新能源材料與器件專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程設(shè)置探討

周 瑩，謝 娟，張 騫，武元鵬，莊 稼

（西南石油大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610500）

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，能源和環(huán)境問題成為關(guān)系國民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的突出問題，引起了國際社會(huì)的普遍關(guān)注，新能源材料與器件成為了關(guān)乎國家發(fā)展和安全的戰(zhàn)略性問題［1－3］。為此，2010年，教育部批準(zhǔn)在全國15所高校設(shè)置“新能源材料與器件”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)專業(yè)，我校以良好的能源學(xué)科建設(shè)和科學(xué)研究為依托，成功申報(bào)獲批建設(shè)全國首批新能源材料與器件本科新專業(yè)。由于我國專門的新能源專業(yè)開設(shè)較晚，新能源材料與器件專業(yè)的建設(shè)正處于起步階段，尚無現(xiàn)成經(jīng)驗(yàn)可以借鑒［4］，雖然已分別于2011年和2012年在華東理工大學(xué)、西南石油大學(xué)、華北電力大學(xué)召開了3次全國新能源材料與器件專業(yè)建設(shè)研討會(huì)，深入探討了該專業(yè)的培養(yǎng)方案、課程設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)課程建設(shè)等，但是由于各高校尚未完整培養(yǎng)出新能源材料與器件專業(yè)的首屆應(yīng)屆畢業(yè)生，在專業(yè)建設(shè)的實(shí)踐過程中仍有許多值得研究和探討的問題。本文結(jié)合西南石油大學(xué)3年來在新能源材料與器件專業(yè)建設(shè)方面的經(jīng)驗(yàn)和積累，圍繞實(shí)驗(yàn)課程設(shè)置進(jìn)行探討。

1 新能源材料與器件的課程體系

西南石油大學(xué)是新中國創(chuàng)建的第2所石油本科院校，建有油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，在石油天然氣等傳統(tǒng)能源領(lǐng)域優(yōu)勢突出、特色鮮明，在國家加快對(duì)新能源的開發(fā)和利用的背景下，結(jié)合國家和四川省中長期科技發(fā)展規(guī)劃和能源戰(zhàn)略，我校于2010年成立了新能源研究中心，并開始建設(shè)新能源材料與器件專業(yè)。我校高度重視新能源材料與器件專業(yè)及相關(guān)學(xué)科發(fā)展，大力支持該專業(yè)建設(shè)，并從全校2010級(jí)理工科學(xué)生中選拔了30名優(yōu)秀學(xué)生作為新能源材料與器件專業(yè)的首批學(xué)生。經(jīng)過3年的專業(yè)建設(shè)，已逐步完善了該專業(yè)的培養(yǎng)方案、課程設(shè)計(jì)、教學(xué)大綱等。課程體系設(shè)置突出厚基礎(chǔ)、寬口徑的思想，反映特色和適應(yīng)國民經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需要等原則，重視工程實(shí)踐和科學(xué)創(chuàng)新思維的培養(yǎng)［5］。

新能源材料與器件相對(duì)于傳統(tǒng)的材料科學(xué)與工程一級(jí)學(xué)科目錄下的材料類專業(yè)有其自身鮮明的特點(diǎn)，特別是如何處理和平衡材料與器件的關(guān)系成為課程體系設(shè)置的難點(diǎn)。我校在課程體系設(shè)置方面，注重夯實(shí)學(xué)生的化學(xué)、物理、材料基礎(chǔ)，提出建設(shè)能量轉(zhuǎn)換材料與器件，儲(chǔ)能材料與器件2門核心課程，其中《能量轉(zhuǎn)換材料與器件》已于今年被科學(xué)出版社作為“十二五”規(guī)劃教材出版，具體的課程體系如圖1所示。因此，我們?cè)谡n程設(shè)置上并不突出和強(qiáng)調(diào)單一的材料和器件，而是以能量的轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)存為核心，建設(shè)能量儲(chǔ)存和能量轉(zhuǎn)換課程模塊。以能量儲(chǔ)存模塊為例，學(xué)生在學(xué)習(xí)材料物理化學(xué)、無機(jī)及分析化學(xué)、應(yīng)用電化學(xué)等基礎(chǔ)課程的基礎(chǔ)上，以儲(chǔ)能材料與器件為橋梁（見圖1），在此基礎(chǔ)上學(xué)生可根據(jù)自己的興趣選擇相應(yīng)的側(cè)重器件和工藝方面的選修課程，在工程實(shí)踐過程中，鞏固所修的專業(yè)知識(shí)。

圖1 新能源材料與器件專業(yè)課程體系

2 新能源材料與器件實(shí)驗(yàn)課程的設(shè)置

根據(jù)已構(gòu)建的專業(yè)課程體系，在實(shí)驗(yàn)課程設(shè)置上也是以能量的轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)存為核心，在強(qiáng)調(diào)與材料科學(xué)相關(guān)的物理、化學(xué)知識(shí)的基礎(chǔ)上［6］，注重提高學(xué)生在器件方面的設(shè)計(jì)和動(dòng)手能力。圍繞上述培養(yǎng)目標(biāo)制定了具有專業(yè)特色的實(shí)踐教學(xué)體系，包括專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)和工程實(shí)踐3個(gè)層次［7－8］，見圖2。

（1）專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)。現(xiàn)階段主要包括電化學(xué)和光電化學(xué)測試實(shí)驗(yàn)，一方面因?yàn)檫@是能量轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)存的基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)，另一方面可有效銜接前期學(xué)過的應(yīng)用電化學(xué)、半導(dǎo)體物理等課程，有助于在提高學(xué)生動(dòng)手能力的同時(shí)，溫習(xí)和鞏固理論知識(shí)［9］。

（2）專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)。主要是在專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，使學(xué)生對(duì)部分新能源材料的制備、表征以及器件的組裝和性能測試有初步的了解和認(rèn)識(shí)［10］，形成材料研究的意識(shí)和具備初步參與材料與器件研究的能力。目前專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)置了染料敏化太陽能電池組裝與測試，鋰電池電極材料的制備及性能表征，可見光光催化材料的制備及催化性能測試和薄膜太陽能電池的制備及性能4個(gè)模塊（見圖2）。這主要是在兼顧能量轉(zhuǎn)換與儲(chǔ)存、材料與器件的基礎(chǔ)上，根據(jù)現(xiàn)有師資隊(duì)伍的研究方向和內(nèi)容選定的。這一方面有利于打破實(shí)驗(yàn)內(nèi)容陳舊不能與最新研究成果銜接的問題［11］。以筆者學(xué)習(xí)工作過的瑞士蘇黎世大學(xué)為例，為本科高年級(jí)學(xué)生開設(shè)的化學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)課，每年并無固定的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，而是由各個(gè)研究課題組根據(jù)自身的研究進(jìn)展，擬定相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)課題和內(nèi)容，有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和創(chuàng)新思維。另一方面有利于將實(shí)驗(yàn)教學(xué)和科研資源進(jìn)行有機(jī)的整合。我校在2000年就開設(shè)了針對(duì)本科生的開放實(shí)驗(yàn)基金，自2012年起，在企業(yè)的資助下，材料學(xué)院每年出資20萬元用于設(shè)置本科生創(chuàng)新基金，因此，可以很好地將本科生開放實(shí)驗(yàn)融入到專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)中［12］。目前已有本專業(yè)學(xué)生申報(bào)的項(xiàng)目得到國家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃資助，并在四川省第十二屆“挑戰(zhàn)杯”大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽中獲獎(jiǎng)。

圖2 新能源材料與器件專業(yè)實(shí)踐教學(xué)體系圖

（3）工程實(shí)踐。這一階段主要通過課程設(shè)計(jì)和生產(chǎn)實(shí)習(xí)培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力，并已規(guī)劃了“風(fēng)－光轉(zhuǎn)換一體”和“光伏器件生產(chǎn)”2個(gè)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，通過實(shí)訓(xùn)平臺(tái)促進(jìn)校企合作實(shí)驗(yàn)基地的建設(shè)。此外，學(xué)生在經(jīng)過專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)及開放基金的訓(xùn)練后，具備了查找資料的能力［13］，為畢業(yè)論文的選題、文獻(xiàn)綜述和實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)做好了準(zhǔn)備。如果能把專業(yè)實(shí)驗(yàn)、開放基金和畢業(yè)設(shè)計(jì)有機(jī)地結(jié)合起來，非常有利于學(xué)生進(jìn)行系統(tǒng)的科學(xué)鍛煉，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維，增強(qiáng)學(xué)生文獻(xiàn)調(diào)研、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)操作及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析等綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>

3 存在的主要問題和建議

經(jīng)過3年專業(yè)建設(shè)，發(fā)現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)課程設(shè)置和建設(shè)上也存在一些問題：

（1）專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)過于偏重于電化學(xué)。這主要是受現(xiàn)有的儀器設(shè)備所限，在后期的建設(shè)中將增加半導(dǎo)體物理性能相關(guān)的測試實(shí)驗(yàn)，并且建議在專業(yè)基礎(chǔ)課程中，除了半導(dǎo)體物理外，還應(yīng)當(dāng)增設(shè)半導(dǎo)體工藝學(xué)，增強(qiáng)學(xué)生在器件設(shè)計(jì)和工藝方面的理論知識(shí)。

（2）實(shí)訓(xùn)平臺(tái)尚未建立。由于專業(yè)建設(shè)時(shí)間短，規(guī)劃的實(shí)訓(xùn)平臺(tái)尚未能建立，在現(xiàn)有條件下，建議建設(shè)新能源材料與器件虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可以打破實(shí)體實(shí)驗(yàn)資源局限，共享優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源，有效降低教學(xué)設(shè)備成本［14］。

（3）實(shí)習(xí)基地建設(shè)困難。當(dāng)前新能源行業(yè)面臨很多挑戰(zhàn)，特別是去年美國和歐洲對(duì)中國光伏企業(yè)征收高額的反傾銷稅以來，加劇了行業(yè)的困難，一批企業(yè)面臨停產(chǎn)甚至倒閉的風(fēng)險(xiǎn)，這為建立合適的實(shí)習(xí)基地帶來了很大困難。如果實(shí)習(xí)企業(yè)選擇不當(dāng)，將嚴(yán)重影響學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和積極性。

4 結(jié)束語

為了培養(yǎng)出國家和地方急需的新能源材料與器件專業(yè)技術(shù)人才，西南石油大學(xué)依據(jù)學(xué)校發(fā)展定位和“十二五”規(guī)劃加快了新能源相關(guān)專業(yè)及學(xué)科的建設(shè)，在3年的新專業(yè)建設(shè)中，圍繞能量轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)存初步建立了階梯式的3層實(shí)驗(yàn)體系，加強(qiáng)學(xué)生工程實(shí)踐，致力于培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立思考能力和創(chuàng)新意識(shí)，為國內(nèi)開設(shè)同類專業(yè)的高校提供了可參考的實(shí)驗(yàn)課程設(shè)置體系。

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