基于成果導向教育理念的新能源材料與器件專業實驗教學研究

曹賽男

(南京工業大學 能源科學與工程學院，江蘇 南京 211816)

隨著全球經濟的迅猛發展，能源和環境問題愈加嚴重，只有大力發展新能源，才能實現國家經濟可持續發展。新能源產業的發展情況能夠衡量一個國家的高新技術工業發展水平。近幾十年來，我國的新能源產業在政府相關政策的扶持下發展迅速，已處于世界前列。新能源產業對于人才的需求量不斷增加，尤其是能夠掌握新能源材料與器件專業知識的高級應用型人才[1]。然而由于新能源相關專業人才培養的問題，現在行業內存在著巨大的人才缺口，尤其缺乏高層次專業人才。新能源能夠實現轉化和利用，新能源技術能夠得到有力發展的關鍵是新能源材料與器件[2]。2010年，國家教育部旨在發展新能源、新材料等戰略型新興產業，在高等學校開始設置"新能源材料與器件"這一新專業[3]。截至2020年，已有82所高等院校開設此專業。

南京工業大學2014年依托于新能源科學研究成果以及現有的學科優勢，獲批了新能源材料與器件本科專業并在2015年開始招生。該專業自成立以來就一直受到學校和學院的極大重視，對其建設投入了大量的人力和物力。2014～2020年本科教學實驗室儀器設備總值為160萬元，總件數為60余件。實驗室設備利用率高達96%以上，給全面開展本科生專業實驗提供了重要的硬件支持。在教學師資方面，專業師資力量雄厚，具有一支高水平師資隊伍：國家杰出青年基金獲得者、多年入選"全球高被引學者"作為學術帶頭人，中組部青年千人及省特聘教授作為骨干力量，年輕的講師和副教授作為后備軍。

新能源材料與器件專業主要培養學生對于換能和儲能材料的認識，以及設計、制造器件等工程技術[4]。建設該專業的思路是以新能源的應用以及產業發展對于專業型人才在知識、素質和能力等方面的綜合要求為導向，培養產業發展亟需的高層次新能源專業工程技術人才。實驗教學對于新能源專業型技術人才的培養起著重要作用，有利于培養本科生把理論知識與生產實踐相結合，在實際應用中具有創新能力、分析和解決問題能力。本文以南京工業大學為例，目前新能源材料與器件專業的實驗課程建設仍處于剛起步階段，針對該專業目前的實驗教學情況，以成果導向教育理念為基礎，對專業實驗教學體系以及實驗課程的科學設置進行研究和探索。

1 新能源材料與器件專業實驗教學的現狀

從2010年開始全國各高校才設立了新能源材料與器件專業，而且最早僅有十多所高校設立該專業，截至目前只有為數不多的幾屆學生畢業[5]。我校該專業的學科建設正處于剛起步還在探索階段，沒有成熟的經驗可以借鑒。根據我校新能源材料與器件專業的就業情況調查顯示，該專業學生實際應用基礎知識的能力沒有達到用人招聘單位的要求。而且調查還發現很多學生并沒有意識到認真完成實驗課程的重要意義，只重視學習理論知識，忽視了將所學知識應用于實踐。還有部分學生認為實驗課程內容單一，沒有調動自己的學習興趣，以驗證性實驗為主，缺乏創新型，從而導致實驗課程最終未達到理想效果。新能源材料與器件專業具有很強的實踐性。如何根據社會與企業對于新能源材料與器件技術型人才的需求，全面提升畢業生的專業素養，基于成果導向教育理念，研究科學的實驗教學體系以及實驗課程內容設置是當前新能源材料與器件專業面臨的一個全新的難題。各高校都在對其進行研究探索，以期能夠使實驗課程內容具有綜合性以及創新性，培養學生對新能源技術的實際應用能力，不斷提高教學效果和質量。

2 基于成果導向教育理念的專業實驗教學研究

成果導向教育(OBE)的理念是將學生通過教育最終獲得的學習成果作為教學導向，反向進行教學設計以及教學活動實施。所以，在完善實驗室和師資建設、設計實驗教學體系以及設置實驗課程內容時，應該基于“個性化施教”、“目標成果導向”的理念，注重培養學生的實踐能力和達成目標成果。

2.1 完善實驗室建設

新能源材料與器件作為一個新開設的專業，至今只有6年建設歷史，基礎弱且底子薄。因為每年下撥的建設經費有限，所以相對于其他老牌專業來說，總體建設經費比較緊張。但是本專業實驗涉及到的一些實驗儀器價格普遍較高，比如表征材料結構的掃描電子顯微鏡(SEM)、透射電子顯微鏡(TEM)，X射線衍射儀(XRD)等等，動輒幾百萬甚至上千萬，而且還需要有專門人員進行維護管理，設備套數嚴重不足，有的甚至只有一臺。通常分組做實驗的時候，每組只有一個同學能夠操作儀器設備，其他同學都只能在一旁觀看，無法使每個學生的動手操作能力得到鍛煉。因此基于OBE理念完善實驗室建設亟待進行。

(1)本專業作為一個新開設的專業，還需要學校能夠增加實驗室建設費用投入，增加購買實驗教學設備。

(2)可以有償借用教師團隊的科研設備作為實驗教學設備，讓學生們有更多的機會能夠了解并操作一些昂貴的專業儀器。

(3)可以通過跨學院以及校企合作提高實驗教學條件。新能源材料與器件是由材料、化學、物理等構成的一個交叉學科。材料和化學專業都是南京工業大學的優勢學科。新能源材料與器件專業可以和這些老牌優勢專業進行合作，依托材料化學工程國家重點實驗室、電化學儲能研究所等高水平研究基地，將其作為輔助實驗室，開展校內合作實驗教學；專業教學實驗室除了實驗教學的時間以外，其他時候都處于閑置狀態，嚴重浪費了設備和資源。為了充分利用現有的實驗室資源、提高設備共享程度和使用效率，本專業已經制定了《非實驗課程期間實驗室使用管理辦法(試行)》，加強實驗室對學生的開放力度，鼓勵本專業或其他相關專業學生使用教學實驗室開展科創活動、競賽、畢業設計等；此外，本專業還可以和校外一些企業進行合作，學校和企業共同建設實驗室，設立校外實驗基地，擴大實驗室規模，讓學生能夠參與生產實際、接近科研項目。

2.2 完善師資隊伍建設

基于OBE理念加強專職實驗教師隊伍建設。新能源材料與器件專業是化學、物理、材料等多學科交叉，這就對專職實驗教師的專業知識水平和領域以及實驗教學能力提出了更嚴苛的要求[6]。實驗指導教師的實驗技能水平對學生的實驗實踐能力的培養質量有著直接的影響?，F有的專職實驗教師大都來自各高校原有化學、材料專業或者其他和新能源相近的學科，都只在某一專業領域擅長。而一般實驗課程的設置與實驗教師擅長的專業研究方向相關，才能達到比較好的實驗教學效果。所以，學院在招聘實驗教師的時候需要按照新能源專業多學科交叉的特點，對教師結構組合進行多方位以及多渠道的優化，盡可能招聘擅長不同專業領域的實驗教師，豐富可開展的實驗課程。

2.3 構建完整的實驗教學體系

目前各高校實驗課程的設置普遍都是依據學校自己的特色以及已有的成熟專業的教學經驗，具有較強的偏向性。而且各高?；径即嬖趯嶒灲虒W中驗證演示性實驗居多，綜合設計性實驗較少的情況。實驗儀器設備臺數受限于緊張的經費金額而不足，學生缺少進行實際操作的機會。以南京工業大學為例，新能源材料與器件作為該校的一個全新專業，現有的實驗教學體系只經過了一屆的教學探索，必然會存在某些問題。南京工業大學的前身是南京化工大學，化學類專業是王牌優勢學科，在其基礎上設立了新能源材料與器件專業。所以如表一所示，2015級新能源材料與器件專業本科生的實驗課程設置以化學類實驗為主，占到了實驗課程總學時71%的，其中基礎驗證性實驗占的比重比較大，創新性和綜合設計性實驗相對較少；而且只有少量的物理類實驗，材料類實驗更是少之又少。目前開設的綜合設計性實驗項目也普遍是基于教師的專業研究背景或者現有研究設備條件，而不是基于OBE理念的實驗教學。而且在教學實施過程中，基本上學生都沒有參與到實際的設計環節來，依舊停留在“參照做”的階段。受限于學校有限的實驗教學條件以及參差不齊的師資力量，教師為了能夠順利完成各自的教學任務，仍然基本采用“依葫蘆畫瓢”的教學方法和教學流程。預先設定好實驗目的、實驗內容以及具體的實驗步驟。學生完全不需要自己思考就能進行實驗。這類實驗課程對于專業實驗教學雖然是必需的，可以教會學生一些基本的分析方法和操作技能。但是，這種“依葫蘆畫瓢”式的教學，無法培養和提高學生分析、解決問題的能力以及創新能力，所以教學模式亟待變革。

表1 新能源材料與器件專業實驗教學培養方案

基于OBE理念，新能源材料與器件專業可以依托材料化學工程國家重點實驗室、電化學儲能研究所等高水平研究基地，構建具有專業特色的實驗教學體系(見表1)。分為三個層次：(1)一級：學科基礎實驗，依托于學科基礎實驗室；(2)二級：專業基礎實驗和專業綜合設計性實驗，依托于新能源專業實驗室；(3)三級：創新性實驗，依托于高水平研究基地。具體實驗課程設置如下所示。

(1)學科基礎實驗。新能源專業從業人員需要掌握的不僅僅是新能源材料與器件方面的知識，還有很多與其相關的化學、物理和材料等知識。所以需要培養學生和材料科學相關的化學、物理基礎實驗技能。新能源學科基礎實驗設置與原培養方案基本一致。

(2)專業基礎實驗。專業基礎實驗的設置是為了給后續的專業綜合設計實驗以及創新性實驗服務，幫助學生熟悉經常會用到的實驗設備以及使用方法，打好實驗基礎。根據本專業的特色以及自身優勢，結合專業核心課程的重點選定實驗項目，增加開設現代材料分析測試技術、電化學實驗課程。現代材料分析測試技術能夠幫助學生更加系統全面地掌握多種常用的結構表征以及性能測試的原理和使用方法。電化學是化學電源(能量儲存的分支)的基礎，基于電化學原理的電化學分析法已經發展為新能源專業中不可或缺的測試手段。

(3)專業綜合設計性實驗。專業綜合設計性實驗從新能源的原材料制備、表征到器件的組裝以及性能測試，構建一套完整的制備和測試體系，使學生能夠認識到新能源材料的結構與器件的性能之間的內在聯系。學生在實驗室現場進行設計、材料合成、器件組裝、測試實驗，學會如何按照實際的需求設計并合成具有特定功能的新能源器件。專業綜合設計性實驗設置為兩大模塊：一是能量轉換方向，包括太陽能電池、燃料電池的組裝及性能測試；二是能量存儲方向，包括鋰離子電池、超級電容器組裝及性能測試。通過設置的這些綜合設計實驗使學生能夠掌握目前研究應用廣泛的各種新能源器件的制備、測試方法以及工作原理，掌握實驗操作技能和獨立設計分析能力。

(4)創新性實驗。創新性實驗的實施可以進一步提升學生的創新能力和分析解決問題的能力，讓學生了解新能源領域的最新研究和發展趨勢。創新性實驗能夠充分調動學生的興趣，提高他們的積極性，讓他們很好的投入到實驗中，獲得很好的實驗效果。相關教師以自己的研究課題及成果為基礎，依托科研實驗室的專業儀器，進行實驗教學。各指導老師公布實驗的具體內容、難度和要求，學生根據自己的興趣自由組合，向老師提出實驗申請。指導老師給學生進行簡單的講解后，學生自己查閱相關文獻資料，設計可行的實驗方案。在老師的指導下使用科研專用實驗儀器，完成相關實驗，并對實驗數據進行分析以及對實驗方案進行后期改進，最終完成實驗報告。

綜上所述，新能源材料與器件實驗課程體系設置如圖1所示。

圖1 新能源材料與器件專業實驗課程體系

2.4 加強專業實驗教學教材建設

缺少專業實驗教材也是實驗教學面臨的一大難題。當前，本專業實驗有一大部分是新開設的，還沒有適合的專業實驗教材或者配套指導書，都是實驗教師自編的講義。此外，現有的一些實驗教材或者自編講義內容缺乏更新，尤其是部分關于材料制備工藝、性能測試等方面的實驗內容，甚至落后于工業技術水平，不利于激發學生的創新性。因此需要進一步加強實驗教材建設。提高編制的實驗教材的質量，對于專業實驗教學質量的提高具有十分重要的意義。本專業的一門綜合實驗課程《化學電源與器件綜合實驗》現在所用的教材就是自編講義，但是課程內容等方面的設計還不夠成熟。未來本專業將基于OBE理念立足其學科特點，修訂實驗教學的教學大綱以及教改方案，逐步形成一本具有專業特色的高質量實驗教材或者配套指導書。主要內容包括制備材料、設計和組裝器件、測試和分析器件性能等部分，分別從新能源的類別、產生和轉化、存儲和利用，設計和組裝器件等方面，進行電化學、磁、電、光等性能的測試、表征以及分析。

3 結語

南京工業大學結合新能源材料與器件的專業特點、現有優勢學科基礎、高水平研究平臺以及教師的科研資源，基于OBE理念探討了專業實驗室建設、師資隊伍建設、實驗教學教材建設，并構建了三個層次的實驗教學體系，完善了實驗教學課程內容。期望實驗教學體系的建立能夠全面提升實驗教學質量，增強學生的專業實驗技能，培養學生創新、實踐能力，為其他高校同類新專業的實驗教學提供一種可借鑒的實驗教學課程體系。