《电池技术概论》课程教学改革探索

胡小诗，项舒延，贺君敬，林 葆，金成超，马世玉

(杭州电子科技大学材料与环境工程学院，浙江 杭州 310018)

为缓解传统能源短缺和环境污染问题，近年来，新能源产业迅速发展。“十三五”规划中明确指出要推动新能源汽车、新能源和节能环保等绿色低碳产业成为战略性支柱产业，[1]根据四部委最新消息，国家对新能源汽车推广应用财政补贴政策实施期限延长至2022年底。在此背景下，电池作为一种高效、清洁、经济的新能源体系广泛应用于便携式电子设备、电动汽车及固定电网储存等领域，同时也受到无数科技工作者的广泛研究和关注，许多高校也开设了相关的课程。我校在本科生教学中开设《电池技术概论》通识课，旨在为学生讲授各种电池体系的工作原理和特点、性能、工艺及产品应用，要求学生能将课堂知识与生活体验有机地结合，对相关的行业信息和发展动向形成自己的判断，培养具有科学素养、现代意识以及掌握获取科学知识方法、科学研究方法的现代化人才和部分今后从事电化学、材料科学和汽车领域内的人才。课程所涵新能源电池技术种类繁多，而不同电池的工作性质和应用场景有着显著差异，随着技术的发展，电池性能及种类等都在不断更新发展中，即具有时效性；课程专业性强，理论性与实践性强，而且与产业结合非常紧密，然而操作性较差；在高速发展的“互联网+”时代，原有的课程体系已不再适应现代化教育。针对上述情况，在新教学环境下，在兼顾教学任务与注重培养大学生科学素养和创新能力的同时，如何构建适合《电池技术概论》课程的教学体系，成为本文主要关注和要解决的问题。因此，本文拟从教学内容、教学方法和考核方式等方面进行分析和探讨。具体阐述如下：

1 《电池技术概论》课程教学实践中存在的问题

1.1 课程内容设置不合理

(1)课时较少，但课程内容庞杂，重点不够突出，讲授难度大，既不利于学生对于知识的有效掌握，也不利于教师在有限的教学时数内进行系统的知识讲授和拓展、对学生进行能力训练以及实施灵活的教学手段。课程中需要介绍的电池种类繁多，如当代主流的电池就有：锌锰干电池、铅酸电池、镍氢电池、镍镉电池、锂离子电池、燃料电池、光伏电池、温差电池、超级电容器等，新型的电池，如金属空气电池和全固态电池等。从电源基础，如电池的基本概念、基本组成结构、工作原理、设计、技术参数，到电池组件的工艺，再到实际运用，《电池技术概论》课程内容涵盖广泛，涉及的知识面较广，导致在有限的课上时间(32学时)内无法将理论知识展开充分讲解，同时预留给学生在课堂上表现的时间也较少，尤其是在大班授课的情况下。

(2)教学内容不适用，缺乏时效性和实用性。教学内容应切实反映社会技术先进水平。随着世界各国在新能源电池技术和材料技术研究中不断取得突破，电池的各项技术指标都有了很大发展，新的电池体系和新型的电极材料层出不穷，全新的反应机制、先进的制备技术和生产工艺等也不断涌现，其应用的领域也越来越广泛。因此课程知识陈旧、老化，相对于前沿科学技术而言存在较大的滞后。例如，商业化的锂离子电池正极已由传统的LiFePO4，LiCO2，LiMn2O4发展到现在的三元材料，容量也相应地提高到了200 mAh/g以上。

(3)课程专业性、理论性强，概念过于抽象，涉及物理、化学、材料和电化学学科。选课的本科生有来自电子信息类、材料等工科学科，物理、化学、数学等理科学科，也有来自英语、马克思主义和人文等文科学科，学生的专业背景差异大，在相同知识的掌握上，特别是对于新能源电池的基本理论和基本知识，如电化学基本原理及在材料科学领域中的应用、反应机理、技术标准、基础理论分析、电池性能的影响因素、器件对材料的基本要求以及材料合成等存在较大差异，并且学生大都没有相应的专业知识基础以应对课程相关内容的理解，容易跟不上课堂节奏，从而产生厌倦和抵触情绪。

(4)电池技术是集理论性、技术性、应用性于一体的学科，与我们的日常生活和能源产业联系紧密，但目前课程内容安排上主要以基础理论为主，没有将理论知识与生活实际很好的衔接，因此，在教学过程中，频繁出现出现学生学习主动性低、基础概念模糊混杂、应用能力差等现象和问题。

1.2 教学方式单一、落后，教学过程模式化、机械化

现在的教学模式沿袭了传统的教学模式，以教师的灌输型教学为主，教师按照预设好的教学场景进行教授，并且尚未开设实践环节。这种方式易引起学生对一些基本原理、术语感到枯燥，加之学生课下花费时间少，对抽象概念一时难以消化。虽然在以往的教学中很早便意识这些问题，并在教学过程中利用多媒体课件中的图片、动画和视频来予以直观呈现，但效果不够显著，并且对于电池这门实践性较高的课程来说，最好还是能结合一定的实验手段来表述，但是，作为一门全校公选课，进行实验教学的操作性却很低，不利于教研并重型教师长处的发挥，也难以培养学生的探究兴趣、动手创新能力、研究和分析的能力。而确定性的教学过程忽略了学生学习的自主性、主观能动性和独立思考的能力。随着教育改革的深化，以及网络互联网技术的高速发展，传统的、单一的教学模式已经难以满足教学的需求，探索如何改革教学方式、强化理论与实践相结合、提高学生积极性和课堂参与度是当前课程教学改革中需要解决的一个重要问题。

1.3 考核评价方式不够全面、合理

教学考核方式应按照实现培养目标和提高课堂教学效果服务来科学制订，并与教学方式的实施齐头并进，对学生的考核应始终贯穿在整个教学过程中。《电池技术概论》课程的考核评价体系已有所改进，更加关注学生的平时表现，如分组讨论情况，但评价不够全方位，考察的重点仍是学生对知识的掌握，如平时的作业和期末大论文，忽略了对教学过程中学生学习情感、态度、策略、思考研究能力等方面的评价。此外，评价的主体比较单一，目前仍是由教师对学生的学习进行评价，不能很客观的评价小组中的每位成员的表现和对团队的贡献，学生处于一种消极的被动地位。

2 课程教学策略的探讨与实践

2.1 优化课程结构框架，提高教学前瞻性、实用性

(1)面对教学过程中，课程呈现的课时少、内容多、知识体系繁杂，难讲授等特点，一方面教师应该根据电池技术及材料的发展趋势和特点，注重逻辑，总结规律，重新组织、优化、精简教学内容，突出教学重点，同时将部分内容更多地放到课外学习时间中去。例如，应重视知识点梳理归纳，注重知识的连贯性，比如绪论扼要地阐述了电池的分类：化学电池、物理电池和生物电池，其中化学电池又分为一次电池、二次电池和燃料电池，使学生清晰课程的结构和整体教学思路。涉及的电池体系较多，应系统归纳其特性和共性问题，注意前后的联系，不满目孤立地介绍一种电池体系，比如电池的过充过放，对不同体系一般都是导致内压升高和材料结构破坏，使学生能够将已掌握的知识体系相互衔接，减少重复劳动。重点突出器件的基本组成、工作原理、基本技术参数及电池的维护保养等应用情况。要求学生在课外提前搜集资料，对课上的问题能提前熟知。

(2)教师自身的专业知识和国际视野对教学质量影响显著，因此，教师自身需要不断进步，随时更新知识，把握电池最新的研究成果及未来的发展趋势，借助网络与文献资料以及自己的科研见解和经历，引导学生追踪新能源电池领域的热点和前言问题，开拓学生视野，调动其学习兴趣。同时教师可以充分利用自身与团队在电池研究领域的优势，分享团队正在进行的研究工作、新发表的论文，使学生接触到最新的电池技术、材料、制备工艺、资料和设备等。

(3)为增加学生的接受度，尽量用通俗易懂的语言辅以图片、多媒体动画等手段来形象描述电化学的基本原理和概念，同时需摒弃一些晦涩的深奥的理论，注重基本理论知识、概念的科普性介绍。不同学科学生对课程重点、难点、广度和复杂性的要求不同，因此，教学过程的设计总体应兼顾不同专业的需求，不过分追求学生对电池内部机理及理论的掌握，而应重视学生思维的培养，但与此同时，对于能源与动力专业的学生或者对该领域感兴趣，将来有志于从事该方面研究和工作的学生，可以为他们做些额外指引，以便于他们将来自主深入学习，主要是侧重于理论素养的提高和课堂上精简掉的内容的学习，如电池机理、储能材料的结构、研发和表征方法、电池体系存在的问题和解决办法、关键材料的作用和制备、电池体系的开发，允许这些学生参与教师的科研工作。

(4)建立以学生应用为中心的教学思路，提高学生所学电池知识的实际应用能力、高阶思维和创业能力。一方面，理论联系实际使用环境，通过实例讲解，提高学生理解度，比如，通过探讨在锂电的潮流下，为何丰田混合汽车独爱镍氢电池，学生可以对锂离子电池和镍氢电池的原理、特性和各自的优缺点有更深层次的认识。另一方面，减少理论讲解时间，在大纲中增加学生容易掌握和更乐于接受的应用内容的比重，丰富课堂内容，强化课程内容的广泛性建设、趣味性建设，比如可以为新能源车、手机和笔记本电脑电池、柔性屏、电池安全(短路、过充、热冲击等)和保养、分布式储能、地方能源产业特色等这些与我们生活息息相关的内容设置专门模块[2]，结合特斯拉、宁德时代等电动车和能源公司的市场动态和股票信息、充电桩建设等时事新闻，以专题报告的形式单独讲解，课程内容中补充节能环保减排知识、法律、政策和伦理和社会案例等，如废铅酸电池违法回收案件。

2.2 教学方式多样化、数字化

教学方法的更新换代和创新是激发学习热情和课堂参与、促进学生探究性、个性化学习，提高学生知识、思维、能力的技术保障。在教育信息化发展的今天，针对电池技术公选课内容涉及领域广，课程改革后知识点多而不深的特点，在教学中需有机结合和灵活利用多媒体、互联网、计算机模拟、网络教学平台等多种先进科学的数字技术、资源，主要从以下两方面改进：

(1)整合线上线下课程，强化教学互动：如适当的引入“翻转课堂”这种新型的授课模式。在信息技术高度发达的今天，学生可以利用多媒体技术和互联网提前预览与课程相关的电子教学资料，如教师在自己建设的网上教学平台上上传的录课、电子教案、课件、科技前沿知识，教育平台(百度传课、腾讯课堂)上的学习视频，“慕课”、“微课”微视频等[3]。通过线上预习，学生带着疑问到课堂，提出一些有深度的问题，或就理解不透的内容与老师和同学互动，有利于知识的内化，同时也省去某些问题的讲解时间。这就要求教师做好“导学案”[4]设计，为学生课前自主学习做好引导，以提高翻转课堂的效果。同时，在翻转课堂教学活动中，融入基于分组合作的项目训练：学生组团后自主选题，分工协作，查阅标准和资料以及小组讨论等，最后鼓励学生上台作ppt汇报。这种开放式的双向教学模式，以教师为导向(督导者)，学生为中心(主体)，它的加入，营造了一种会话式的宽松的教学氛围，极大地启动了学生的主观能动性，增强了学生参与教学活动的力度与广度，培养了学生自主学习、创造性学习的能力，减少了学生对老师的依赖。同时还促进了不同专业学生的交流，锻炼了学生文献搜索和调研的能力，培养了团队意识以及思考和解决问题的能力。

(2)增设虚拟仿真实验教学学时：借助基于VR和AR技术的虚拟仿真实验教学项目资源开展紧扣教学基础内容的线上实验教学[5]，作为课程的生产实践教学环节。该方法通过构建一个优良的，虚拟的实验环境，学生身临其中，进行实践训练，在有效地促进知识的表达，激发学习兴趣培养学生动手创新能力的同时，可大大降低实训的成本和风险，[6]有效化解实验条件短缺、教学演示困难和电池安全隐患的问题。通过在线实践教学平台上的仿真软件，教师可随时随地指导学生进行电池材料合成、电极片制备、电池拆装、常规的性能(容量、稳定性、安全性)测试和评价等仿真操作，理论教学与实验训练交替，加深了学生对动力电池内部结构原理、性能参数、测试方法和制造工艺的理解，了解了新能源电池科学研究和工程设计的一般方法，也加强了教学与生产的对接。教师亦可构建一些其它的虚拟教学场景，如应用性较强的综合模拟实验、探究性的趣味实验或开放性实验场景等。

2.3 构建基于过程的多元评价体系

由于上述新的教学方式更加重视学生参与教学，评价体系将相应地作以下调整：课堂出勤(10分)，互动问答(10分)，仿真操作(10分)，在团队项目训练计划过程中的表现(20分)，ppt讲解效果和反映出的调研成果(20分)，撰写项目个人总结(30分)，即主要考核学生的学习过程、效果和综合能力，通过学生自评(10%)，团队成员互评(40)和教师评价(50%)相结合，计算出总评成绩，实现开放的、多元化的评价。这种新的考核体系可以引导学生创造性地主动学习，绕开应试教育的陷阱，充分发挥出学生在学习中的主体地位。

3 结 语

电池技术与我们的生活密切相关。本文结合本课程的特点、学生实际需求以及已有的教学经验等，分析了教学现状，并从教学内容、教学方式、考核方式三方面进行教改初探，创造性地在传统教学中融入信息化手段，解决教学难题，旨在打造一个以学生为主体的高效体验式课堂，以适应新的教育发展趋势，培养出与社会接轨的复合型人才，从而实现教学共同体的成长。