新工科背景下新能源材料與器件專業勞動教育跨學科融合研究

一、新工科背景下新能源材料與器件專業的特點

（一）多學科交叉性

新能源材料與器件專業是多學科交叉融合的產物，涵蓋材料科學、物理學、化學、電子工程等眾多學科領域。這種多學科交叉的特性決定了學生必須構建起跨學科的知識體系，具備綜合運用多學科知識解決復雜問題的能力。

以新型二次電池為例，其研發過程涉及多個學科知識的協同運用。例如，在電極材料的研發方面，材料學家需要深人研究各種材料的結構和性能，尋找具有高能量密度、良好循環穩定性等特性的材料。物理學知識則有助于理解電池內部的電化學性能，包括電池的充放電原理、電勢差的形成機制以及電子在電極和電解液之間的傳輸機制等。化學知識在優化電池電解液配方上不可或缺，通過化學反應原理設計出合適的電解液體系，以確保電池高效運行。電子工程知識則應用于電池管理系統的設計，工程師要根據電池的電化學特性，設計電路來精確控制電池的充放電過程，防止過充、過放等問題，同時實現電池的均衡管理，提高電池的整體性能和延長其使用壽命。

（二）工程實踐性

新能源材料與器件專業以培養能夠解決工程實際問題的人才為目標，這就要求學生必須在實驗室和工程實踐中不斷磨煉，熟練掌握材料制備、器件加工、性能測試等一系列工程技能。

太陽能光伏器件的制造過程是一個典型的工程實踐案例。在這個過程中，學生需要參與多個工藝環節。首先，清洗環節需要學生了解化學清洗的原理和方法，如了解如何科學地去除硅片表面的雜質，保證硅片表面的潔凈度，為后續的工藝步驟創造良好的條件。其次，擴散過程涉及物理學中的擴散原理，學生需要控制溫度、時間等參數，使雜質原子在硅片中形成特定的分布，從而改變硅片的電學性質。再次，鍍膜工藝同樣復雜，學生要選擇合適的鍍膜材料和方法，如物理氣相沉積或者化學氣相沉積，以提高硅片的光吸收能力并減少反射損失。最后，對光伏器件的光電轉換效率進行測試和優化是整個制造過程的關鍵環節。學生需要運用專業的測試設備和方法，準確測量光電轉換效率，并通過調整各個工藝環節的參數來提高效率。

（三）創新驅動性

新能源產業處于快速發展和持續創新的前沿，新的材料和器件不斷涌現，這要求新能源材料與器件專業的學生必須具備強烈的創新意識和卓越的創新能力，從而適應行業的迅猛發展。

二、勞動教育在新能源材料與器件專業中的重要性

（一）培養實踐技能

勞動教育為新能源材料與器件專業的學生提供了將理論知識轉化為實踐操作的寶貴機會，是提高學生動手能力的關鍵環節之一。在二次離子電池的制備實驗中，勞動教育的作用體現得淋漓盡致。學生需要準確稱量各種原料，這一過程要求學生掌握精確的稱量技術。此外，學生要根據化學反應原理，調節溫度、反應時間等參數，這同樣需要學生具備扎實的化學知識基礎以及對實驗設備的熟練操作能力。電芯的組裝過程更是考驗學生的動手能力，學生要將制備好的正極、負極、隔膜等部件按照嚴格的順序和工藝要求進行組裝，任何一個環節的失誤都可能導致電池性能下降。

（二）塑造勞動價值觀

正確的勞動價值觀是新能源材料與器件專業學生綜合素質的重要組成部分。在新能源材料與器件專業的實踐過程中，學生往往會面臨復雜的實驗條件和漫長的研發周期。實踐實驗能夠讓學生深刻體會到勞動的意義和價值，培養他們艱苦奮斗、敬業奉獻的精神。學生在勞動過程中逐漸明白，每一個微小的進步都是通過辛勤的努力和不懈地探索換來的，從而樹立起持之以恒、勇于探索的勞動價值觀。

（三）激發創新思維

勞動過程中的問題解決和經驗積累是激發新能源材料與器件專業學生創新思維的重要源泉。在新能源材料與器件專業的企業實踐中，學生不可避免地會遇到各種各樣的技術難題。在不斷嘗試和改進的過程中，學生積累了豐富的實踐經驗，這些經驗又進一步激發他們的創新思維，促使他們尋找新的解決方案。

三、跨學科融合勞動教育的現狀

（一）課程體系設置

目前，部分高校的新能源材料與器件專業已經開始意識到將勞動教育融入課程體系的重要性，并進行了一定嘗試，但在跨學科融合的程度上還存在明顯不足。以材料制備課程的實踐教學為例，教學內容局限于材料科學本身的知識體系，沒有深入融合物理學和電子工程學科的知識，這導致學生難以從多學科的角度全面理解材料性能與器件功能之間的關系，不利于培養學生的跨學科思維和綜合應用

知識的能力。

（二）師資隊伍建設

實現跨學科融合勞動教育的關鍵在于建設一支具備跨學科知識和實踐經驗的師資隊伍，但目前新能源材料與器件專業的師資隊伍在這方面還存在較大的問題。該專業的教師大多是出身于單一學科背景，由于缺乏跨學科知識的儲備，教師在勞動教育過程中難以有效地進行跨學科融合的教學指導。

（三）教學資源整合

跨學科融合勞動教育需要對多學科的教學資源進行有效整合，包括實驗室設備、教材、教學案例等。但自前高校內部各學科之間在教學資源共享方面存在諸多問題。例如，在實驗室設備方面，各學科的實驗室設備相對獨立，資源共享程度較低。在新能源材料與器件專業的勞動教育中，這種情況尤為突出。學生在進行跨學科實踐時，需要在不同的實驗室之間奔波，而且由于設備使用規則和管理體制的限制，難以實現設備的高效共享。另外，現有的教材大多是按照單一學科的知識體系編寫的，很少涉及多學科知識的融合。

四、跨學科融合勞動教育面臨的挑戰

（一）學科壁壘

不同學科之間存在著顯著的知識體系、研究方法和思維方式的差異，這些差異構成了跨學科融合的學科壁壘，在新能源材料與器件專業中表現得尤為明顯。材料學科注重材料的結構與性能的關系。物理學科側重于物理現象和規律的研究。化學學科則關注化學反應和物質轉化。電子工程學科著眼于電子電路和系統的設計。要打破這些學科壁壘，實現勞動教育的跨學科融合并非易事，需要從課程體系、師資隊伍、教學資源等多個方面進行深入的改革。

（二）評價體系不完善

當前的評價體系對學生在跨學科勞動實踐中的表現未能進行全面、客觀的評估。這種不完善的評價體系導致教師和學生對跨學科融合勞動教育的重視程度不夠。教師在教學過程中可能更傾向于傳統的學科知識傳授，而學生在學習過程中缺乏積極參與跨學科勞動實踐的動力，從而影響跨學科融合勞動教育的深人開展。

（三）學生學科基礎差異

不同學生在高中階段對材料、物理、化學、電子工程等學科的學習程度及分科情況不同，有些學生在材料、物理等學科方面基礎較好，在涉及這些學科知識的跨學科實踐項目中能夠較快地理解和掌握相關內容，但在化學、電子工程等學科方面相對薄弱，可能在項目中遇到與這些學科相關的問題時感到吃力。反之，一些學生在化學、電子工程等學科有較好的基礎，但在材料和物理學科方面存在不足。這種學科基礎的差異在跨學科實踐項目中會導致學生之間的學習進度不一致。

五、跨學科融合勞動教育的策略

（一）構建跨學科課程體系

要想打破傳統學科課程的界限，教師可以將新能源材料與器件專業相關學科的知識進行有機整合，構建一個完整的跨學科知識體系。

以“新能源材料與器件綜合實驗”課程為例，筆者通過課程設計將材料制備、物理性能測試、化學分析、電子電路設計等多學科內容融合在一起。在課程的實驗項目設計上，筆者以一個具體的新能源器件為目標，設計了一款新型的鋰離子電池（包含正負極選擇、電池組裝測試等交叉知識），從而實現跨學科融合。中國礦業大學新能源材料與器件專業的2024級本科生在這個課程中，首先運用材料學科知識選擇合適的正極、負極、電解液和隔膜材料。在材料制備過程中，學生不僅要考慮材料的化學組成和反應條件（化學知識），如有些學生通過選擇含有鄰位羥基、氨基、巰基官能團等的共軛有機配體，獲得了具有高電化學活性的d- ?πCPs （共軛聚合物）正極，還需要通過掃描電鏡等現代分析測試儀器研究材料的微觀結構對電池性能的影響（物理學知識）。其次，制備好材料后，學生需要對材料的物理性能進行測試，如利用測試源表和導電原子力顯微鏡等測量材料的電導率、比容量等（物理學知識），同時利用核磁共振紅外光譜等對材料的成分和結構進行表征。最后，學生運用了電子電路設計知識，通過參考商用的電池測試系統（如武漢藍電等）進行了電路板的設計和焊接制作，設計了電池的管理系統，實現電池的充放電控制、過充、過放保護等功能（電子工程知識）。

（二）加強師資隊伍建設

中國礦業大學積極組織教師參加跨學科融合培訓學習，筆者及所在團隊教師擁有多學科交叉背景，通過培訓和互相交流，拓寬了學科知識面，提升了跨學科教學和研究能力。另外，中國礦業大學選派材料學專業的教師參加物理學、化學、電子工程等學科的短期培訓課程或者學術研討會。在培訓過程中，教師可以深入學習其他學科的基礎知識、前沿動態以及教學方法。

六、結語

在新工科背景下，新能源材料與器件專業勞動教育的跨學科融合是培養適應新能源產業發展需求的創新型、復合型人才的必然要求。通過構建跨學科課程體系、加強師資隊伍建設、整合教學資源和完善評價體系等策略，教師可以有效地推進跨學科融合勞動教育的發展。

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基金項目：中國礦業大學2023年體育、美育與勞動教育專項研究課題“新工科背景下新能源材料與器件專業勞動教育跨學科融合研究”，項目編號：2023ZX77。

（作者單位：中國礦業大學材料與物理學院）