淺談新工科背景下新能源材料與器件專業建設思路

吳小帥，史轉轉，楊曉剛，郭春顯

(蘇州科技大學材料科學與工程學院，江蘇 蘇州 215009)

新能源和新材料是我國現代化社會建設的基礎，成為實現“碳達峰” 和“碳中和”中長期目標的重要因素。隨著全球能源供給的不確定性增加，我國對新能源新材料特別是高端材料的研發和生產需求將更加強烈，相關高技術專業人才也將非常短缺[1]。為響應國家大力發展新能源技術和產業的戰略導向，教育部于2011年已新增了新能源材料與器件等特色專業，專門培養在新能源材料與器件領域掌握新能源材料制備過程和制造器件的基本規律和原理、具備生產創新思維和實踐能力，并能適應行業與國民經濟發展，從事研究開發、工程設計、生產管理和市場開拓等技術型專業人才。特別是2017年起，為應對新一輪科技革命和產業變革，復旦大學和天津大學召開的新工科研討會啟動了新工科建設的模式探索[2]。蘇州科技大學材料科學與工程學院緊緊把握機會，經過多輪大膽細致論證后，于2020年申報獲批“新能源材料與器件”專業。結合材料科學與工程學科發展新工科的背景，探索合適的新能源材料與器件專業人才培養模式改革。本文結合地方經濟、學科師資隊伍和支撐條件等方面就新專業培養方案的制定，推動材料、化學和新能源模塊課程體系的構建和專業實驗的設置方面提出幾點思路，為培養能夠適應新工科發展所需的新能源科學與技術領域的專業人才提供借鑒。

1 模塊化材料、化學和新能源課程體系構建

新能源材料與器件特色專業知識結構涉及化學、物理學、材料科學等多個學科基礎，其產品應用涵蓋了鋰離子電池、燃料電池、太陽能電池、氫能、生物質能源等多個領域。本專業知識體系強調數理、科學與技術結合，體現了新材料制備和器件系統的技術整合特性。所以為了有效實現專業人才培養目標，需要構建合理的多元課程體系模塊，將不同學科教學內容有機融合、集成，并且形成全面、特色的知識結構[3]。

在培養過程中，本專業對學生的自我選擇和職業規劃進行充分指導，提供更加寬泛的教育平臺供學生自我選擇。為此，結合我校材料科學與工程學院的教學實際情況，在新專業的培養方案制定時重點考查了以下幾點：(1)在通識課程教育中增強任選課與創新創業、科技進步與科技精神、文化傳承與國際視野、哲學智慧與思維訓練等課程，旨在加強培養學生的國際思維和哲學思維，引導學生追蹤學術前沿熱點，熟悉學術發展動態，提高其探求新知識和新技術的熱情。(2)學科基礎必修課中開設材料科學導論、材料科學基礎、材料工程基礎、電工電子技術、材料制備科學與技術以及材料研究方法與現代測試技術等課程，使學生在新材料基礎理論方面得到全面的訓練，并對材料科學的制備和檢測技術有深入的理解和掌握。(3)專業教育必修課除了開設基礎化學和應用電化學、化學電源基礎與應用、等能源方面基礎理論課程外，還開設光伏材料與器件、新能源材料與器件、燃料電池技術以及新能源材料技術前沿等專業課程，保證學生在新能源技術領域的全面培養，接受現代工程師的基本訓練，畢業后能進行新能源材料與器件相關的制造、加工組裝、性能測試以及設備運行和維護，并能從事產品生產工藝設計、生產加工、科學研究、技術開發以及組織管理方面的工作。(4)專業教育任選課目則開設了鋰離子電池材料與技術、超級電容器材料與器件、太陽能電池基礎及應用、儲熱材料與技術、節能減排技術、生物能源、制氫與儲氫材料、可再生能源、光電催化原理與應用、新能源汽車動力電池技術、有機光電材料與器件以及納米科技等選修課，學生可以根據自己的興趣以及未來的職業規劃自主選擇相應的選修課程，提高學生在就業市場上競爭力。總之，新專業的課程體系建設體現出模塊化培養，突出厚基礎、寬口徑的思想，反映出新工科背景下的專業特色并適應國民經濟社會發展需要等原則，重視科學創新思維和工程實踐的培養。

2 專業創新實驗的設置

本專業的課程體系追求基于產出的教育模式(OBE)，其育人目標是培養新能源和新材料領域高級應用型人才，對學生的創新能力和實踐能力有較高的要求，這使得實驗實踐教學在專業培養中占有重要地位。新能源材料與器件專業學生的培養模式，必須在理論教學的基礎上加強實驗教學，以理論支撐實踐并在實踐中加強對理論知識的掌握。本專業的教學實驗需要依據畢業要求、課程內容結合學生知識結構特點進行設計，探索不同層次的實驗實踐課程在提高學生創新和實踐能力方面打下堅實的基礎的可行性和必要性[4-5]。蘇州科技大學材料科學與工程學院根據本專業的課程體系和學生特點設計了一系列基礎實驗課程和綜合實驗課程，系統地全方位地培養學生的實踐能力。

2.1 基礎性實驗項目設計

專業基礎實驗主要針對的是基礎化學課程所設置的實驗，包括無機及分析化學實驗、有機化學實驗、物理化學實驗以及應用電化學實驗等。開設基礎化學實驗的主要目的是：(1)培養學生的基本動手能力，溫習和鞏固理論課程所學到的專業知識，探索課堂所學知識轉化為實際應用能力；(2)在材料和化學領域之外，基礎實驗還開設了新能源領域一批關鍵實驗，例如新材料設計合成實驗，從簡單到復雜、從驗證到分析，只有熟練掌握基本操作才能進一步拓展。實驗課主要以學生為主體進行具體實驗操作，老師指導協助的模式。通過實驗現象的觀察、實驗數據的記錄與分析，使得學生能夠掌握基礎理論驗證方法。以應用電化學實驗為例，該課程既包括電極拋光、涂敷等技術性能力訓練，又包括復雜的電化學循環伏安、阻抗測試、循環伏安測試，經過系統訓練可以對電化學的相關理論加強理解，并為后續的綜合性創新實驗夯實基礎。

2.2 綜合創新性實驗項目設計

綜合創新性實驗設計是專業基礎實驗的后續課程，體現了綜合性和創新性，主要為加強學生材料研究的科學意識并培養其具備初步參與新材料和器件研究的能力，并進一步了解新能源材料的制備、表征、器件的組裝和性能測試等。學院兼顧師資團隊和研究方向，設置了鋰離子電池材料的制備與器件組裝、生物傳感芯片的制作及生化性能檢測、可見光光催化材料的制備及催化性能測試、薄膜太陽能電池的搭建及性能測試等一系列創新性實驗。此外，學生還可以根據某一課程的綜合知識及相關知識，按照授課老師給定實驗目的和要求，自行設計實驗方案并加以實現，培養學生自主創新的能力。

進一步創新能力是學生培養目標的核心，學科競賽也是培養創新型高素質人才的有效途徑，所以材料學院不僅重視在理論課教學中引導學生的創新意識，更加注重給學生提供創新平臺、實驗場地和實驗設備，鼓勵并支持本科生在老師的指導下參加各類學科競賽和大學生創新創業項目等科創活動。低年級學生經過基礎實驗和創新實驗訓練后，即可在本科導師的指導下申報國家、省級等各級雙創訓練項目。經過科研團隊的訓練和培育，學生將在互聯網+、挑戰杯和專業學科競賽方面逐步嶄露頭角。

2.3 工程實踐

除了接受基礎性實驗和綜合創新性實驗的理論訓練之外，本專業學生還要在實踐基地單位接受生產工程實踐。例如通過課程設計和生產實習培養自己的工程實踐能力，學院正在建設鋰離子電池中試平臺作為實訓平臺促進校企合作實驗基地的建設。學生通過將專業實驗、工程實踐和畢業設計有機結合，在此過程中進行系統地科學訓練，有針對性培養學生的創新思維，增強學生文獻調研、實驗設計、實驗操作以及實驗結果分析等綜合能力。

為了實現立德樹人的根本任務，學院堅持以先進的科研成果促進學科建設，加強青年教師隊伍的建設和培養，充分發揮科研育人的引領作用，構建科研育人的長效機制。本專業以資深教授講授專業基礎課，積極嘗試將新的科研成果融入教學過程，引導學生追蹤學術前沿熱點，熟悉學術發展動態，提高其探求新知識和新技術的熱情。

3 結 語

新能源材料與器件專業是為了應對新能源產業發展需要所設立的特色專業，在新工科建設背景下探索建立合理的新能源材料與器件專業人才培養模式，應對行業發展的機遇和挑戰，堅持OBE基于學習產出導向的培養理念，在專業培養方案中拓寬專業知識面、突出專業教學、加強實踐和理論的結合。通過模塊化課程體系的構建和專業創新實驗的設置培養學生獨立思考和創新的能力，提高畢業生的綜合素質以及市場競爭力。蘇州科技大學材料科學與工程學院既注重培養學生專業理論學習，又全面加強理論與實踐相結合，堅持全員、全方位、全過程育人模式培養適應新能源材料行業發展的具有實踐能力創新能力的專業人才。