基于OBE教育理念的材料專業教學改革

金傳玉　徐彩萍　趙利民　尹杰　蒲錫鵬　李偉

摘? 要：在高校各大專業積極參與國家工程專業教育認證的前提下，以新能源材料與器件專業課程鋰離子電池原理與關鍵技術為例，充分貫徹以學生為中心和以成果為導向的教學理念，通過課堂教學模式、授課方式及手段、課程形式、案例分析和個人實踐等多方面，提高大學生深度學習能力、自我學習能力、個人創造力和多學科交叉融合創新能力，并以此為媒介大力培養學生的愛國主義情懷，積極鼓勵大學生投身于建成社會主義現代化強國的偉大事業。

關鍵詞：OBE教育理念；新能源材料與器件專業；鋰離子電池原理與關鍵技術；教學改革；多學科交叉融合創新能力

中圖分類號：G642? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2023）12-0136-04

Abstract： Under the premise that major colleges and universities actively participate in the national engineering professional education certification， the paper takes the new energy materials and devices professional course "Principle and Key Technology of Lithium Ion Battery" as an example， fully implements the student-centered and results-oriented teaching concept. Through the classroom teaching model， teaching methods and means， course forms， case analysis and their own practice and other aspects， it not only improves college students' deep learning ability， self-learning ability， personal creativity and multi-disciplinary innovation ability， but also uses it as a medium to cultivate students' patriotism. College students are actively encouraged to devote themselves to the great cause of building a modern and powerful socialist country.

Keywords： OBE education concept; new energy materials and devices; Lithium-ion Battery Principle and Key Technologies; teaching reform; interdisciplinary integration and innovation ability

新能源材料與器件專業是國家戰略性新興產業新能源、新材料密切相關的專業。為了貫徹“碳達峰、碳中和”目標，面向聊城地方社會經濟主戰場對新能源材料的重大需求，筆者所在的聊城大學材料科學與工程學院（以下簡稱“學院”）在2017年依托于材料科學與工程、材料化學專業長期的積淀與發展，新增設新能源材料與器件專業（以下簡稱“本專業”）。本專業開設的目標是培養具有良好的職業道德、社會責任感和團隊精神，具備堅實的材料科學、化學、物理及電子等學科的交叉知識基礎，系統掌握并熟練運用新能源材料與器件專業相關的基礎理論、工程技術知識和專業技能，具備創新意識和發展潛質，能夠在能源、材料、化工、環境、新能源汽車、通信及電力儲能等領域開展從事科學研究、工程設計、技術開發、生產經營與管理等方面工作的高層次工程技術人才[1]。在眾多新能源器件中，鋰離子電池是規模相對較大、開展較早、技術較成熟的一個重要行業。此外，鋰離子電池相關理論及技術也是其他新型動力電池如鈉離子電池、鉀離子電池、鎂離子電池、鋰硫電池、鋅離子水系電池及超級電容器理論的基礎，故在本專業開設初期，學院就為本專業學生開設了鋰離子電池原理與關鍵技術課程（以下簡稱“本課程”），共36學時。本課程是研究鋰離子電池原理、電極材料結構、性能及兩者之間關系的一門學科，是一門體系完整、發展迅速的理論學科，同時又是一門緊密聯系生產實際的基礎學科。通過本課程的學習，使學生掌握鋰離子電池所包含的基本概念、理論及分析測試方法，為其畢業設計及未來從事新能源材料工作打下理論基礎，并為電極材料的制備、加工、選材、應用、改性及性能測試等提供理論依據，進而指導理論研究及生產實踐。結合鋰離子電池原理與關鍵技術實驗，對學生進行相關基本訓練，培養學生分析問題和解決問題的實際工作能力[2]。本課程早期以單一課程教學形式開展，以教師講為主，學生課后做習題為輔，存在知識講解枯燥乏味、學生上課不積極、理論與實踐結合不密切等問題。近期，筆者所在學院的高分子材料與工程專業成功通過教育部工程教育專業認證，基于成果導向教育（Outcome Based Education，簡稱OBE）這一先進教學理念被重點推廣和應用。為此，筆者總結近幾年的教學改革和實踐，成功將OBE理念引入到該課程的教學實踐中，不僅強調學生的主體地位，更加注重培養學生自主學習與協作學習，強調學生獲得的成果和能力，從而實現了以成果為導向的教學模式。

一? 以有效提問引導學生深度學習

OBE教育理念是一種以成果為目標導向，以學生為本，采用逆向思維的方式進行的課程體系的建設理念，是一種先進的教育理念。在OBE教育模式下，教學過程需要做到以“學生”為中心，以“學習結果產出”為導向，提高教學效率和教學質量，更加注重培養學生的自我探索和自我學習等多方面能力[3]。鋰離子電池原理與關鍵技術課程經過與工程教育專家研討，自我探索和實踐，逐漸形成了基于OBE理念以有效提問引導學生進行自我深度學習的模式。鋰離子電池的基本原理及性能指標是鋰離子電池原理與關鍵技術課程重要內容之一，也是本課程的最基礎內容。早期課程講解主要以示意圖形式陳述鋰離子電池的原理，公式推導模式解析電池性能指標，對于該專業學生，此部分內容陳述較為枯燥，且性能指標部分脫離實際，存在理解困難、概念混淆等問題?；谥悄苁謾C、鋰電池電動自行車等智能設備在大學生中的廣泛普及，我們將平時使用手機、電動車等存在的問題引入到課堂上，例如為什么冬天時，手機、電動車不易充電，且非常不耐用；夏天時，電動車易充電，卻發熱嚴重。在此討論提問過程中，也鼓勵同學們提出自己在平時使用手機、電動車過程中的一些困惑。例如，有些同學就主動提問，快充對手機電池的使用壽命有影響嗎，手機充電過程中可以使用手機嗎，手機、電動車充電過程中著火的原因是什么，采用何種方式滅火等生活常見問題。筆者從鋰離子電池的基本原理及其性能指標角度，理論聯系實際來回答上述一系列問題。既讓學生們能夠掌握鋰離子電池的基本原理及性能指標，又能夠讓學生們感受到所學的專業知識已經滲透到生活中。通過一系列的由淺入深的提問和探討等方式，在課堂上能夠明顯感受到學生對基本原理知識興趣的提升，且能夠立即將所學的知識運用到自己的生活中，達到學習成果滿足學生需求的OBE目標。

通過將OBE理念融入教學課和對學生學習效果分析總結，筆者發現本專業的學生更希望采用目標和課堂教學內容相結合的教學方式，更渴望自己所學的知識能夠在未來工作或者繼續攻讀碩士學位中有所應用。因此，鋰離子電池原理與關鍵技術課程在前期講述基本原理和性能指標的過程中，將更加注重將基本原理等與實際生活、工業化生產和未來科學研究相結合，讓學生清楚地明白所學的理論在未來如何發揮重要的作用，進而激發學生的學習興趣，活躍課堂氣氛。

二? 突破思維定勢，注重培養學生多學科交叉融合創新能力

材料科學與工程是一個多學科領域，涉及物質的性質及其在各個科學和工程領域的應用，而新能源材料與器件專業更是跨能源科學、材料科學和化學等多個學科的多學科交叉專業。在作者多年的本科教學過程中，發現學生困惑于自己所學的專業知識，認為本專業所學的課程多而雜，沒有重點學科。雖然學生按照高中學習模式能夠將每個課程知識牢記心中，但是很難將各學科課程系統地關聯起來。因此，基于OBE理念，在教學過程中突破思維定勢，注意培養學生多學科交叉融合創新能力。

本課程所授大三學生，經過大一、大二的課程學習，基本掌握了大學課程學習的技巧，也能夠將高中學習模式進行改進和提升，已適應了大學課程教學模式。然而，很多大三學生隨著在大學學習新鮮感的消失，很難在課堂上找到學習的興奮點，而課后又很難進行有效的自我練習和復習。隨著課程學習深度加深，學生更是對所學專業存在困難和迷茫，進而對自己未來發展方向充滿了困惑。因此，如何在課堂上將之前所學的專業知識融匯到本課程中，培養學生的多學科交叉融合創新的能力，明晰自我未來發展方向，實現有目標、有追求的自我學習和自我提升?；贠BE理念，筆者注重將之前所學的知識如大學化學、大學物理、物理化學、材料科學與基礎、材料研究測試與方法和電化學等基礎知識通過課堂提問、討論和隨堂測試等方式進行融合教學。

鋰離子電池正極材料、負極材料及電解質材料是本課程的核心內容，早期課堂知識從鋰離子電池電極材料理想特點、常見電極材料的結構、優點及缺點和改性等方面進行課堂講授，早期存在內容過多，層次結構不夠明了、內容枯燥且繁瑣等問題。此外，在備課過程中，筆者也存在著教學量過大、備課雜，學生反映內容感覺很新，有很重要的作用，但是無法獲取關鍵內容等困擾?；贠BE理念，筆者在課堂上由淺入深探討式和對比式的教學方式講述鋰離子電池電極材料的發展及特點，并結合本科所學的內容重點講述學生所學知識在專業課程的作用以及基礎知識在未來工業化生產中的重要地位。以鋰離子電池負極材料為例，將大學物理所學的能量計算公式（W=UIt）羅列出來，鼓勵學生從基本公式出發，探尋鋰離子電池理想負極材料應該有哪些特點；從大學化學、電化學和材料科學與基礎角度出發，探討負極材料結構應該有哪些特點；針對鋰離子電池負極材料儲鋰機制存在多種方式，筆者從材料科學與基礎角度重點闡述嵌入式、轉換式和合金化過程中結構的變化，從而明確各種儲鋰機制的優點和缺點。針對“碳基負極材料存在多種碳結構且結構對碳負極的比容量具有很大影響”這一問題，讓學生們分析何種結構更加有利于鋰離子的傳輸。此外，讓學生基于生物碳結構材料在校園里探尋具有多級結構的碳生物質材料。許多同學特別熱衷于此，有許多新的碳基生物材料被發現，比如蜘蛛網、蜂巢等具有多級結構碳基材料。通過上述教學模式，學生不僅較好掌握了專業知識，而且能夠將所學的基礎知識自我運用到專業課程中，具有較高的自我成就感，提升了學科的認同感、明確了個人的人生目標。

筆者所在的專業近些年考研率一直名列全校前列，且很多繼續攻讀研究生的學生都非常熱衷選擇新能源材料與器件方向并取得較好的科研成果。鋰離子電池原理與關鍵技術課程不僅成為學生的一門專業課程，也是學生們深入了解本專業未來發展方向及規劃個人人生目標的引導課程?；贠BE理念的教學模式正在拉近老師和學生、課程與規劃、知識與研究及個人目標與民族復興的距離，逐漸形成具有特色、課堂內容豐富多彩、層次結構明晰及講授內容突出的新型課堂。

三? 培養學生學以致用、用以促學、學用相長的學習觀和實踐能力

大學學習的特點在于實踐，如果只是知道而不去做，那么學與不學就沒有什么區別了。學習，就要聯系實際學，帶著問題學，把研究解決問題作為學習的著眼點、落腳點，決不能坐而論道空對空。鋰離子電池原理與關鍵技術課程在教學過程中，附有36學時專業實驗課。學生實地進入離子電池實驗室，親身進行鋰離子電池正極、負極電極材料的制備，電極制作，電池組裝與測試和電池性能分析等實驗環節，鍛煉了學生的實踐能力，激發學生對課程的興趣。

在專業實驗過程中，學生們不僅能夠將專業的知識應用到實驗中，而且能夠在實驗過程中提出新問題，并與老師探討相關問題的知識點。例如，在鋰離子電池碳基負極材料的制備過程中，筆者給予學生充分的自由選擇空間，從校園和生活中探尋各種碳基材料，很多同學特別熱衷于在生活中觀察細微的生物質結構材料，提供了如蒲公英、具有高黏性的榆樹皮、具有較高蓬松性的洗面紙巾等。將上述生物質碳基材料經過煅燒后直接讓學生制備鋰離子電池負極材料，并測試相關電化學性能，學生熱情高漲，認真實驗，對制備電池的比容量和循環性能一比高下。通過專業知識陳述“為什么不同的碳基材料其比容量和循環穩定性不同”，從而將專業知識應用到實驗課程中，而在實驗課程中，又發現原始的生物源材料如蒲公英、榆樹皮，其制備的碳材料性能低于洗面紙巾等二次生物質材料，學生自主提出問題，老師與學生一起運用材料基本知識做出應答。

筆者在教授課程和其相關實驗的過程中，充分調動學生的科研積極性。聊城大學和學院也通過大學生創新大賽的形式給予了高度的支持和評價。學生在本科階段積極參與老師的課題項目，已經涌現出一大批本科階段既可以掌握新能源材料與器件相關專業實驗，又能夠獨立操作實驗設備和對相關項目進行深入的研究。近些年，本專業每年以本科生為第一作者的英文論文發表數量均在5～7篇，已經建立起了“導師+研究生+本科生”的人才培養模式。此外，本科生在專業知識的學習過程中，對于本專業的專業實驗及專業術語具有了較深入地理解，而且培養起了其自身處理數據、分析數據和談論的能力，本科生畢業論文有了明顯的提高。筆者在大三期間重點培育了多位學生，經過細心地指導，學生基本具有了準研究生學術研究的能力，在英文SCI二區雜志上發表論文4篇，取得了可喜的成績。本科階段培養的實驗技能和科研創新能力，對于本科生未來無論是從事相關工作，還是繼續讀研，均具有重要的意義[4]。

基于OBE理念的教學模式大大激發了學生的創新意識，也增強了學生的創造能力，通過課程基本原理的學習，結合生活中的靈感發現，可以激發出學生觀察能力、分析能力和思考能力，真正將課上內容與實際生活相結合，使得課本上的知識不再是高高在上的理論。真正做到從書本中來，尋找生活中靈感，到科研中驗證的OBE教學理念。

四? 基于OBE理念傳承初心使命，弘揚愛國情懷

隨著碳中和目標的快速推進和新能源產業的大力發展，全球能源結構正面臨著重大變革。儲能系統作為能量存儲及轉化設備，成為支撐能源革命的關鍵技術之一。鋰離子電池作為技術最成熟、使用最廣泛的一類儲能系統，在能量密度、功率密度及成本等問題上面臨著新的挑戰。新能源材料與器件專業在未來必將扛起中華民族偉大復興的能源大旗。培養相關專業人才，不僅要培養學生優異的專業技能，還需樹立其正確的人生觀和價值觀。筆者在授課過程中，從鋰離子電池的發展歷程、2019年諾貝爾化學獎及我國鋰離子電池近期的高速發展等角度出發，向學生們闡述我國企業家在黨和國家領導人的關心和關懷下，在國家資金和規劃的支持下，如何從零起步，趕超國外先進鋰電生產商的艱辛歷程。通過上述歷程的交流，培養學生們分國家所憂，投身社會主要現代化建設中，特別是新能源相關領域中，解國家所難的愛國主義情懷。在鋰離子電池正極材料、負極材料及電解質材料的理論知識講解中，重點向學生們講解國家的大政方針政策，如國家的“十四五”規劃；講述老一輩的科研工作者們心系國家，無私奉獻的家國情懷；描述我國當代青年科學家在國家的大力支持下，不斷努力，突破創新，解決一個又一個新能源領域的科學難題，勇攀科研界的一座又一座高峰，爭相將五星紅旗插在科研的高地上。

五? 基于OBE理念構建專業學習成果評價體系

OBE的理念是反向設計、正向實施，即預設課程目標后，修訂教學大綱，整合課程內容，通過各種教學手段、教學方法完成教學，在學生學習結束后，對學生的學習成果進行評價，明確課程是否達到了預設目標?！耙詫W生為中心，以成果為導向、持續改進”是構建專業學習成果評價體系的基本原則。在評價體系中既要考慮學生的自我評價和老師的評價，又需要與預設的學習成果進行對比評估，在學與教的過程中不斷自我改進，以實現設定的成果目標。因此，需要構建多元化的專業學習成果評估體系來調動學生在學習過程中的積極性、主動性和自主性，又需要將考核性指標即成果為導向，不斷地反饋教學及學習成果[5]。

筆者在教學過程中，基于OBE理念，制定了一系列的考核與評估體系。針對教學過程中的成果評估，采用了課堂小組討論、小組辯論、研究進展展示、課堂研究思維導論設計、最新科學進展簡述及實驗方案設計比賽等多種形式進行過程考核，注重發現學生的特長，培訓學生的創新成果，綜合評價學生學習成果。期末考試更是注重考核學生學習方法、學習思維、學習能力和各種創新性等能力。

伴隨著智能化設備在大學生中的普及，特別是近期慕課、微課和虛擬課堂等新型教育網絡媒體的興起，課堂已經不再是單純地講解公式、學生跟隨著老師思維進行學習的地方。本課程課堂教學更是樹立了“以學生為中心”的理念，實施“以結果為導向”的教育，打造持續改進的教學文化。中國大學的核心理念是要解決“培養什么人，如何培養人”的問題。因此，高校教師更應順應時代潮流，竭盡全力為國家培養德智體美勞全面發展的新時代社會主義建設者和接班人。

六? 結束語

綜上所述，在OBE理念的指導下，實施“以學生為中心”的教學，聚焦于學生受教育后獲得什么能力和能夠做什么的培養模式，一切的教育活動、教育過程和課程的設置都是圍繞實現預期的學習結果。通過課堂教學模式、授課方式及手段、課程形式、案例分析和自身實踐等多方面的探討，其對學生綜合素質的培養和個人創新能力的提升具有巨大的貢獻。本課程不僅將與鋰離子電池相關的專業知識授予學生，而且以此為媒介大力培育學生的愛國主義情懷，積極鼓勵大學生投身于建成社會主義現代化強國的偉大事業中。

參考文獻：

[1] 鐘海長，賴貴文，吳麗芬.新能源材料與器件專業課程體系探索[J].大學教育，2020（3）：61-63.

[2] 黃勇，吳益霜，劉沙沙，等.新能源科學與工程專業人才培養方案再思考[J].廣東化工，2020（47）：155-156.

[3] 馬建民.基于成果導向教育理念的工程專業教學改革[J].教育教學論壇，2021（7）：61-64.

[4] XU C P， JIN C Y， WANG X Y， et al. Structured confinement effects of hierarchical V2O5 cathodes to suppress flow of molten salt in high specific energy thermal batteries with binder-free MgO[J]. Electrochimica Acta， 2022（401）：139496.

[5] 蘇芃，李曼麗.基于OBE理念，構建通識教育課程教學與評估體系——以清華大學為例[J].高等工程教育研究，2018（2）：129-135.

基金項目：2019年國家自然基金青年基金項目“熱電池正極材料表面重構柔性中空碳泡層抑制界面鈍化層形成機制研究”（51904148）；2021年山東省本科教學改革研究面上項目“工程教育專業認證背景下材料類專業應用型人才培養模式研究”（M2021115）；2019年山東省自然基金項目“長壽命熱電池用納微結構NiS2/C正極材料的高熱穩定性研究”（ZR2019PEE035）；2020年聊城大學教改項目“基于智慧教學工具構建電化學理論與實驗深度融合的線上線下混合式教學模式”（無編號）

第一作者簡介：金傳玉（1989-），男，漢族，山東臨沂人，博士，講師。研究方向為熱電池。

*通信作者：李偉（1981-），男，漢族，山東聊城人，博士，教授。研究方向為功能陶瓷材料。