新能源材料專業互聯網實驗課程改革探索

張蕾　王曉剛　劉清華　段曉波　華小虎　陸樹河　樊子民　鄧麗榮

摘要：新能源材料作為新興產業，其發展需要大批專業人才，而國內新能源材料專業剛剛起步，實驗課程體系設置及設備都尚未跟進，互聯網實驗室可以根據建設背景與學科特點建設與之相適應的實驗平臺，本文在現有新能源材料實驗室基礎上，通過互聯網的加入對新能源材料專業的實驗教學體系建設進行探討。

關鍵詞：互聯網；新能源材料；實驗課程

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）12-0247-02

一、引言

隨著信息技術，互聯網+時代的到來，傳統意義上的大學功能被部分取代，而實驗課程體系作為傳統大學教育中不可或缺的部分，在此背景下也受到了很大的沖擊。既然如此，實驗課程如何重新定位自己的未來發展方向并且重新審視自己在大學教育中的價值所在？其次，實驗課程體系如何適應及更好地應用互聯網模式來實現更大的價值呢？在互聯網模式引導下，應用互聯網技術，新一代實驗室和實訓基地在此背景下因用而生，并通過新專業、新方向等形式的設置，實現專業領域的拓展，培養更貼近社會需求的大學生，從而促進大學的長遠發展。

全球經濟發展引起一系列資源環境問題[1]，石油危機、環境污染和溫室效應等已成為現階段制約經濟社會發展的主要因素。面臨如此嚴峻的挑戰，世界各國紛紛進行新能源、節能技術及環境技術的綜合高效開發和利用，以期實現可持續發展，因此，新能源材料作為新興的課程體系，在互聯網+的模式下必將引起更大關注。

目前，新能源材料課程體系的建設正處于起步階段，作為一個多學科交叉專業，其建設并無現成經驗可以借鑒，必須經過認真的研討和長遠的規劃。本文圍繞新能源專業實驗課程體系，結合互聯網+模式探討其實驗教學的發展方向。

二、新能源材料互聯網實驗室的教學目標

自上世紀90年代起，世界各地一些具有前瞻性的名校校長就開始探索信息技術與教學的融合，如早在2001年由麻省理工學院啟動的OCW（Open Course Ware）網絡開放課程，就計劃10年內把MIT所有的課程內容放到網上，供全世界所有的人免費使用。MIT前校長維斯特（Charles Vest）作為該項目的倡導者和實施者，希望能推動課程資源的共建共享，促進教授之間的相互學習與合作，創造一個全新的學習時空。緊跟其后的“媒體聯合體”是由詹姆斯·杜德斯達特（James Duderstadt）在擔任美國密歇根大學校長時推動和實施的一項研究型大學創新發展實驗。它通過把所有的信息技術集成在一個物理空間，從而創造一個“全數字化”（all-digital）的環境，為研究型大學日益增長的跨學科學習與研究活動提供了一個統一且通用的平臺。

在此背景下，網絡實驗室應運而生。銳捷網絡早在2004年就在業內首次提出了高校網絡實驗室方案的理念。網聯網的出現，解決了高新技術的實驗難以獨立操作及展示的問題，同時通過互聯網的加入，建成新型的開放實驗室，在實驗內容做到開放性的同時還可以實現實驗方式的開放性。在實驗室中，教師和學生可以根據自己的需要來設計實驗內容，同時可以隨時隨地通過遠程登陸的方式進行預約和做網絡實驗。這種新型的互聯網實驗室一般由客戶端、網頁服務器端、應用服務器端及實驗儀器設備四部分組成。網頁服務器主要作用是提供Web接入服務、用戶認證管理、開放式交互實驗環境以及網頁的生成；應用服務器主要作用是控制和管理實驗儀器、采集和處理實驗數據，學習過程中學生只需登錄瀏覽器即可通過互聯網訪問網絡虛擬實驗室，進行實驗。

實時測量過程中，通過儀器共享、遠程控制來完成實驗過程。學生在進入實時測量模塊之前，通過一個多媒體輔助模塊來實現實驗平臺界面的虛擬呈現，檢驗學生的預習程度，讓學生預先了解實驗內容，熟悉具體的實驗步驟；然后通過測量模塊，實現本地實驗數據的采集，根據學生的課程安排進行分析、存儲以及顯示，完成實驗過程。

這種新型的互聯網實驗室有三種實現模式：（1）軟件共享網絡虛擬實驗室：僅通過模擬軟件平臺，接受學生或教師發送的實驗請求，分析和處理實驗參數，經過計算模擬最終將結果返回。整個測試過程不涉及具體的實驗儀器硬件設備，利用軟件模擬即可完成。（2）儀器共享網絡虛擬實驗室：服務端接收學生或老師的實驗請求，使用實驗參數與相應的實驗儀器硬件設備相配置，實驗后將實驗結果返回，實現實驗儀器及實驗數據的共享。（3）遠程控制網絡虛擬實驗室：與儀器共享網絡虛擬實驗室最大的區別在于可以實現客戶端對實驗儀器設備的遠程控制。

通過互聯網實驗室的建立可以實現對實驗室的高效管理，學生可實現在不同功能的實驗臺之間輕松切換，教師在教師機上即可登陸到學生實驗的設備上，指導、檢查學生實驗的過程和結果，可以輕松管理多組實驗；不僅如此，互聯網實驗室也是安全管理的實驗室，由于網絡實驗被局限在實驗臺內，任何兩組實驗設備之間沒有網絡連接，實驗過程互不干擾，實驗結果清晰可信。

三、新能源材料互聯網實驗室的發展方向

西安科技大學新能源材料方向立足于當地新材料產業技術落后、能源資源浪費大、污染大、裝備水平低的現狀，旨在解決技術水平落后，專業技術人員不足等問題，推進研發成果產品化、工程化和產業化，形成能源材料專門人才培養基地。目前主要開展多晶硅、多晶薄膜、太陽能光熱轉換儲運器材料、電極材料、負極材料、電熱轉換陶瓷以及低載能工業硅、單/多晶碳化硅和金屬鎂材料等新能源新材料方面的研究和開發已初具規模，在師資、實驗室建設等方面都積累了一定的基礎。

與傳統的材料專業相比，新能源材料專業教學內容更為抽象，新能源材料與器件專業與以往的工程類材料專業相比，更強調與材料科學相關的物理、化學基礎，學生將接受更為嚴格和堅實的基礎理論教育和實驗技能訓練[2，3]。其中實驗部分主要由基礎實驗、專業基礎實驗、專業實驗和科學訓練、創新實驗等多部分組成，從而培養學生的實驗設計、實驗操作、實驗結果分析等綜合實驗能力。其中基礎實驗主要包括大學物理實驗、基礎化學實驗等，讓學生通過接觸多學科、綜合性的知識和技能，理解基礎理論知識，掌握基本的實驗操作技能，這部分實驗在傳統的實驗室即可完成。而對于新能源材料的專業性實驗則需通過不同的方式呈現給學生，由于其專業的新穎性及特殊性，很多新材料的制備及表征過程無法完全由學生自己動手完成，實驗設備的局限性限制了學生對新能源材料的進一步深入探究。計算機和多媒體技術的廣泛應用，在這一方面將會迅速、高效地根據學生需求提供所需信息，提高教學效率和教學質量。互聯網實驗室可以完全滿足新能源專業的教學需求，完成新材料制備研究、材料性能測定、材料應用分析等的實驗系列，幫助學生理解常用的新能源材料制備方法、性能表征測試方法的原理，熟悉常用的實驗儀器及其使用方法，為后續相關實驗以及科學研究打好基礎。同時在每個網絡實驗室均配套相關專業的實驗手冊，以供教學參考。作為教材使用的實驗手冊包括：教學目的、真實實驗環境描述、實驗設備、實驗設備間相連的網絡拓撲、操作步驟、實驗結果及驗證等內容。

以儲能材料與器件及性能綜合實驗為例，主要包含了包括鋰離子電池正極材料制備、結構與性能表征，電極制備與表征[4]，電池組裝過程與工藝及電化學性能和安全性測試等過程。學生在實驗過程中主要學習鋰離子電池系列相關的正、負材料的合成、器件組裝以及器件的整體存儲性能測試，目的是讓學生掌握目前廣泛研究和應用的高性能化學電源（如鋰離子電池）的工作原理、制備及測量方法。在實驗課程設置時，必須考慮學生的實際操作問題，讓其針對實驗內容的某一部分設計自己的方案，并在實驗平臺上進行驗證。但目前實驗室無法滿足學生對整個過程的直接了解，通過互聯網實驗室可以實現虛擬流程、虛擬工藝、虛擬生產等數字化教學資源，為數字化課堂建設提供翔實的資源保障。可以將鋰離子電池的生產過程、工作流程等信息實時傳送到課堂，培養學生的創新精神，拓寬學生的學習空間，激發學生發散性思維。

實驗前先讓學生查閱相關文獻，了解鋰離子電池的電化學工作機理，在基礎實驗部分讓學生自主設計、制備不同電極的材料、完成電解液的選擇過程。后續的電池的組裝及性能檢測過程可通過網絡實驗室完成，讓學生對鋰離子電池的構造有了感性的認識，對其主要的性能指標參數有更深的理解，更可以通過互聯網實驗室實現學生對鋰離子電池生產工藝流程的直觀學習，培養培養學生的綜合職業能力，推動新能源材料的后續發展。

四、結語

作為新型戰略性產業，新能源材料專業在未來的很長的時間內必會有廣闊的發展前景，專業人才的培養，教學質量的全面提高將會是高等院校發展的重點和熱點。同時通過互聯網的加入讓學生了解新能源材料的最新生產工藝，及時地跟進最新的生產技術，加強學生工程實踐能力和專業實驗技能訓練，促進學生的職業成長，為解決國內高校開設新能源材料專業實驗課暫無經驗借鑒的現狀，提出一種可參考的實驗教學模式。

參考文獻：

[1]Zhang G.Q，Zheng J.P，Liang R，et al. J Electrochem Soc. J，2010，157（8）：A953-A956.

[2]劉德波，張保豐.材料成型及控制工程專業實踐教學體系研究[J].實驗科學與技術，2011，9（2）：131-132.

[3]王子賢，馬國富.基于應用型人才培養的創新實踐教學體系研究[J].科技信息，2009，（34）：116-117.

[4]吳輝煌.應用電化學基礎[M].廈門大學出版社，2006：337-340.