新能源材料与器件专业“锂离...电池课程设计”的改革与探索_张宇.pdf

第 36 卷第 1 期大学物理实验Vol36 No12023 年 2 月PHYSICAL EXPEIMENT OF COLLEGEFeb2023收稿日期:2022-10-10基金项目:吉林省高教科研课题(JGJX2022D172);东北电力大学教学研究课题项目(JX2131)*通讯联系人文章编号:1007-2934(2023)01-0136-04新能源材料与器件专业“锂离子电池课程设计”的改革与探索张宇*，刘鲍，周鹏宇，王波，宋阳(东北电力大学 理学院，吉林 吉林132012)摘要:“锂离子电池课程设计”是新能源材料与器件专业的一门重要实践课程，是为配合 锂电池原理与结构 而开设。基于“锂离子电池课程设计”的课程培养目标，对课程设计的现状进行分析，随后有针对性地提出了分阶段培养体系构建方案，将课程设计分为课前预习、课堂学习与实践及成果展示 3个阶段，全方位的提升学生学习的积极性、创新能力、理论应用于实践能力及团队合作能力，最后，通过评价体系改革和课后反馈巩固和进一步提升教学改革效果，最终为工科实践类课程提供借鉴。关键词:锂离子电池课程设计;新能源材料与器件;分阶段培养体系;评价体系中图分类号:G 642文献标志码:ADOI:1014139/jcnkicn22-1228202301029大学物理实验 投稿网址:http:/dawushiyanjlicteducn“锂离子电池课程设计”是新能源材料与器件专业为配合锂电池原理与结构 课程而开设的一门实践课程，是一个重要的实验教学环节，目的是培养与提高学生应用与创新能力1，2。通过本课程设计，要求学生熟悉锂离子电池材料的合成及测试流程，运用所学理论知识对实验结果进行分析，培养学生的动手能力，对锂离子电池的生产组装工艺有更加深刻的了解，理论联系实际，有助于提高学生专业综合素质。通过本课程的学习，要求学生达到以下具体目标:(1)掌握实验室安全操作规范和各门实践课程的开展流程，避免后续专业实验和课程设计过程中出现安全事故。掌握实验室常见意外事故的处理流程，并应具备应急实施预处理方案的能力。(2)熟悉锂离子电池的组装工艺，选择一种电极材料进行合成，并对材料的电化学性能进行表征;(3)分析材料的电化学性能，测试材料的动力学性能。掌握锂离子电池的组装流程，明确正负极材料的选择和电极制备方法。(4)掌握各类仪器设备的原理和基本操作，掌握基本的实验技能，为后续的专业实验课程和实践环节打基础，培养学生团队精神。1“锂离子电池课程设计”的现状与问题分析目前“锂离子电池课程设计”课程培养目标明确，但是学生的实验操作能力、规范化、创新能力及积极性仍有待进一步提高3。造成上述问题的主要原因有 3 个，一是目前课程设计学生没有预习环节，虽然之前的课程学过材料制备及测试，但是完整的制作电池还是第一次，从材料制备、测试，到电池组装，再到电化学性能测试是一个系统的过程，仅靠之前的理论学习及单个环节独立实验还是远远不够的4，5。预习环节的缺失不利于整个课程设计的规范化及顺利有序进行，同时不规范的“锂离子电池课程设计”也会对未来进入导师项目组及毕业设计的规范化产生不良影响;二是课程设计题目是指导教师设计的，电池的正极或者负极材料都是老师指定的，实验步骤老师也是老师一步一步教授的。学生创新思维得不到锻炼，积极性不高;三是学生对“锂离子电池课程设计”重视度不高，存在小组只有部分成员完成课程设计，其他成员“蹭车”现象。2“锂离子电池课程设计”分阶段培养体系的构建基于“锂离子电池课程设计”目前存在的问题，开展对“锂离子电池课程设计”的改革与探索，结合新能源材料与器件专业人才培养目标，构建“锂离子电池课程设计”分阶段培养体系，下面将具体阐述“锂离子电池课程设计”的三个培养阶段:21“锂离子电池课程设计”课前预习(1)视频资源的开发首先将“锂离子电池课程设计”操作流程分成四部分，分别为“材料制备”、“材料测试”、“电池组装”、“电化学性能测试”。然后，结合本实验室现有的实验设备，对不同的材料制备方法、不同的材料测试方法，电池组装技术及电化学性能测试进行统计。之后，将上述统计的课程设计涉及的操作要领及操作流程全部录制成微视频，要求微视频清晰，声音、文字和图像融为一体，教师语言生动有趣，吸引学生的注意力，每个微视频小于10 分钟，将知识点及操作流程分块化，便于学生随时随地学习。同时也可以寻找一些适用于本课程设计的优质网络学习资源，便于学生学习。最后，建立公众号或者微信小程序，将录制的微视频及网络资源按照上面的操作流程分类进行模块化后上传，便于学生日常学习，学生学习完系统自动记录学生观看视频情况，作为预习成绩的一部分，督促学生自主预习。(2)虚拟仿真实验平台的开发经过前面微视频的学习，学生对“锂离子电池课程设计”有了初步认识，学生对实验操作步骤及注意事项还缺乏系统的训练，为了保障实际操作，结合专业特点，结合多媒体技术、网络资源等建立“锂离子电池课程设计”虚拟仿真实验平台。虚拟仿真实验平台和视频资源相同，亦分为“材料制备”、“材料测试”、“电池组装”、“电化学性能测试”四个部分，彼此独立，学生可以分块进行仿真实验。虚拟仿真实验平台有“演示实验”、“提示仿真实验”及“独立仿真实验”三个环节，学生先看“演示实验”，学习实验操作流程，对实验有整体印象。然后尝试进行“提示仿真实验”环节，在“提示”下，一步一步完成实验，最后用“独立仿真实验”验证学习效果，系统自动打分，作为预习成绩的一部分。虚拟仿真实验平台的优点在于学生可以随时随地进行仿真实验，对时间、空间及实验次数没有限制，学生可以一直练习直到掌握课程设计的所有操作步骤及注意事项，为后续的实验操作提供保障。(3)辅导答疑系统的开发在学生独立进行视频学习及虚拟仿真实验的过程中，难免遇到疑难问题，因此可以在之前建立的微信公众号或者小程序中增设辅导答疑模块，分为常见问题专栏和师生交流平台，常见问题专栏用于汇总历届学生常见问题，学生可自行查找;而师生交流平台用于教师线上辅导答疑，学生可以将在预习过程中遇到的疑难问题在此平台上提出，教师进行解答。为了不断完善辅导答疑系统，教师可以根据学生在师生交流平台提出的问题进行选择实时更新常见问题专栏。通过“锂离子电池课程设计”的课前预习环节，教师可以明确学生在课前预习过程中遇到的知识难点，在课堂教学过程中教师就可以根据难点有针对性的进行重点讲解。学生可以了解自己对知识的掌握程度，及时发现自己在学习过程中遇到的问题，带着目的和问题进行课程设计，在老师和同学的帮助下，实现难题的解决。在教师和同学的共同努力下，能够改变盲目的被动学习的状况，变“被动”为“主动”。课前预习环节可以为后续的课程设计实际操作提供理论保障，并且有利于课程设计的规范化，是“锂离子电池课程设计”不可缺失的环节。22“锂离子电池课程设计”课堂学习与实践经过课前预习环节，学生已经对锂离子电池的制作流程有了系统的认识，为了进一步提升学生的自主学习能力，采取学生自主设计课程设计内容，教师把控实验可行性，持续监督，最终学生731第 1 期张宇，等:新能源材料与器件专业“锂离子电池课程设计”的改革与探索合作完成课程设计的形式，建立学生的课程设计主体地位，教师作为辅助负责把控全局及辅导答疑。下面把课堂学习与实践过程分为三个部分:(1)学生自主设计课程设计内容教师根据学生的特长和优势进行分组实验，学生也可自由组合，为了锻炼学生的动手能力，每组学生最多不能超过 3 人。每个小组首先查阅文献共同设计课程设计题目及整个课程设计流程。为了验证某些锂离子电池改性实验的效果，可以设计采用不同掺杂比例，不同制备方法等制备锂离子电池正极及负极材料，最终对材料测试及电化学性能测试结果做对比，选择最佳方案。另外还可以查阅文献，将实验结果与文献结果做对比，验证设计方案正确性的同时，还可以给出下一步改进方案。学生自主设计课程设计的过程极大地提升了学生了创新能力，而且整个过程需要小组成员共同完成，能够充分锻炼协作能力。(2)教师把控实验可行性，持续监督在整个课程设计环节，教师的地位被弱化，而学生的主体地位凸显，教师从“讲台上”走到“讲台下”，从单纯的输出知识到共同参与课程设计。在学生设计课程设计题目及实践具体流程时，提前预估实验可行性，提出合理化建议，为后续课程设计的有序进行提供保障;在学生实际操作环节，持续监督，避免学生发生安全事故;在学生遇到难题时，教师能够答疑解惑，引导学生独立完成课程设计，从而培养学生发现问题、分析问题、解决问题的能力。(3)学生合作完成课程设计确定好课程设计内容后，小组成员进行详细分工，但是每个成员都要参与到“材料制备”、“材料测试”、“电池组装”、“电化学性能测试”四个环节，保证每名成员都能独立完成锂离子电池的制作及测试。在课程设计过程中，各成员可以就专业知识进行相互交流，各抒己见，在交流中互相帮助，在交流中成长，在深化知识的同时，提升自主学习能力，提升对专业学习的兴趣，也培养了学生的协作能力。23“锂离子电池课程设计”成果展示各组经过几周的合作完成课程设计后，通过学术报告的形式从课程设计背景、材料制备、材料测试、电池组装、电化学性能测试及总结等方面讲解课程设计流程、测试结果及心得体会。在成果展示的环节，无论是教师还是学生都可以提出问题，进行交流。成果展示可以增强学生的成就感和自豪感，毕竟这是小组成员共同努力的结果;而交流过程可以取长补短，培养学生不断完善自我的能力。3“锂离子电池课程设计”评价体系改革及课后反馈31评价体系改革基于前面的课程设计分阶段培养体系，设计了一套新的课程设计评价体系，科学地设置成绩比例，全程监控学生的课程设计。将总成绩分为三大块，课前预习环节 30%，实践环节 40%，成果展示环节 30%，其中课前预习包括课前视频学习及虚拟仿真实验操作，分别占 10%和 20%，实践环节的评定主要考查学生文献检索与阅读、设计方案的可行性、实验操作正确性及团队合作等方面，成果展示环节主要考查研究内容与结果分析、报告格式、答辩 PPT 与表达能力及课程设计心得与反思，另外教师和学生提出的问题解答情况也作为成果展示环节成绩重要的考查部分。把课前预习情况作为一个重要的评价指标放入到课程设计评价体系中，能够提升学生自主学习的能力，激发学生的学习兴趣，同时也能有力的保障后续课程设计的顺利进行。实践环节从单一的评价学生的操作正确性到现在从查阅文献到设计方案，再到团队合作完成课程设计的多维度考查，培养了学生系统化地完成项目的能力，为学生未来攻读研究生进行科学研究及在工作岗位上独当一面提供了前期准备，另外在课程设计过程中的团队协作也培养了学生的合作及领导能力。成果展示环节是对课程设计的一个总结，考查的是学生的分析、总结及随机应变能力，这个过程能够深化所学专业知识，将理论知识切实地用于实践过程中，最终良好地实现课程设计的教学目标。32课后反馈为了进一步提升“锂离子电池课程设计”的改革效果，设置课后调查问卷，并在公众号或微信831大学物理实验2023 年小程序开通课后反馈模块，学生可以提出改进意见，教师总结学生意见，开展教研讨论会提出改进措施，每年不断持续改进“锂离子电池课程设计”的教学方案，从而不断提升教师的教研水平，更好地为学生服务。4结语通过上述“锂离子电池课程设计”的改革与探索，丰富了课程设计环节，有效地改进了传统的课程设计没有课前预习环节、教师指定课程设计题目、学生对课程设计重视度不高等缺点，充分调动了学生学习的主动性和积极性，保障了课程设计的教学效果，提升了学生的创新能力，巩固了专业理论知识，增强了理论应用于实践的能力，培养了团队协作能力，对“锂离子电池课程设计”的改革与探索对工科实践类课程都有着广泛的借鉴意义。参考文献:1 刘鲍，张宇，宋阳，等“三类型四维度”人才培养模式的探索与实践J 大学物理实验，2022，35:145-149 2 李星，王明珊，周莹，等生产实习在新能源材料与器件专业人才培养中发挥的效能J 教改教法，2018(427):76-77 3 黄韵，李星，王明珊，等第一课堂培养新能源材料与器件专业本科生创新能力教学模式探索J 高教学刊，2021(10):54-57 4 李伟，展东红，梁玮，等新能源材料与器件专业 材料科学基础 教学探讨J 广州化工，2020(48):166-168 5 常启兵，王艳香，曾涛，等新能源材料与器件专业创新型应用人才实践教学培养体系的构建J 教育改革与实践，2020(4):66-70eform and Exploration of“Curriculum Design of Lithium-Ion Battery”for Major of New Energy Materials and DevicesZHANG Yu*，LIU Bao，ZHOU Pengyu，WANG Bo，SONG Yang(School of Science，Northeast Electrical Power University，Jilin 132012，China)Abstract:“Curriculum design of lithium-ion battery”is an important practical course for the major of newenergy materials and devicesIt is set up to cooperate with“lithium-ion battery principle and structure”Basedon the curriculum training goal of“curriculum design of lithium-ion battery”，it analyzes the current situationof curriculum design，and then proposes a construction scheme of the staged training systemThe curriculumdesign is divided into three stages:preparation，learning，practice and achievement display，the studentslearning enthusiasm，innovation ability，ability to apply theory to practice and teamwork ability arecomprehensively improvedFinally，the effect of teaching reform are consolidated and further improved throughthe evaluation system reform and after-class feedback，and the experience is offered to practical engineeringcoursesKeywords:curriculum design of lithium-ion battery;new energy materials and devices;staged training system;evaluation system931第 1 期张宇，等:新能源材料与器件专业“锂离子电池课程设计”的改革与探索