成果導向教育（OBE）理論在《光伏發電技術》實驗教學中的實踐探索

陳瑩

摘要：為了培養符合社會經濟需求的光伏人才，需要對電氣工程中新能源方向的重要專業課程《光伏發電技術》進行改革，尤其是《光伏發電技術》實驗課程部分。成果導向教育（簡稱OBE）是一種先進的教育理論，文章對《光伏發電技術》實驗課程進行了基于OBE理論的改革探索，首先明確了實驗課程教學的預期目標成果，然后按照成果目標制訂教學計劃，通過對鈣鈦礦太陽能電池系統實驗的設計、制備、結果分析討論和考核等環節，調動學生的主觀能動性，培養學生的分析實踐能力、創新能力和團隊合作能力，鼓勵和幫助學生實現目標成果。

關鍵詞：成果導向教育;實驗教學;《光伏發電技術》

中圖分類號：G642.0 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2020）01-0200-02

一、引言

隨著人類社會發展和進步，化石能源日益枯竭。新能源、綠色能源的開發和高效利用成為人類迫在眉睫的新課題。太陽能作為一種分布廣、可持續、環境友好能源得到了人們的青睞。目前，我國乃至世界新能源產業發展迅猛，對專業技術應用型人才的需求日益增大[1]。傳統的《光伏發電技術》實驗課程已經無法緊跟光伏相關產業發展動態，難以培養出符合社會經濟發展的光伏人才。因此，我系對《光伏發電技術》實驗教學課程進行了基于成果導向教育（OBE）理論的改革探索，本文主要從實驗教學目標和教學設計兩個方面對改革的思路和實踐過程展開討論。

二、實驗教學的預期目標成果

成果導向教育（Outcome based education，簡稱OBE）又稱“產出導向教育”或“目標導向教育”，是一種以學生為中心，以成果為導向而設計的教育模式。其基本思想起源于西方教育鼻祖蘇格拉底倡導的“精神助產術”式教學和中國教育先師孔子提倡的啟發式教學[2]，他們認為教育的最終目標是“授人以魚不如授人以漁”，教學是一個雙向互動的過程，教師的主導作用固然重要，學生的主觀能動性卻是關鍵所在。

傳統的《光伏發電技術》實驗課程是根據教材進行組織和考核的，內容陳舊，理論性強。即使是實驗課，也多是教師講或者做，學生跟著教師做，學生被動跟從，目標含糊，過程乏味。而且實驗平臺缺乏，大多數學生沒有條件親手做實驗，實踐和分析能力都無法得到鍛煉。成果導向教育（OBE）理論是以成果為導向設計教育環節的，只有目標明確，讓學生知其然且知其所以然，才能充分調動學生的主觀能動性，積極地參與學習，學得新知識和新技能。因此，我系在制訂實驗教學大綱時，經過反復研究討論，確定了以下的《光伏發電技術》實驗課程的成果目標。

1.夯實理論基礎。在開始《光伏發電技術》實驗課程之前，已經開設了《光伏發電技術》理論課程，對主要的光伏發電技術及其工作原理進行了系統的講解學習。本實驗課程的目的主要是對其中鈣鈦礦太陽能電池部分的實踐，可以讓學生加深對理論知識的理解，培養學生將理論與實踐相結合的能力，提高學習效果。

2.提升實踐能力。《光伏發電技術》實驗課程中，從FTO玻璃的預處理、電子傳輸層、鈣鈦礦層、空穴層和電極層的制備，到太陽能電池性能測試，都需要學生動手參與，需要小組成員之間的鼎力合作。在這個過程中，學生的動手能力、團隊合作能力、創新實踐能力都能得到鍛煉和提升。在實驗結果的分析環節，學生需要通過自主分析、小組討論、綜合評估等方式，探討實驗中可能出現的問題，從而解決問題，學生在理論知識得到鞏固的同時，分析解決問題能力也得到了鍛煉。

3.提高學習興趣。學生通過自主設計實驗計劃，完成實驗，主觀能動性明顯提高，通過自我評價、小組互評、組間互評和教師點評等多種考核方式，自我定位明確，通過自主思考、團隊合作和教師鼓勵幫助，順利完成預期成果目標，自信心變強，輕松將理論知識和實踐相結合，開啟“玩中學學中玩”的“樂學”模式。

三、實驗教學的設計

《光伏發電技術》作為電氣工程之新能源方向的重要專業課程，主要講述光伏發電技術的基本原理及應用。作為一門專業實踐性很強的課程，實驗環節尤為重要。太陽能電池種類繁多，經過幾十年已經發展到第三代，第一代太陽能電池是以單晶硅和多晶硅為主的硅基太陽能電池，且已經實現商業化。其中利用效率最高、技術最成熟、產業化最好的是單晶硅太陽能電池，效率可到達25%。但是，硅基太陽能電池對硅的純度要求非常高，成本過高且轉化效率趨近極限;第二代太陽能電池是以硫化鎘、碲化鎘、銅銦硒等為代表的半導體薄膜太陽能電池，其中砷化鎵（GaAs）電池的能量轉化效率可以達到28%，但是存在其成本昂貴等缺點，且鎘等材料具有毒性、存儲量少等缺點，導致半導體薄膜太陽能電池難以普及[3，4];第三代太陽能電池包括染料敏化太陽能電池、鈣鈦礦太陽能電池和量子點太陽能電池等，其中鈣鈦礦太陽能電池自從2009年被提出以來得到科研人員的廣泛關注，短短幾年時間，其能量轉化效率從3.8%提升至超過22%，被《Science》評為2013年十大科學突破之一[5，6]。考慮到目前的研究熱點、師資特點、實驗室條件等方面的因素，本課程選擇鈣鈦礦太陽能電池為載體開展實驗教學過程。

1.教學內容設計。一般情況下鈣鈦礦太陽能電池結構為平面層狀結構，從下往上依次是：玻璃襯底（FTO玻璃）、電子傳輸層、鈣鈦礦層、空穴傳輸層和電極層。其工作原理大致如下：光線透過透明導電玻璃，照射到鈣鈦礦吸收層。能量大于鈣鈦礦禁帶寬度的光子被吸收，激發產生電子和導電空穴。載流子由鈣鈦礦層分離，電子經過電子傳輸層到達FTO，導電空穴經空穴傳輸層達到金屬電極，再經過外電路構成回路。

目前電子傳輸層最常用的材料為TiO2，而且TiO2電子傳輸層的物相和形貌與最終電池性能息息相關。本實驗內容主要是首先帶領學生了解鈣鈦礦太陽能電池制備過程，然后要求學生以小組為單位，每組設計3種或以上不同的TiO2電子傳輸層制備參數，并按照參數合成不同的電子傳輸層，通過XRD和SEM檢測，分別對其進行物相和形貌的鑒別觀察，最后制備基于不同電子傳輸層的鈣鈦礦太陽能電池，并對太陽能電池的主要性能參數進行測試和分析，包括開路電壓、短路電流、填充因子、能量轉換效率等，總結分析出TiO2電子傳輸層的物相、形貌與鈣鈦礦太陽能電池性能之間的內在聯系，優化TiO2電子傳輸層制備參數。另外，學生還可以進行太陽能電池方陣的容量設計和結構設計，將制備的單個鈣鈦礦太陽能電池通過串聯或者并聯的形式，組裝成目標太陽能電池方陣，用于驅動小功率電器工作，如LED燈泡、太陽能小車等，實現小型應用。

2.實驗考核方式。學生以小組的形式完成實驗，一般4—5人為一組。按照OBE理論設置預期成果目標，根據目標進行考核。主要考核學生基礎知識理論和基本技能、創新意識、團隊合作能力和自主學習的意識。考核形式多樣，分為自評、小組內互評、組間互評和教師點評、成果展示和最終答辯等。考核內容主要包括：實驗方案設計和實施、實驗結果與分析、創新點總結、成果展示和最終答辯。

四、總結

在OBE理論中，學生可以清晰地預見學習成果，明確需要掌握哪些知識點和技能，教師的教學和考核方式可以靈活多變。為了培養符合社會經濟需求的光伏類新興人才，本文以鈣鈦礦太陽能電池制備實驗為模板，探索了成果導向教育理論（OBE）在《光伏發電技術》實驗課教學中的應用，可以為類似課程改革提供借鑒，為培養光伏人才提供新思路。

參考文獻：

[1]徐燕，劉永生.《太陽能發電技術》課程思政的探索與實踐[J].教育教學論壇，2019，（19）：161-162.

[2]楊璐.蘇格拉底“產婆術”與孔子啟發式淵源和內涵的比較及其啟示[J].語文學刊，2012，（18）：110-112.

[3]杜以博，林琳，何丹農.鈣鈦礦太陽能電池空穴傳輸材料的研究進展[J].材料導報，2017，31（z2）：1-7.

[4]張婧，何有軍，閔杰.鈣鈦礦太陽能電池中小分子空穴傳輸材料的研究進展[J].物理化學學報，2018，34（11）：1221-1238.

[5]Kojima，Akihiro，Teshima，Kenjiro，Shirai，et al.Organometal halide perovskites as visible-light sensitizers for photovoltaic cells[J].the American Chemical Society，2009.

[6]Kim H S，Lee J W，Yantara N，et al.High efficiency solid-state sensitized solar cell-based on submicrometer rutile TiO2 nanorod and CH3NH3PbI3 perovskite sensitizer.Nano Letters，2013.

Practical Exploration of Outcome Based Education （OBE） Concept in "Photovoltaic Technology" Experimental Teaching

CHEN Ying

（School of Electrical and Electronic Engineering，Hubei University of Technology，Wuhan，Hubei 430068，China）

Abstract：According to the needs of the social and economic，it is necessary to reform the "Photovoltaic Technology"，which is an important professional course in the new energy direction of electrical engineering，especially the experimental courses of "Photovoltaic Technology".Outcome Based Education （OBE） is a kind of advanced education concept.In this paper，we reformed the photovoltaic technology experiment courses based on Outcome Based Education （OBE） concept to cultivate photovoltaic talents.Firstly，we defined an expected achievement goal of the experimental course.Secondly，we made the teaching plan according to the achievement goal.We try to mobilize students' subjective initiative，raise students' analysis and practice ability，innovation ability and the team cooperation ability through the perovskite solar cell system experiment design，preparation，results analysis，discussion and examination.

Key words：Outcome Based Education;experiment teaching;"Photovoltaic Technology"