基于高職—本科3+2分段培養體系的材料科學基礎專業課程的教學與實踐

徐立波+唐惠東

摘 要：本文從3+2分段培養體系的人才培養方案出發，對支撐光伏專業的材料科學基礎的關鍵知識點進行梳理和篩選，闡述了詳細的材料科學基礎教學內容及重難點知識。并且結合教學實際和學生特點，提出了材料科學基礎課程的具體教學方式。

關鍵詞：3+2分段培養體系；高職；本科；教學；實踐

高職-本科3+2分段培養這種模式為學生的繼續深造和升格為高級技術管理人才提供了一條行之有效的途徑，能夠充分發揮高職和本科院校的優勢，為企業提供具有發展潛力的技能型人才，實現學校、學生、企業三方共贏。這種模式在江蘇首先試點，常州工程職業技術學院（以下簡稱“我院”）與常州工學院已經開展多屆合作，共同制訂了比較完善的人才培養方案，而高職、本科銜接課程體系的建設無疑是人才培養的關鍵，我院光伏材料制備技術專業在3+2轉段銜接階段開設材料科學基礎這門專業基礎課有其針對性和必要性。材料科學基礎這門課程主要揭示固體材料結構和性能之間的關聯，實際上是用數理化的知識分析實際的材料問題，其內容龐雜，理論性強，抽象，是材料類專業的必修專業基礎課，具有普遍指導意義。3年高職學段培養學生的專業實踐技能，要求感性認識頗多，2年本科學段著眼專業和管理技術提升，要求有更深的理論基礎和解決問題的能力。以下結合筆者的教學實踐，說明如何開展有效的材料科學基礎教學。

一、以光伏產業鏈為主線精選教學內容

材料科學基礎的內容包括晶體結構和缺陷、固體熱力學和動力學、固體結構和電子理論三大塊，具體知識要點有晶體結構、固體電子結構、合金固溶體結構、范性形變、缺陷、相圖、相變、界面、擴散、凝固結晶、回復再結晶等。全部講完至少400學時左右，實際上既沒有這么多學時，也沒有必要面面俱到。課程具有普遍意義，但對專業來說，只要篩選出密切相關的內容即可，做到必需和夠用即可。這樣一方面可節省時間，另一方面也能夠很快切入應用。所以，一定要梳理光伏產業鏈的應用點和材料科學基礎內容相匹配，形成少而精的教學大綱內容，以利于少學時教學和專業應用。

縱觀光伏產業鏈，從硅原料的制備和提純，單晶硅多晶硅的生產加工，光伏電池和組件系統的生產，與材料科學基礎關聯的地方還不少。硅晶體的表面形貌、生長方向、生長棱線、層向生長過程對應晶體學知識、晶向晶面及特征的描述；其中融入硅和化合物半導體的結構和電性能對應著合金結構和固態電子論的知識，并牽涉到結合鍵，能帶理論、半導體性能、光伏原理和光伏電池效率；晶片生產中缺陷位錯的控制（頸縮工藝等）以及電池片效率改進對應著晶體的缺陷理論；單晶多晶的形核生 長、環境控制、質量控制對應著凝固結晶理論；硅中雜質含量及分布以及柵線印刷、焊接、歐姆接觸對應合金知識相圖相變知識；PN結形成、焊接合金化過程、光生少子的擴散和壽命、I-U特性曲線的擴散方程推求對應擴散理論中的穩態和非穩態擴散；晶硅加工生產過程中的變形和損傷對應固體范性形變和再結晶；多晶的晶界和單晶多晶的制備過程中的固液界面對應界面理論。此外，掌握熱力學基本知識對分析缺陷、表面、相圖相變、凝固結晶都非常有用，對材料分類論述的三大類別材料如金屬、陶瓷、高分子各論也要介紹，這部分內容具體涉及銀漿與硅的歐姆接觸、互聯條焊接、石英容器性能、封裝用鋁合金、TPT、EVA的使用性能。基于以上分析，形成的課程知識點和相關內容以及重點難點見表1。

二、依據學生特點改革教學方式

此階段學生的主要特點有：①理論基礎較為薄弱。②從應用型到研究型的學習習慣還未轉變。對這兩特點，在制訂學習內容后還有一個如何讓其有效接受消化的過程，不適當地灌輸會使學生理解困難，對學習失去興趣，從而也失去了教學意義。結合教學實踐，筆者認為從以下幾個方面可以改善效果。

（1）精選教材。教材的選用原則是中等難度，有基礎的數理化知識銜接，便于自學和理清課程體系，也便于學生發現問題和受到啟發，提出問題。不宜一下子導入艱深的理論。好的教材閱讀能夠激發興趣，深入淺出，讓人受益。材料科學基礎作為普適課程，教材種類繁多，深度廣度側重點各有不同。貴州大學的張曉燕教授主編的《材料科學基礎（第二版）》具有以上特點，筆者認為比較適用。

（2）提供配套的參考資料和習題冊。作為經典理論，材料科學基礎暫時不會過時，現有的參考資料應該是比較豐富的，應該選擇性地看一些，特別是習題冊，更是和教材一樣必備，因為理論的定性和定量同樣重要，需要結合實際進行計算和練習，習題能夠加深學生對抽象理論的認識，效果明顯，能增強學生的成就感和求知欲。

（3）實驗驗證有助于理解理論。配套實驗可以幫助學生鞏固加深課堂理論知識，讓學生掌握基本實驗技能，培養學生自己分析問題、發現問題、解決問題的能力，讓學生獲得更多的感性體驗和創新體驗，在光伏材料生產中，處處有材料外觀、缺陷、性能以及工藝參數等的檢測，過程檢測更是質量保證的關鍵，一些實驗項目和檢測有密切相關，應該加以訓練。如晶體結構實驗中的典型金屬結構的鋼球堆積結構模型分析實驗、單偏光下晶體光學性質，非晶態的結構性質和玻璃析晶實驗（與長晶過程的坩堝析晶有關）、擴散和固相反應動力學實驗，以及電阻測定實驗等。

（4）明確概念，將理論講解淺顯化、簡化或省略推導，過程讓學生對基本概念產生深刻印象，后續教學才能順理成章。教師應重點講解參數的物理意義和相關概念，對求解過程作一般介紹和原則說明，以便于學生快速接受知識。

（5）利用網絡資源如魔課，愛課程等多媒體手段開展教學。應該承認，有些東西確實難以講清，因此晶體結構的三維圖、原子進入間隙位置的動畫演示、擴散微觀過程動態展示、缺陷產生增值過程和運動方式的直觀視頻顯示，這些似乎都離不開多媒體展示，可以極大提升學生的空間想象力。這些都得益于現代數碼技術可以把最微細的結構和復雜過程進行立體展示。網絡資源也要好好利用，網上課堂是主要方式，具有簡明易懂的優點。

（6）互動答疑及時解決疑問，按照邏輯體系進行內容順序重排。由于材料科學基礎是一門邏輯體系嚴密的理論課，在教學過程中不能生搬教材中的章節安排，應該從學生的知識結構來重新安排內容序列，力圖使學生運用現有的力學、數理化知識就能理解各種規律，由于先后次序很重要，因此及時解決問題可為下面章節授課鋪路。

（7）從理論到實踐，再從實踐回到理論，實現良性循環，螺旋上升。用理論分析和解決是最好的服務生產實踐方式，也是學習基礎理論的價值所在。

通過以上針對3+2銜接階段教學方式的改進，學生的學習積極性得到提升，專業基礎知識得到鞏固，結合專業實踐，也促進了其他課程的學習，這對以后的學習和創新是有益的。3+2分段培養能夠成就技能和學術兼備的人才，可滿足未來光伏產業發展對人才的需求，應該是一種值得倡導的模式。

參考文獻：

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[2]周大農.中高職教育課程銜接的設計與思考[J].職教論壇，2013（3）.