李美颜 吕强

青海大学新能源光伏产业研究中心 西宁 810016

0 引言

随着“碳中和”“碳达峰”理念的提出，新能源产业规模不断扩大和行业比重持续增加，对新能源人才需求不断上升，使得新能源材料与器件专业人才培养显得尤为重要，各高校在人才培养质量和教学质量方面需不断提高[1-2]。电化学储能技术是实现 “碳中和”的重要支撑。锂离子电池储能是电化学储能的主要部分。锂离子电池的生产制备与充放电性能测试是新能源材料与器件专业实验实践教学的重要组成部分，不仅可以让学生了解产业前沿，拓宽学生知识面，提升学生动手能力，还可以促进产业—教学—研究结合，提高企业对学生认可度和专业度[3-4]。圆柱锂离子电池（简称“圆柱电池”）是工业生产锂离子电池的重要产业支柱之一，将圆柱电池的生产制备与充放电性能测试引入大学生的实验实践教学，是将企业生产与人才培养相结合的关键，是培养高质量、高素质创新型人才必不可少的环节。然而圆柱电池在生产制备过程中存在着使用仪器设备数多、耗材多、危险系数高等问题，使得将圆柱电池实验项目融入高校实验实践教学较为困难[5]。同时，为深入贯彻习近平总书记关于教育的重要论述和全国教育大会精神，落实新时代全国高校本科教育工作会议精神，各大高校统筹规划践行课程改革，打造精品课程的理念，实验课程改革刻不容缓[6-8]。

虚拟仿真实验是将传统实验教学无法实现或完成的实验环节和实验项目通过信息化手段展现出来，以实现教育资源共享的一种课程教学形式[9-10]。圆柱电池传统生产制备工艺与虚拟仿真实验相结合，实现了线上+线下、虚实结合的教学模式，是传统实验教学改革的一种创新方式，有利于提高传统实验教学质量，丰富实验教学环节，提高学生学习的主动性和积极性，提高学生对知识的了解和掌握，并将知识与实践相结合，提高学生的动手能力，让学生提前了解和掌握新能源企业生产圆柱电池的方法步骤、流程和相应的技术，进一步促进产业—教学—研究的相融合。

1 圆柱电池传统生产制备工艺实验教学现状

圆柱电池作为动力电池中常见的一种锂离子电池，具有容量高、重量轻、寿命长等特点，广泛应用在工业生产中[11]。将圆柱电池生产制备融入新能源材料与器件专业本科实验教学，促进本科实验教学内容的丰富和多样化，提高学生动手和创新能力，也是产业—教学—研究相结合的体现。但圆柱电池生产制备在本科生人才培养过程中仍面临着许多问题，如实验设备缺少、本科生人数多、实验场地小、教学时间少等，这些问题导致实验教学质量和效果不理想，从而导致产业—教学—研究的效果不理想。

1.1 课堂实验教学的局限性

传统的课堂实验教学虽能让学生亲自动手操作，亲身体验每个实验教学环节，但是传统实验教学仍存在一定的局限性，课程学时数、实验室场地、学生人数等限制使一些操作复杂、步骤繁多的实验项目很难充分展现实验教学的效果。圆柱电池生产制备工艺涉及正负极浆料制备、极片涂布、极片辊压、极片分条、极耳焊接、卷绕等一系列步骤，如图1 所示。

图1 圆柱电池生产制备工艺流程

生产制备一个完整的圆柱电池将耗费学生大量的时间，时间将超过本科生课程教学安排课时数。以18650 型磷酸铁锂/石墨体系的圆柱电池生产制备为例，按照制备100 mL 流动性好、混合均匀的浆料，单台真空搅拌机在真空搅拌过程中需要耗费15 小时，制备正负极片浆料需耗费30 个小时。因此，圆柱电池生产制备在本科实验教学中受到时间的影响较为突出。圆柱电池在生产制备过程中一条完整的生产线需要涉及16台左右不同的仪器设备，每台仪器设备只能由一人操作，限制了学生动手操作实践环节的充分开展。随着本科生招生规模不断扩大，实验教学过程中的单台仪器设备很难保证每个学生都有机会动手操作。而且，在圆柱电池生产制备过程中，用到电解液危化品，在学生人数多、实验教学场地有限的情况下，很难保证学生在操作过程中均能按照教师要求进行，有些步骤存在一定的安全隐患，如在圆柱电池中注入电解液时可能会发生电解液外漏、电池短路以及局部热量过大等，都会影响实验安全正常地进行，即使耗费大量的师资和时间做重复性的教学实验，也很难保证教学质量和效果。

1.2 实验考核评价的局限性

圆柱电池生产制备工艺在实验教学过程中存在着一定的考核评价的局限性，如实验教学内容单一、考核方式单一等。圆柱电池生产制备工艺繁杂，在实验教学中很难改变实验条件进行多个重复实验，使得实验教学内容较为单一，很难提高学生的动手能力。探索性实验在圆柱电池生产制备实验项目中很难开展，学生只能按照规定的实验条件和实验步骤进行，无法进行实验教学的改革和创新，无法开发创新思维以及提高创造性。圆柱电池生产制备工艺耗时长、工艺繁杂，教师按照教学大纲完成教学任务，再按照实验预习报告、实验报告和实际操作三方面对学生的成绩进行评价，这使得评价体系单一。实际操作方面由于受到仪器设备台套数限制，成绩上许多只能由教师客观打分，并不能真正反映学生的真实水平，对学生的热情和求知心理造成了一定的负面影响。传统的圆柱电池生产制备工艺实验在实验考核评价方面存在着一定的局限性，实验教学亟须改革，融合其他新元素和新技术，以提升实验教学质量和人才质量。

2 虚拟仿真实验教学与传统实验教学相融合

新工科背景下，社会对技术型创新型人才的需求也不断增加。传统实验教学技术在培养技术型人才和创新型人才方面面临着一些不利因素，如传统实验教学模式单一、教学内容单一以及实验教学过程中不能多维度教学等。虚拟仿真实验教学是借助信息化技术手段将一些传统实验教学难以实现的实验过程和操作进行再现。通过在传统实验教学中引入虚拟仿真实验，将传统与科学相融合，有利于拓宽实验教学的高度和广度，不仅可以降低因购置和维护大量仪器设备所需要投入的费用，还可以避免资源闲置，让学生能够有更多机会接触到不同的实验教学条件环境和教学方式方法。虚拟仿真实验的应用打破了传统实验教学在空间和时间上的限制，实现线上教学，充分展示了虚拟仿真实验教学在新时代新工科背景下的优势，丰富实验教学内容环节，促进实验教学质量的再提升，为培养创新型人才和技术型人才提供了一定的保证。

虚拟仿真实验教学与传统实验教学的相融合体现了“虚实结合，以虚补实”原则[12]，是高校实验教学改革的一种创新手段。在传统实验教学条件下，通过虚拟仿真实验教学提高学生的动手能力，拓宽学生的知识面，以逼真的模拟场景还原真实的实验教学条件，可满足学生的实验操作条件，激发学生的兴趣爱好，提高学生理论知识与实践相结合能力，让学生掌握更多在传统实验教学上所不能接触到的技术和知识，丰富学生的经验和阅历，有利于激发学生的求知欲与动手能力。面对购买和维护费用昂贵的大型仪器教学和高危险性、耗时长、实验步骤繁杂的传统实验教学引入虚拟仿真实验教学，可避免学生在实验过程中对仪器所造成的损坏，降低实验教学的师资投入，也可避免实验教学事故发生，保证师生的安全。将虚拟仿真实验教学与传统实验教学相结合，为构建良好安全稳定的实验教学环境提供了可靠的保证，为提高实验教学质量和人才培养质量奠定了坚实的基础。

3 虚拟仿真实验在圆柱电池生产制备工艺实验教学项目中的应用

随着能源发展，新能源产业在行业中比重日趋扩大，新能源产业技术型人才和创新型人才的培养也至关重要。在高校新能源材料与器件专业引入圆柱动力电池的生产制备生产线，将有利于提高专业培养人才质量，提高学生的实践能力和创新创造能力，拓宽学生的就业方向，提高本科生的就业水平，使得学生更加容易获得企业的认可。但圆柱电池制备生产线受到时间、耗材和原料、场地等限制，很难实现学生都动手操作。将圆柱电池生产制备工艺通过虚拟仿真实验再现，学生可根据自身学习安排进行实验预习，提前了解圆柱电池制备生产操作步骤和环节，降低圆柱电池制备过程中材料的浪费和操作失误，提高圆柱电池制备效率，让学生更加完整地接触到新能源产业圆柱电池的生产制备与充放电性能测试技术，掌握新能源企业生产圆柱电池的产业链，为新能源企业的发展培养优质人才，充分发挥产业—教学—研究的重要作用。

本文所采用的虚拟仿真平台为福建师范大学物理与能源学院虚拟仿真实训中的锂离子电池生产关键技术虚拟仿真项目平台，主要模拟18650 圆柱电池2 200 mAh 的钴酸锂/石墨体系、2 200 mAh 的三元—石墨体系和1 400 mAh 磷酸铁锂/石墨体系的生产制备与充放电性能测试。圆柱电池生产制备虚拟仿真实验的项目设计包括准备实验、实验预习、预习小测、仿真练习、仿真实验、实验报告六个模块。实验预习和预习小测通过答题模式检验学生预习、理论结合实际情况。学生通过仿真练习自主实现配方的配置和浆料制备等一系列操作，改变实验条件，实现实验教学的多元化发展，让学生不断尝试，有利于激发学生的积极性和创造性，让学生在课堂上发散思维，动脑思考，动手体验。实验条件的改变，可使得实验课堂由枯燥无味变得生动有趣，学生在自主学习的环境中更有利于将理论知识转化为实践操作。通过仿真实验检测学生在实验预习、预习小测和仿真练习上的学习效果，检验学生掌握和运用的情况。

在新能源材料与器件专业中引入圆柱电池生产制备虚拟仿真实验，有利于将产业化生产圆柱动力电池生产线应用在高校的实验实践环节，提升学生的见识，锻炼学生的动手能力，最大限度地将产业与科研反哺教学，将有限的资源最大化地服务于学生，提供可靠、安全、便捷的信息化技术支撑，以促进圆柱电池生产制备虚拟仿真实验与传统实验教学的最大程度结合，丰富学生课堂知识，拓宽学生学识和眼界，提升新能源材料与器件专业实验实践教学质量。

4 结束语

新工科背景下，将虚拟仿真实验与传统实验教学有机结合有助于产业—教学—研究结合，促进实验教学改革，提升教学改革质量，优化人才培养质量和体系。在传统实验教学基础上，融合虚拟仿真实验，促使实验课堂多元化发展，丰富实验教学内容和教学手段。在全球环境纷繁复杂的大背景下，虚拟仿真实验有利于突破实验时间、场地、耗材等实验课程的限制，圆柱电池生产制备虚拟仿真实验在传统实验教学上的应用，将实现产学研协同育人，提高实验教学质量，培养创新型技术型人才，为企业培养高质量人才奠定了坚实基础。