摘要：近年来，国家对新能源技术给予了大力支持。为了适应新能源产业的发展，多所高校开设了新能源类课程，以满足国家对新能源技术人才的迫切需求。文章以高分子材料与工程专业(光电信息材料方向)的储能材料与器件课程作为新能源类课程的代表，分析其教学难点，并以聚乙烯醇基超级电容器的研发为例，探讨其学研融合的教学形式，为培养适应新能源产业需求、具有综合素质的应用型人才提供教学参考。
关键词：新能源,超级电容器,学研融合
0引言
随着经济发展，世界各国对能源危机和环境污染问题已愈加重视。新能源技术早已被我国视为具有战略意义的技术之一。我国已有14所高校开设了与新能源材料相关的本科专业[1-2]。在此背景下，武汉工程大学邮电与信息工程学院新增设了高分子材料与工程专业(光电信息材料方向)，该专业旨在培养具有扎实的材料科学与工程基础理论知识，掌握光电材料制备、加工、分析测试等基本能力，能够适应区域经济发展需要，并在材料科学与工程、高分子材料、光电信息材料、储能材料及相关领域具有技术专长，能从事新能源材料的设计、合成与制备、工业应用研究、生产与经营管理等方面工作的应用型高级工程技术人才[3]。
该专业的人才培养方案在传统的高分子材料与工程专业基础上，增设了光纤材料与制备技术、光电功能材料、半导体物理、储能材料与器件等新能源类课程，旨在丰富高分子材料与工程专业内容，适应国家战略性新兴产业发展，培养能为新材料、新能源产业建设效力的实用性人才。下面以储能材料与器件课程作为新能源类课程的代表，以聚乙烯醇基超级电容器的研发为例，探讨其学研融合的教学形式。
1储能材料与器件课程
1.1课程简介
储能材料与器件是我校高分子材料与工程专业(光电信息材料方向)开设的一门专业选修课，课时设置为32课时。该课程主要涉及超级电容器、锂离子电池、钠离子电池等储能器件的工作原理、结构及性能，以及储能器件关键组成材料的理化性质和特性。该课程的特点是知识体系更新快且各体系独立，发展程度不一。通过该课程的学习，可以帮助学生掌握电池和超级电容器等储能器件及关键材料的制备、设计等方面的基本原理和方法，为进一步设计和制备新型储能材料与器件打下良好基础。
1.2课程知识框架
储能材料主要包括物理、化学和电磁储能三种,我校高分子材料与工程专业(光电信息材料方向)主要针对化学和电磁储能两个方面进行深入学习。为了更好地反映课程内容,针对储能材料与器件课程梳理了知识框架,如图1所示。我校开设的储能材料与器件课程内容主要包括四个板块,即储能方式的介绍、超级电容器、锂离子电池和钠离子电池。其中超级电容器、锂离子电池和钠离子电池部分均是从结构、储能原理、正极材料和负极材料几个方面进行教学。我校储能材料与器件课程的教学重点主要落脚在超级电容器部分,尤其是对其电极材料的介绍,主要包括碳电极、聚合物电极和碳基复合电极。目前,我校已有指导老师将该门课程内容与大学生"互联网+"创新创业大赛相结合,以超级电容器为契合点,申报的创新创业项目已多次获得省级荣誉。另外,为扩展学生对储能行业的了解,拓展了部分超级电容器的应用知识,帮助学生洞悉市场发展情况,也为后续就业进行引入和铺垫。
1.3课程教学难点
储能材料与器件课程教学难点主要包括以下三个方面:
一是该课程内容涉及当下最前沿的科学技术,创新性强,且课程中所涉及的研究领域的技术更新频繁,这给教学内容的设置增加了难度。授课教师需要不断学习和更新知识储备,关注前沿技术的发展动向、掌握新技术的基本原理,并思考在应用型人才培养模式下,这些新技术该如何传授给学生、如何为学生所用,这无疑需要任课老师耗费大量的时间、精力和心血才能完成。
二是该课程容量大,知识面涵盖多门学科,如物理、化学、材料等。储能材料与器件是开设在我校高分子材料与工程专业(光电信息材料方向)大四上学期的课程,之所以如此安排,是因为在学习该课程前,需要有一定的材料类基础学科和专业学科的知识储备,如大学物理、物理化学、有机化学、高分子化学、高分子物理等。因此,学习该课程对学生专业素养的要求较高。
三是该课程所涵盖的各储能体系之间独立性强、关联性低且发展程度各不相同。参照第一点,由于该课程包含多种储能体系,且技术均在不断更新,加上各自发展程度不一,因此在教学内容的课时分配上就不能一成不变,而应及时根据各体系发展程度,适当有所增减,这就要求授课老师紧跟发展动向,不断更新教学方案。
针对以上教学难点,不难发现传统的课堂纯理论教学形式已经与该类课程特点不匹配。如果依旧以教师讲解为主,一方面难以引起学生学习兴趣,另一方面导致学生对新技术的感知程度较低、接受度较差,这对培养适应产业发展的应用型人才是不利的。秉承着"实践十创新"的教学理念,接下来以在储能材料与器件课程中引入实验教学为例,探讨该类课程学研融合形式的实施。
2以聚乙烯醇基超级电容器的研发为例的学研融合探讨
2.1纯理论讲解和实验研究的融合设计
储能材料与器件课程的第二章主要介绍超级电容器,在第一节中讲述了超级电容器的结构及储能原理。传统的教学主要以结构图的形式展现超级电容器的结构,并运用计算公式描述两种测试超级电容器比电容大小的方法,即循环伏安法和恒电流充放电法,具体演示过程如图2所示。区别于传统的结构图模型和公式推导,学研融合的教学方式是结合具体的实验,即聚乙烯醇基超级电容器的制备和性能测试数据分析,具象化超级电容器的结构和比电容算法,并向学生演示,实际测量数据如何分析、又是以怎样的图形形式展现出来的。这种教学方式能明显提高学生的学习兴趣,加深其认知程度,且更加注重实操,有利于培养实用型人才，从而达到学研融合教学改革的目的。
2.2聚乙烯醇基超级电容器的研发示范教学
(1)以聚乙烯醇基超级电容器的制备为例，探讨科研结合理论的教学过程。首先是作为超级电容器电极材料的聚乙烯基水凝胶的制备，具体制备过程和超级电容器的组装过程如图3所示，标定为方案一。制备聚乙烯醇基水凝胶的主要原料是聚乙烯醇、氧化石墨烯、聚吡咯和APS[4]。通过SEM表征得出，方案一制备的三元复合水凝胶具有特殊的蜂窝状微观结构，该结构提供了大量的电子输送通道，有利于电子的流动[5]。在此处，可利用聚乙烯醇基水凝胶的特殊结构引导和启发学生思考超级电容器对电极材料的要求，同时为后续该课程第二节(碳电极材料)、第三节(氧化物/聚合物电极材料)、第四节(碳基复合电极材料)、第五节(电极材料的结构设计)的教学做铺垫。在制备流程图的最后，给出了组装好的超级电容器结构，由钢网、聚乙烯醇基水凝胶、聚乙烯醇/硫酸电解液组成，具体实例结合超级电容器结构模型进行对应讲解，可以更好地帮助学生理解超级电容器的结构和各部分组成的作用。
(2)以聚乙烯醇基超级电容器比电容测试方法为例，探讨科研结合理论的教学过程。与传统的储能材料与器件课程讲解超级电容器比电容计算公式不同，基于方案一实验得到的超级电容器，利用电化学工作站，分别对其进行循环伏安法测试和恒电流充放电测试，再利用Origin软件对数据进行处理。测试步骤和数据处理过程由教师一步步演示给学生，测量结果以数据图形式展现出来。这种教学形式，可以具象化两种测试方法和计算公式的应用，让学生切实理解和掌握储能材料比电容表征手段和算法。此外，这种教学手段比传统的公式推导更生动形象，能最直接地让学生理解公式中各字母的含义以及公式在实际研究或工作中的具体用法。
(3)以聚乙烯醇基超级电容器比电容数据分析为例，探讨科研结合理论的教学过程。为了更好地让学生理解电极材料结构对超级电容器比电容大小的影响，还在上述实验设计中增加了对比组，制备了还原氧化石墨烯成分的复合水凝胶。其具体制备方法是将已制备好的上述聚乙烯醇基复合水凝胶浸泡在碘化钾溶液中，如图4(a)所示，标定为方案二。最后，用此方法制备的水凝胶按上述同样的方式组装成超级电容器，由此得到对比组。然后用(2)中设计的教学手段进行相同的测试和数据处理，将两者结果进行对比，并通过SEM表征其微观结构，发现原有的网络结构坍塌，其结构对比和比电容对比如图4(b)所示。可知，蜂窝状结构的电极材料所组装的超级电容器比电容明显高于坍塌结构的电极材料所组装的超级电容器。通过这样的对比设计，可以直观地让学生看到不同的电极材料结构是会影响超级电容器储能效果的。另外，还可以进一步引导学生思考可以通过哪些手段调控电极材料结构，从而加深学生对超级电容器比电容影响因素的思考。
2.3设计小结
综上所述，在理论教学中融入实验案例，通过具体材料的制备、测试、数据处理和分析的演示，可以极大程度引起学生的探索兴趣，并且摆脱了固有概念的灌输，加深了学生对新能源材料的认知，促进了学生产生化理论为实践的内驱力。同时，培养了学生研发新材料的思维和处理实验数据的能力，为后续学生就业或进一步深造打下良好基础。另外，针对储能材料与器件课程，除了教师做实验示范外，还可以开展课外兴趣小组，拓展相关科研课题，拓展学科赛事，如“挑战杯”、大学生“互联网+”创新创业大赛、高分子材料创新创业大赛等，激发学生创新能力，提升学生在能源行业的就业竞争力。
3结语
传统教学形式主要以理论灌输为主，难以提高学生求知兴趣，也存在脱离实际的问题，且部分的理论教学与科研脱节。而高分子材料与工程专业本身就是一个注重学研融合的专业，光电信息材料方向更是偏重于材料的特性研究。因此，为了适应工程及教育理念，本文以高分子材料与工程专业(光电信息材料方向)的储能材料与器件课程作为新能源类课程的代表，梳理了该课程的知识框架，分析了其教学难点，并以聚乙烯醇基超级电容器的研发为例，探讨了在讲述超级电容器结构、电极材料性能要求和比电容测试方法等知识点时如何将理论教学与具体科研实验相结合，开展学研融合的教学改革方法，为培养适应新能源产业需求、具有综合素质的应用型人才提供教学参考。
参考文献：
[1]王明珊,张骞,李星,等.《储能材料与器件》的课程教学实践探索[J].广东化工,2018,45(8):271,265.
[2]王明珊,张莉,陈俊臣,等.新能源材料与器件专业课程思政教学探索:以“储能材料与器件”为例[J].科教导刊,2022,7(3):85-87.
[3]刘维尚,袁丽.新工科人才培养模式探索[J].中国高等教育,2021(2):1-3.
[4]WEI D,ZHU J,LUO L,et al.Fabrication of poly(vinyl alcohol)-graph ene oxide-polypyrrole composite hydrogel for elastic supercapacitors[J].Journal of materials science,2020,55(25):11779-11791.
[5]WEI D,WANG H,ZHU J,et al.Highly stretchable,fast self-healing,responsive conductive hydrogels for supercapacitor electrode and motion sensor[J].Macromolecular materials and engineering,2020,305:2000018.
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