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摘要：《新能源材料》是新能源材料与器件专业的核心专业课程之一，专业性强，涉及面广。作者根据目前国际的研究热点，确定了《新能源材料》课程的教学范围，并从教学手段的运用、课堂—实验室—工厂三位一体的培养模式以及交互式教学等方面，提出了一些个人见解。
关键词：新能源材料；教学内容；教学手段
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）29-0132-02
随着经济社会的快速发展，能源短缺成为全球日益突出的问题。为此，发展以太阳能为代表的新能源已经成为各个国家的共识。美国俄勒冈州科技学院于2005年率先开办了可再生能源四年大学本科学位课程，之后，纽约州立大学Canton分校于2006年、伊利诺伊州立大学于2008年都开设了可再生替代能源专业。2009年底，我国开始布局战略性新兴产业，新能源产业作为战略性新兴产业的代表，成为低碳经济的发展方向。2010年，“新能源材料与器件专业”被教育部批准为战略性新兴产业相关专业之一。作为新能源的转化和利用以及发展新能源技术的关键，新能源材料则成为了关乎国家发展的战略性重大问题，而《新能源材料》这门课程也成为新能源材料与器件专业的核心课程之一。
《新能源材料》是建立在高等数学、大学物理、大学化学、材料科学基础、半导体物理与器件、新能源转换与控制技术、凝聚态物理等基础课和专业课之上的一门课程，专业性强，涉及面广，是材料科学与电子科学、化学、物理学、能源技术科学等多学科交叉的综合性学科，涵盖了太阳能电池材料、储氢材料、锂电池材料、燃料电池材料等先进能源材料。尽管我国已经有一些高校开设新能源材料与器件专业，但作为一个新兴专业，其相关课程建设仍相对滞后。《新能源材料》作为其中的核心课程，其建设具有重要意义。作者经过近几年的教学，针对新能源材料的课程特点，在教学过程中采用了一些新型的教学方法和手段，在启发学生学习兴趣，增加该课程的兴趣点的同时，提高了教学效果。
一、《新能源材料》教学内容
目前，可供新能源材料选用的教材非常有限，且大多数编著于多年前。新能源领域的发展可谓日新月异，陈旧的教材已经无法适应新形势下的需要。基于此，我们以最近几年的科学研究热点为依据，厘定了以下教学内容：
1.太阳能电池材料。太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置，是目前最有应用前景的可再生能源。本部分主要讲述太阳能电池原理、太阳能电池的结构与特性、太阳能光伏发电系统、太阳能光伏发电系统的应用以及各种太阳能电池。太阳能电池的分类很多，较传统的主要包括：硅太阳能电池、有机聚合物电池、染料敏化太阳能电池和量子点敏化太阳能电池等。自2013年起，以CH3NH3PbI3为代表的钙钛矿太阳能电池逐渐成为研究的主流。[1]钙钛矿型复合氧化物ABO3是一种具有独特物理性质和化学性质的新型无机非金属材料，A位一般是稀土或碱土元素离子，B位为过渡元素离子，A位和B位皆可被半径相近的其他金属离子部分取代而保持其晶体结构基本不变。目前，钙钛矿太阳能电池的效率已经接近20%。
2.锂离子电池材料。锂离子电池是一种二次电池（充电电池），它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。[2]在充放电过程中，Li 在两个电极之间往返嵌入和脱嵌：充电时，Li 从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态；放电时则相反。电池一般采用含有锂元素的材料作为电极，是现代高性能电池的代表。锂离子电池的研究是当前能源领域的研究热点，本部分主要讲述的内容包括：锂离子电池的工作原理、锂离子电池负极材料、锂离子电池正极材料、锂离子电池电解质材料以及锂离子电池隔膜材料。
3.金属氢化物镍电池材料。20世纪60年代末，科学家发现储氢合金。进一步的研究发现储氢合金在吸放氢的过程中伴有电化学效应、热效应等。1973年起科学家开始把LaNi5型储氢合金作为二次电池负极材料，1987年建成Ni/MH电池的试生产线，1990年，Ni/MH电池商业化，日本居于世界前列，1990年，日本三洋公司开始批量生产，美国、德国相继开始生产。我国近年来发展很快，相继建立的一些电池生产企业，如天津和平海湾，深圳比亚迪等。本部分主要讲述的内容包括金属氢化物镍电池原理、结构和特性以及其优缺点、储氢合金负极材料、镍正极材料以及Ni/MH电池材料的再生利用。
4.燃料电池。燃料电池是一种不经过燃烧而在等温下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效而又环境友好地转化为电能的发电装置。它的最大特点是燃料和氧化剂是从电池外部连续注入电池的，是继水利、火力和核能发电之后的第四类发电技术。2005年，日本Honda推出50kW的燃料电池轿车，2006年三星公司推出燃料电池笔记本电脑，极大的推进了燃料电池的工业化进程。本部分主要讲述的内容包括燃料电池原理、质子交换膜型燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池以及燃料电池汽车基础。
二、《新能源材料》教学手段尝试
1.各种教学手段和教学方法的综合运用。《新能源材料》涉及的范围很宽，包括无机、有机，非金属、金属等知识体系，着重强调数理基础，理化结合，材料、器件、系统的结合。[3]由于该课程较抽象，且都是学生还没有接触到的领域，学生在初次接触本门课程时经常会遇到知识过于抽象不好理解的困难。因此需要改变传统的教学方法，采用多种多样的教学模式和教学手段，尤其是要充分利用多媒体技术和网络技术等现代教学手段，形成直观形象和生动的教学场景，从而提高教学质量和教学效率。多媒体课件能将新能源材料中抽象难懂的概念、关系、原理以图像、声音、动画、视频的形式变得具体化，从而可以增强学生学习的主动性和积极性，提高教学效果。比如可以在锂离子电池基础部分讲述完成后，使用视频的形式来阐述锂离子电池完整的制作过程，加深学生的印象。在讲解燃料电池时，可以先利用通用公司制作的关于燃料汽车的广告，来激发学生对燃料电池的兴趣。但应用现代化教学手段并不等于全盘抛弃传统的教学手段，黑板的随意性和互动性不是多媒体所能完全替代的。对于原理的阐述时，例如阐述各种电池器件的工作原理、电化学原理和固相合成原理等难点问题时，应该通过板书逐个击破。因而在实际教学中要合理地将现代教学手段与传统的教学手段结合起来，提高课堂教学的质量。 2.课堂—实验室—工厂三位一体的培养模式。《新能源材料》所涉及到的理论内容较为抽象，仅靠课堂上的教学很难实现让学生对新能源材料的了解和认识。作为课堂理论教学的补充和延伸，通过开设课程实验可以加深学生对理论知识的理解，并提高学生的动手能力和分析解决问题的能力。实验内容的设计，不仅要注重实时性，同时还要突出实验的专业背景，这样才能真正体现实验教学的系统性和专业性。目前，本课程开设的基础实验包括：锂离子电池正负极材料的制备，电池装配及性能测试；基于TiO2的染料敏化太阳能电池正负极制备，电池装配及性能测试；燃料电池的基本原理和燃料电池的性能测试。实践活动包含着与理论教学相关的实践活动内容，不仅体现着理论联系实际的教学理念，还可以培养学生实践能力和创新能力。青岛科技大学在城阳区青大工业园和平度新能源材料产业园区均设有实习基地。其中城阳区可以进行动力型锂离子电池正极材料、负极材料的制备以及电池的装配实验；平度市新能源材料产业园区里的企业可以进行单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池以及完整的太阳能电池装配线。通过学生走进实验室，再走进企业，可以实现课堂—实验室—工厂三位一体的理论与实践相结合的模式。
3.实施交互教学，让学生走上讲台。为了进一步激发学生的学习兴趣，我们安排了每个学生都有上台演讲机会，让学生参与到教学中来。每人大概分配10分钟时间，一个学生一个命题。题目主要分为二类：一类命题来源于前沿领域。即从最新的Science、Nature及其系列子刊等国际著名期刊上寻找关于新能源材料的最新进展，让同学们完成从资料查找、到阅读，再到课堂讲授的完整流程。比如，针对目前太阳能电池中，研究最热的钙钛矿电池，让学生通过查找文献，指出钙钛矿电池效率高的原因所在，效率可能继续提高的因素以及钙钛矿电源目前存在的缺陷。另一类命题来源于生活，比如目前国家大力推行电动汽车，那么最适合作为动力型锂离子电池正极的材料有哪些？目前大多数农村用的小型电动车采用的是哪一类电池？太阳光的光谱范围是多少？什么样的材料才能最大范围的吸收太阳光，并将其转变为可存储能量？等等。另通过这种交互的教学方式，学生的积极性普遍得到了提高，学生在讲授过程中，不但自己有了很大的收获，教师也能在相互的交流中获益颇多。
三、结论
我们根据目前国际的研究热点，确定了包含太阳能电池材料、锂离子电池材料、金属氢化物镍电池材料以及燃料电池材料四大领域的教学内容。并根据新能源材料课程的特殊性，改变传统的教学方法，通过各种教学手段和教学方法的综合运用、课堂—实验室—工厂三位一体的培养模式以及交互式教学等方式，调动学生学习的主动性和积极性，使《新能源材料》的教学手段更加完善和成熟，并取得了令人满意的教学效果。
参考文献：
[1]Hodes，Gary.Cahen，David，Perovskite cells roll forward[J]. Nature Photonics，2014，（8）.
[2]F.-Q. Liu，H. Wu，T. Li，L. R. Grabstanowicz，K. Amine and T[J]. Xu，Nanoscale，2013，（5）.
[3]雷永泉.新能源材料[M].天津大学出版社，2001.
关键词：新能源材料；教学内容；教学手段
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）29-0132-02
随着经济社会的快速发展，能源短缺成为全球日益突出的问题。为此，发展以太阳能为代表的新能源已经成为各个国家的共识。美国俄勒冈州科技学院于2005年率先开办了可再生能源四年大学本科学位课程，之后，纽约州立大学Canton分校于2006年、伊利诺伊州立大学于2008年都开设了可再生替代能源专业。2009年底，我国开始布局战略性新兴产业，新能源产业作为战略性新兴产业的代表，成为低碳经济的发展方向。2010年，“新能源材料与器件专业”被教育部批准为战略性新兴产业相关专业之一。作为新能源的转化和利用以及发展新能源技术的关键，新能源材料则成为了关乎国家发展的战略性重大问题，而《新能源材料》这门课程也成为新能源材料与器件专业的核心课程之一。
《新能源材料》是建立在高等数学、大学物理、大学化学、材料科学基础、半导体物理与器件、新能源转换与控制技术、凝聚态物理等基础课和专业课之上的一门课程，专业性强，涉及面广，是材料科学与电子科学、化学、物理学、能源技术科学等多学科交叉的综合性学科，涵盖了太阳能电池材料、储氢材料、锂电池材料、燃料电池材料等先进能源材料。尽管我国已经有一些高校开设新能源材料与器件专业，但作为一个新兴专业，其相关课程建设仍相对滞后。《新能源材料》作为其中的核心课程，其建设具有重要意义。作者经过近几年的教学，针对新能源材料的课程特点，在教学过程中采用了一些新型的教学方法和手段，在启发学生学习兴趣，增加该课程的兴趣点的同时，提高了教学效果。
一、《新能源材料》教学内容
目前，可供新能源材料选用的教材非常有限，且大多数编著于多年前。新能源领域的发展可谓日新月异，陈旧的教材已经无法适应新形势下的需要。基于此，我们以最近几年的科学研究热点为依据，厘定了以下教学内容：
1.太阳能电池材料。太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置，是目前最有应用前景的可再生能源。本部分主要讲述太阳能电池原理、太阳能电池的结构与特性、太阳能光伏发电系统、太阳能光伏发电系统的应用以及各种太阳能电池。太阳能电池的分类很多，较传统的主要包括：硅太阳能电池、有机聚合物电池、染料敏化太阳能电池和量子点敏化太阳能电池等。自2013年起，以CH3NH3PbI3为代表的钙钛矿太阳能电池逐渐成为研究的主流。[1]钙钛矿型复合氧化物ABO3是一种具有独特物理性质和化学性质的新型无机非金属材料，A位一般是稀土或碱土元素离子，B位为过渡元素离子，A位和B位皆可被半径相近的其他金属离子部分取代而保持其晶体结构基本不变。目前，钙钛矿太阳能电池的效率已经接近20%。
2.锂离子电池材料。锂离子电池是一种二次电池（充电电池），它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。[2]在充放电过程中，Li 在两个电极之间往返嵌入和脱嵌：充电时，Li 从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态；放电时则相反。电池一般采用含有锂元素的材料作为电极，是现代高性能电池的代表。锂离子电池的研究是当前能源领域的研究热点，本部分主要讲述的内容包括：锂离子电池的工作原理、锂离子电池负极材料、锂离子电池正极材料、锂离子电池电解质材料以及锂离子电池隔膜材料。
3.金属氢化物镍电池材料。20世纪60年代末，科学家发现储氢合金。进一步的研究发现储氢合金在吸放氢的过程中伴有电化学效应、热效应等。1973年起科学家开始把LaNi5型储氢合金作为二次电池负极材料，1987年建成Ni/MH电池的试生产线，1990年，Ni/MH电池商业化，日本居于世界前列，1990年，日本三洋公司开始批量生产，美国、德国相继开始生产。我国近年来发展很快，相继建立的一些电池生产企业，如天津和平海湾，深圳比亚迪等。本部分主要讲述的内容包括金属氢化物镍电池原理、结构和特性以及其优缺点、储氢合金负极材料、镍正极材料以及Ni/MH电池材料的再生利用。
4.燃料电池。燃料电池是一种不经过燃烧而在等温下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效而又环境友好地转化为电能的发电装置。它的最大特点是燃料和氧化剂是从电池外部连续注入电池的，是继水利、火力和核能发电之后的第四类发电技术。2005年，日本Honda推出50kW的燃料电池轿车，2006年三星公司推出燃料电池笔记本电脑，极大的推进了燃料电池的工业化进程。本部分主要讲述的内容包括燃料电池原理、质子交换膜型燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池以及燃料电池汽车基础。
二、《新能源材料》教学手段尝试
1.各种教学手段和教学方法的综合运用。《新能源材料》涉及的范围很宽，包括无机、有机，非金属、金属等知识体系，着重强调数理基础，理化结合，材料、器件、系统的结合。[3]由于该课程较抽象，且都是学生还没有接触到的领域，学生在初次接触本门课程时经常会遇到知识过于抽象不好理解的困难。因此需要改变传统的教学方法，采用多种多样的教学模式和教学手段，尤其是要充分利用多媒体技术和网络技术等现代教学手段，形成直观形象和生动的教学场景，从而提高教学质量和教学效率。多媒体课件能将新能源材料中抽象难懂的概念、关系、原理以图像、声音、动画、视频的形式变得具体化，从而可以增强学生学习的主动性和积极性，提高教学效果。比如可以在锂离子电池基础部分讲述完成后，使用视频的形式来阐述锂离子电池完整的制作过程，加深学生的印象。在讲解燃料电池时，可以先利用通用公司制作的关于燃料汽车的广告，来激发学生对燃料电池的兴趣。但应用现代化教学手段并不等于全盘抛弃传统的教学手段，黑板的随意性和互动性不是多媒体所能完全替代的。对于原理的阐述时，例如阐述各种电池器件的工作原理、电化学原理和固相合成原理等难点问题时，应该通过板书逐个击破。因而在实际教学中要合理地将现代教学手段与传统的教学手段结合起来，提高课堂教学的质量。 2.课堂—实验室—工厂三位一体的培养模式。《新能源材料》所涉及到的理论内容较为抽象，仅靠课堂上的教学很难实现让学生对新能源材料的了解和认识。作为课堂理论教学的补充和延伸，通过开设课程实验可以加深学生对理论知识的理解，并提高学生的动手能力和分析解决问题的能力。实验内容的设计，不仅要注重实时性，同时还要突出实验的专业背景，这样才能真正体现实验教学的系统性和专业性。目前，本课程开设的基础实验包括：锂离子电池正负极材料的制备，电池装配及性能测试；基于TiO2的染料敏化太阳能电池正负极制备，电池装配及性能测试；燃料电池的基本原理和燃料电池的性能测试。实践活动包含着与理论教学相关的实践活动内容，不仅体现着理论联系实际的教学理念，还可以培养学生实践能力和创新能力。青岛科技大学在城阳区青大工业园和平度新能源材料产业园区均设有实习基地。其中城阳区可以进行动力型锂离子电池正极材料、负极材料的制备以及电池的装配实验；平度市新能源材料产业园区里的企业可以进行单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池以及完整的太阳能电池装配线。通过学生走进实验室，再走进企业，可以实现课堂—实验室—工厂三位一体的理论与实践相结合的模式。
3.实施交互教学，让学生走上讲台。为了进一步激发学生的学习兴趣，我们安排了每个学生都有上台演讲机会，让学生参与到教学中来。每人大概分配10分钟时间，一个学生一个命题。题目主要分为二类：一类命题来源于前沿领域。即从最新的Science、Nature及其系列子刊等国际著名期刊上寻找关于新能源材料的最新进展，让同学们完成从资料查找、到阅读，再到课堂讲授的完整流程。比如，针对目前太阳能电池中，研究最热的钙钛矿电池，让学生通过查找文献，指出钙钛矿电池效率高的原因所在，效率可能继续提高的因素以及钙钛矿电源目前存在的缺陷。另一类命题来源于生活，比如目前国家大力推行电动汽车，那么最适合作为动力型锂离子电池正极的材料有哪些？目前大多数农村用的小型电动车采用的是哪一类电池？太阳光的光谱范围是多少？什么样的材料才能最大范围的吸收太阳光，并将其转变为可存储能量？等等。另通过这种交互的教学方式，学生的积极性普遍得到了提高，学生在讲授过程中，不但自己有了很大的收获，教师也能在相互的交流中获益颇多。
三、结论
我们根据目前国际的研究热点，确定了包含太阳能电池材料、锂离子电池材料、金属氢化物镍电池材料以及燃料电池材料四大领域的教学内容。并根据新能源材料课程的特殊性，改变传统的教学方法，通过各种教学手段和教学方法的综合运用、课堂—实验室—工厂三位一体的培养模式以及交互式教学等方式，调动学生学习的主动性和积极性，使《新能源材料》的教学手段更加完善和成熟，并取得了令人满意的教学效果。
参考文献：
[1]Hodes，Gary.Cahen，David，Perovskite cells roll forward[J]. Nature Photonics，2014，（8）.
[2]F.-Q. Liu，H. Wu，T. Li，L. R. Grabstanowicz，K. Amine and T[J]. Xu，Nanoscale，2013，（5）.
[3]雷永泉.新能源材料[M].天津大学出版社，2001.