以工程能力為導(dǎo)向的CDIO二級項(xiàng)目超級電容器教學(xué)探索

李靖　黎陽　馬董云　吳子華　祝向榮　徐海萍

摘 要：本文以我校材料科學(xué)與工程專業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃和CDIO教學(xué)大綱為依據(jù)，設(shè)計(jì)和建立CDIO二級項(xiàng)目的教學(xué)模式、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)流程，體現(xiàn)以CDIO所代表的構(gòu)思-設(shè)計(jì)-實(shí)現(xiàn)-運(yùn)作的教學(xué)主線。

關(guān)鍵詞：二級項(xiàng)目；超級電容器；CDIO；工程能力

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.21.202

1 引言

CDIO工程教育是當(dāng)前國際工程教育改革的新成果，國內(nèi)已有比較多的高等院校相關(guān)專業(yè)以CDIO作為核心模式培養(yǎng)學(xué)生。我校材料科學(xué)與工程專業(yè)（新能源材料與器件方向）以CDIO工程教育模式作為本科培養(yǎng)模式，鍛煉學(xué)生對項(xiàng)目的構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計(jì)（Design）、實(shí)現(xiàn)（Implement）和運(yùn)作（Operate）的能力，注重培養(yǎng)學(xué)生的工程系統(tǒng)綜合能力。

二級項(xiàng)目主要是通過材料產(chǎn)品設(shè)計(jì)的綜合課程設(shè)計(jì)，培養(yǎng)學(xué)生對知識和技能的綜合運(yùn)用能力[1]，二級項(xiàng)目的運(yùn)行直接關(guān)系到CDIO實(shí)踐教學(xué)課程的教學(xué)情況。本文主要以二級項(xiàng)目超級電容器為例，探討CDIO工程教育模式下的二級項(xiàng)目的教學(xué)模式、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)理論與實(shí)踐結(jié)合、考核辦法等，在此基礎(chǔ)上探討如何進(jìn)一步提高實(shí)踐教學(xué)水平。

2 組建專業(yè)課程群，理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合

本專業(yè)在保持材料科學(xué)與工程專業(yè)教育的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步強(qiáng)化在電化學(xué)儲能、光伏太陽能材料及其器件等方面的特色發(fā)展，突出學(xué)生在新能源產(chǎn)業(yè)電化學(xué)儲能和光伏太陽能利用領(lǐng)域的實(shí)踐技能訓(xùn)練。本專業(yè)開設(shè)的二級項(xiàng)目課程包括化學(xué)電池系統(tǒng)、超級電容器、太陽能發(fā)電系統(tǒng)、和LED節(jié)能燈，四個(gè)二級項(xiàng)目共同組成一個(gè)實(shí)踐類課程群（一個(gè)教學(xué)團(tuán)隊(duì)），全面帶動(dòng)實(shí)踐教學(xué)工作的規(guī)范化和教學(xué)質(zhì)量的提高。

在該專業(yè)的其他課程設(shè)置中，《應(yīng)用電化學(xué)》（專業(yè)基礎(chǔ)課，32學(xué)時(shí)）與《化學(xué)電源》（專業(yè)課，48學(xué)時(shí)）2門理論課程，與實(shí)踐課程《二級項(xiàng)目化學(xué)電池系統(tǒng)》（72學(xué)時(shí)）、《二級項(xiàng)目超級電容器》（72學(xué)時(shí)）和《電池工程基本制造技能訓(xùn)練》（72學(xué)時(shí)）組成一個(gè)核心課程群?！稇?yīng)用電化學(xué)》提供電化學(xué)基礎(chǔ)理論知識，《化學(xué)電源》課程主要包括化學(xué)電源的基本原理、電池特點(diǎn)、電池材料、電池裝配工藝、電化學(xué)性能測試等內(nèi)容?！稇?yīng)用電化學(xué)》與《化學(xué)電源》在課程群中起到理論支撐的作用，《二級項(xiàng)目超級電容器》、《二級項(xiàng)目化學(xué)電池系統(tǒng)》和《電池工程基本制造技能訓(xùn)練》主要鍛煉學(xué)生動(dòng)手操作能力。該課程群的主要目的是以理論課程的知識和技能解決與課程群相關(guān)的工程實(shí)踐中的具體問題，使得理論教學(xué)與工程實(shí)踐緊密結(jié)合、相互支撐，訓(xùn)練學(xué)生的專業(yè)能力、溝通能力、團(tuán)隊(duì)精神與領(lǐng)導(dǎo)能力。

在實(shí)踐教學(xué)中要突出專業(yè)特色，注重理論與實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合，同時(shí)把二級項(xiàng)目中的一部分理論內(nèi)容調(diào)整到《化學(xué)電源》中進(jìn)行講解，實(shí)踐課程注重提升學(xué)生實(shí)際動(dòng)手能力、團(tuán)隊(duì)合作能力和解決分析問題的能力。在實(shí)踐教學(xué)過程中要不斷的拓寬學(xué)生的知識面和視野，進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)與本專業(yè)相關(guān)的應(yīng)用基礎(chǔ)研究。

3 選取合適的教學(xué)內(nèi)容

教學(xué)中加強(qiáng)學(xué)科前沿知識的介紹，在完成大綱要求的教學(xué)內(nèi)容的同時(shí)，結(jié)合講授內(nèi)容，采取隨堂講授或開設(shè)專題講座的形式，介紹學(xué)科最新最前沿的知識。明確課程教學(xué)內(nèi)容在整個(gè)教學(xué)計(jì)劃中的地位及其與相關(guān)課程或知識點(diǎn)之間的關(guān)系。歸納總結(jié)本課題組相關(guān)科研成果，選擇適合用于學(xué)生二級項(xiàng)目的超級電容器電極材料的制備方法。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步調(diào)研近3年國內(nèi)外發(fā)表的關(guān)于超級電容器的文獻(xiàn)資料，通過分析總結(jié)，遴選出容易制備且性能優(yōu)異的超級電容器電極材料制備方法和器件組裝技術(shù)，例如過渡金屬氧化物材料、導(dǎo)電聚苯胺材料、導(dǎo)電聚吡咯材料、碳納米材料等及其相應(yīng)器件的制作。

4 改進(jìn)教學(xué)模式

二級項(xiàng)目實(shí)踐教學(xué)，鼓勵(lì)學(xué)生充分利用圖書館資源和網(wǎng)絡(luò)資源，了解本學(xué)科的發(fā)展動(dòng)態(tài)，掌握基礎(chǔ)知識應(yīng)用的實(shí)例，進(jìn)一步激發(fā)他們的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性。在教學(xué)過程中提出5～6種不同的超級電容器電極材料，鼓勵(lì)學(xué)生自主查閱文獻(xiàn)，設(shè)計(jì)電極材料的合成路線。通過與指導(dǎo)老師提出的合成路線進(jìn)行分析對比，找出較適合的路線制備方法和器件組裝技術(shù)。例如，目前具有優(yōu)異的循環(huán)壽命的超級電容器材料是碳材料，其中，石墨烯是性能最優(yōu)異的碳電極材料，我們會在二級項(xiàng)目的實(shí)踐教學(xué)中引入石墨烯電極材料的制備、表征及性能測試內(nèi)容。作為商業(yè)超級電容器應(yīng)用最多的碳材料是活性炭，CDIO工程教育核心是培養(yǎng)應(yīng)用型人才，商業(yè)應(yīng)用的電極材料也是二級項(xiàng)目實(shí)踐教學(xué)的主要內(nèi)容之一。石墨烯、活性炭與導(dǎo)電聚合物、金屬氧化物復(fù)合電極材料的制備、表征和性能測試也是該二級項(xiàng)目實(shí)踐教學(xué)的內(nèi)容之一。二級項(xiàng)目的實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容不僅會把最新的前沿科技成果引入課堂教學(xué)，也會把目前企業(yè)實(shí)際應(yīng)用的產(chǎn)品作為典型案例植入課堂教學(xué)，真正做到理論聯(lián)系實(shí)際，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手操作能力和理論分析實(shí)際問題的能力。

5 考核標(biāo)準(zhǔn)

二級項(xiàng)目實(shí)踐教學(xué)突出CDIO工程實(shí)踐教育，注重創(chuàng)新能力、實(shí)踐能力的培養(yǎng)。教學(xué)安排要求3～4位學(xué)生一個(gè)小組，從電極材料的設(shè)計(jì)、合成到材料的表征獨(dú)立完成，將合成的材料組裝成電池，完成電池的性能測試。根據(jù)CDIO標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)考核指標(biāo)，主要考核學(xué)生的專業(yè)能力（包括知識與技能的創(chuàng)新能力）、溝通能力、團(tuán)隊(duì)合作能力與責(zé)任感，根據(jù)其權(quán)重，設(shè)計(jì)各部分的分?jǐn)?shù)值。

6 結(jié)語

二級項(xiàng)目課程的教學(xué)一定要適應(yīng)社會發(fā)展的需求，教師要不斷地改進(jìn)教學(xué)內(nèi)容，總結(jié)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，改革教學(xué)方法，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，注重提升學(xué)生的工程實(shí)踐和創(chuàng)新能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]顧佩華，沈民奮，陸小華（譯）.重新認(rèn)識工程教育-國際CDIO培養(yǎng)模式與方法[M].高等教育出版社.