè)訪問、專題研討會以及實地培訓(xùn)課程，確保學(xué)生能夠及時接觸到最新的科學(xué)研究成果和行業(yè)發(fā)展趨勢。利用實習(xí)機(jī)會和合作項目，學(xué)生們將有機(jī)會在實際的研發(fā)和生產(chǎn)環(huán)境中進(jìn)行模擬分析，直接面對并解決現(xiàn)實中的問題，從而全面提升他們的實踐技能和職業(yè)素質(zhì)。

（五）加強(qiáng)跨學(xué)科合作和團(tuán)隊協(xié)作培訓(xùn)

推動跨學(xué)科的教學(xué)合作，旨在融合化學(xué)、物理學(xué)、材料科學(xué)以及計算機(jī)科學(xué)等多個領(lǐng)域的知識體系，以此來激發(fā)學(xué)生的多領(lǐng)域思考能力，并提升其綜合素養(yǎng)。在項目實施過程中，通過促進(jìn)學(xué)生間的小組協(xié)作，不僅能夠增強(qiáng)他們的團(tuán)隊精神和溝通技巧，還能有效培養(yǎng)他們在跨學(xué)科應(yīng)用方面的能力。

（六）加強(qiáng)教學(xué)評價與反饋機(jī)制

持續(xù)監(jiān)測教學(xué)質(zhì)量，采用問卷調(diào)查與學(xué)生面談的形式廣泛搜集學(xué)習(xí)體驗反饋，以便快速響應(yīng)并靈活調(diào)整教學(xué)方法。此外，基于學(xué)生在實踐項目中的表現(xiàn)，構(gòu)建一個更加科學(xué)合理的評估框架，該框架不僅關(guān)注理論知識的理解程度，還特別強(qiáng)調(diào)實際操作能力與創(chuàng)新思維的培養(yǎng)。

（七）完善課程體系的創(chuàng)新與整合

為了提升新能源材料與器件相關(guān)課程的教學(xué)質(zhì)量，特別是加強(qiáng)仿真技術(shù)的應(yīng)用，有必要對現(xiàn)有課程體系進(jìn)行革新。以往的課程設(shè)置較為側(cè)重理論知識的傳授，在實踐操作技能及計算機(jī)仿真能力培養(yǎng)方面存在不足。鑒于此，建議增設(shè)一門專注于“新能源材料模擬”的專業(yè)課程。

（1）模擬基礎(chǔ)理論：介紹了分子動力學(xué)、量子力學(xué)及有限元分析等核心概念，旨在使學(xué)生能夠構(gòu)建起對模擬技術(shù)全面而系統(tǒng)的理解。

（2）關(guān)于仿真軟件的應(yīng)用：通過課程教學(xué)，學(xué)生掌握諸如VASP、LAMMPS、COMSOL等常見仿真工具的操作技巧及其適用領(lǐng)域。

（3）數(shù)據(jù)分析與結(jié)果驗證：指導(dǎo)學(xué)生掌握仿真結(jié)果的分析方法，并將其與實際實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行對照，以此來評價仿真模型的有效性和精確度。

（八）實踐平臺的構(gòu)建與應(yīng)用

為了有效推進(jìn)模擬教學(xué)，高校需要建立一個全面且先進(jìn)的仿真教學(xué)實驗環(huán)境。除了必要的硬件設(shè)施和專業(yè)軟件工具外，還應(yīng)積極營造條件，鼓勵學(xué)生參與各種與仿真技術(shù)相關(guān)的科研活動，從而促進(jìn)理論知識與實際操作之間的緊密結(jié)合，具體措施包括以下方面。

1.提供高性能計算平臺，支持學(xué)生進(jìn)行大規(guī)模仿真計算

通過構(gòu)建學(xué)校與企業(yè)之間的合作項目，依據(jù)行業(yè)實際需求為學(xué)生創(chuàng)造模擬實踐的機(jī)會，以此來增強(qiáng)學(xué)生的動手能力和實踐經(jīng)驗。

2.通過舉辦模擬設(shè)計競賽和項目實踐活動，可以有效激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新精神

鑒于新能源材料的研發(fā)不僅需要深厚的材料科學(xué)基礎(chǔ)，還必須融合物理、化學(xué)以及計算機(jī)等多個領(lǐng)域的知識，構(gòu)建一種跨學(xué)科合作的教學(xué)模式顯得尤為重要?？鐚W(xué)科協(xié)作不僅能幫助學(xué)生掌握新能源材料的設(shè)計與仿真技術(shù)，還能使他們接觸到諸如人工智能、大數(shù)據(jù)等前沿科技領(lǐng)域，理解這些技術(shù)如何影響材料科學(xué)的發(fā)展。

3.加強(qiáng)師資隊伍的提升及專業(yè)素質(zhì)的培養(yǎng)，推動教師在教育創(chuàng)新的核心角色

高等院校應(yīng)當(dāng)重視新能源材料與仿真領(lǐng)域內(nèi)教職人員的專業(yè)發(fā)展，致力于增強(qiáng)他們的教學(xué)技能和科研實力。定期舉辦學(xué)術(shù)研討會、專業(yè)培訓(xùn)以及行業(yè)調(diào)研等活動，能夠有效促進(jìn)教師掌握最新專業(yè)知識和技術(shù)進(jìn)展，進(jìn)而更有效地激發(fā)學(xué)生參與創(chuàng)造性學(xué)習(xí)和研究的興趣。

4.建立一套科學(xué)合理的評估體系，有效推動教學(xué)模式的革新

這套體系應(yīng)當(dāng)全面覆蓋學(xué)生學(xué)習(xí)過程及成果的評價，具體考查點(diǎn)包括但不限于模擬技能掌握情況、實驗操作技巧以及創(chuàng)新思考能力的發(fā)展等。結(jié)合持續(xù)性與總結(jié)性的評估方法，可以更有效地促進(jìn)教學(xué)質(zhì)量的整體提升。

四、預(yù)期成效

（1）全面提升學(xué)生能力。通過將理論與實踐緊密結(jié)合的課程體系，旨在使學(xué)生能夠熟練掌握新能源材料的模擬技術(shù)，并培養(yǎng)其卓越的創(chuàng)新能力和解決實際問題的能力。

（2）提升教學(xué)成效。運(yùn)用前沿的教學(xué)工具和技術(shù)，精練課程內(nèi)容及授課方式，加強(qiáng)師生間的互動與實踐機(jī)會，以此大幅度改善教學(xué)效果。

（3）加強(qiáng)跨學(xué)科融合與產(chǎn)學(xué)研結(jié)合。通過促進(jìn)多領(lǐng)域知識的交匯整合及產(chǎn)業(yè)界、學(xué)術(shù)界與研究機(jī)構(gòu)之間的密切合作，加速新能源材料模擬技術(shù)的教學(xué)成果和科研發(fā)現(xiàn)向?qū)嵺`應(yīng)用轉(zhuǎn)化的過程，從而增強(qiáng)該領(lǐng)域的科學(xué)研究能力和對社會的服務(wù)貢獻(xiàn)。

結(jié)語

綜上所述，新能源材料與器件的模擬教學(xué)在提升學(xué)生的科研能力和創(chuàng)新能力方面扮演著至關(guān)重要的角色。將模擬技術(shù)與傳統(tǒng)教學(xué)手段相結(jié)合，不僅能有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)模式中的不足，還能加深學(xué)生對新能源材料的理解，激發(fā)其創(chuàng)新設(shè)計潛能。引進(jìn)先進(jìn)的仿真軟件和工具構(gòu)建理論和仿真的課程體系，學(xué)生在課程學(xué)習(xí)中即可積累豐富數(shù)據(jù)資源與實踐經(jīng)驗，在課程實施過程中采用翻轉(zhuǎn)課堂和項目驅(qū)動、加強(qiáng)產(chǎn)學(xué)研和跨學(xué)科合作和團(tuán)隊協(xié)作來保證仿真教學(xué)的實際應(yīng)用性，并且關(guān)注反饋機(jī)制，進(jìn)一步完善課程并實現(xiàn)課程的整合和創(chuàng)新，為新能源材料與器件教學(xué)改革提供堅實的理論支持和豐富的實踐經(jīng)驗。

參考文獻(xiàn)：

［1］李建華，張海濤.新能源材料仿真模擬方法與應(yīng)用［J］.材料導(dǎo)報，2018，32（12）：100105.

［2］張俊，王彥濤.基于仿真教學(xué)的新能源材料設(shè)計與優(yōu)化研究［J］.教育研究與實驗，2020，38（5）：112116.

［3］王穎，劉俊峰.新能源材料仿真教學(xué)模式的探討與實踐［J］.高等教育與職業(yè)教育，2019，25（2）：4549.

［4］郭明.新能源材料仿真教學(xué)中的挑戰(zhàn)與對策［J］.高等教育教學(xué)改革，2022，13（6）：7380.

［5］XU L.Application of Simulation Tools in Materials Science Teaching［J］.Materials Science Education Journal，2020，32（4）：4558.

［6］LI J.Designing an Integrated SimulationBased Teaching Model for Energy Materials［J］.Journal of Energy Materials，2019，11（2）：8592.

［7］鄭華.仿真技術(shù)在新能源材料教學(xué)中的應(yīng)用研究［J］.材料科學(xué)與工程教育，2021，40（5）：5662.

項目：高效、熱穩(wěn)定釩酸鹽發(fā)光材料的開發(fā)及物理機(jī)理研究（230828533307226）；基于課—踐—研相結(jié)合的《動力電池基礎(chǔ)》項目化教材建設(shè)研究與實踐

作者簡介：董玉娟（1983— ），女，漢族，山東菏澤人，博士研究生，講師，主要從事發(fā)光材料及器件的研發(fā)工作。