發(fā)布時間：2022-03-21所屬分類：教育論文瀏覽：1次
摘 要： 摘 要：結(jié)合國家能源戰(zhàn)略需求下新能源材料與器件專業(yè)的建設(shè)背景和特點(diǎn)，依據(jù)蘇州大學(xué)能源學(xué)院現(xiàn)有的資源和特色，提出了基于能量轉(zhuǎn)換和能量存儲為主的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系建設(shè)思路，對新能源材料與器件專業(yè)的實(shí)驗(yàn)課程體系和專業(yè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計等方面進(jìn)行了深入探討。 關(guān)鍵詞：新
摘 要：結(jié)合國家能源戰(zhàn)略需求下新能源材料與器件專業(yè)的建設(shè)背景和特點(diǎn)，依據(jù)蘇州大學(xué)能源學(xué)院現(xiàn)有的資源和特色，提出了基于能量轉(zhuǎn)換和能量存儲為主的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系建設(shè)思路，對新能源材料與器件專業(yè)的實(shí)驗(yàn)課程體系和專業(yè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計等方面進(jìn)行了深入探討。
關(guān)鍵詞：新能源材料與器件專業(yè);能量轉(zhuǎn)換與存儲;實(shí)驗(yàn)課程
新能源材料與器件專業(yè)是2010年教育部為支撐國家新能源、新材料等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需要設(shè)置的新專業(yè)，全國共有15所高校獲準(zhǔn)設(shè)立該新專業(yè)。目前新能源材料與器件專業(yè)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)課程建設(shè)正處于起步階段，實(shí)驗(yàn)課程的體系與結(jié)構(gòu)正處于探索之中。如何科學(xué)地設(shè)置新能源材料與器件專業(yè)的實(shí)驗(yàn)課程已成為一個研究課題，相關(guān)文獻(xiàn)已經(jīng)對該專業(yè)的實(shí)驗(yàn)課程建設(shè)做了一些討論[1-4]。本文結(jié)合蘇州大學(xué) 新 能 源材料與器件專業(yè)建設(shè)過程中的實(shí)際情況，圍繞新能源材料與器件專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程的設(shè)置與全國相關(guān)專業(yè)的同行共同探討。
1 實(shí)驗(yàn)課程體系設(shè)置
蘇州大學(xué)能源學(xué)院依托物理學(xué)、材料科學(xué)與工程、化學(xué)工程與技術(shù)3個一級學(xué)科，在光伏材料、儲能材料等新能源材料方面的相關(guān)研究和開發(fā)已初具規(guī)模。依托國家級物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心、江蘇省新能源材料與器件實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心、江蘇省薄膜材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和江蘇省鋰離子電池重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)行新能源材料與器件專業(yè)的實(shí)驗(yàn)課程體系建設(shè)，并制訂了具有特色的實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)體系，包括基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、專業(yè)實(shí)驗(yàn)和專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)。
1.1 基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)
新能源產(chǎn)業(yè)需要新能源材料的制備、能源的轉(zhuǎn)換與存儲、能源器件的設(shè)計與制造、能源工程的開發(fā)和管理等方面專門人才，他們不僅需要具備新能源方面的知識，更重要的是掌握物理、化學(xué)、材料等知識在新能源材料領(lǐng)域的應(yīng)用。因此，新能源材料與器件專業(yè)更強(qiáng)調(diào)與材料科學(xué)相關(guān)的物理、化學(xué)基礎(chǔ)，學(xué)生需要接受嚴(yán)格和堅實(shí)的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練[5-8]。我們將新 能 源材料與器件專業(yè)的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)設(shè)置為普通物理實(shí)驗(yàn)、普通化學(xué)實(shí)驗(yàn)、無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)和物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)。
1.2 專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)
在開設(shè)了物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，我們選擇電化學(xué)實(shí)驗(yàn)作為專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)之一，因?yàn)殡娀瘜W(xué)是能量儲存重要分支 化 學(xué) 電 源(鋰 電 池，超 級 電 容 器 和 燃 料 電池)的基礎(chǔ)，而且應(yīng)用電化學(xué)原理發(fā)展起來的各種電化學(xué)分析法已成為新能源學(xué)科不可缺少的手段[9-10]。
根據(jù)新能源材料與器件專業(yè)的研究需要，我們還開設(shè)以材料制備研究、材料性能分析和器件組裝測試為主線的實(shí)驗(yàn)系列，幫助學(xué)生理解常用的新能源材料制備方法、性能表征測試方法的原理，熟悉常用的實(shí)驗(yàn)儀器及其使用方法，為后續(xù)專業(yè)實(shí)驗(yàn)以及科學(xué)研究打好實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。我們將新能源材料與器件專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)設(shè)置為電化學(xué)實(shí)驗(yàn)、儲能材料制備實(shí)驗(yàn)、材料分析測試方法和電源工藝實(shí)驗(yàn)。
1.3 專業(yè)實(shí)驗(yàn)
專業(yè)實(shí)驗(yàn)主要是在專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，使學(xué)生對部分新能源材料的制備、表征以及器件的組裝和性能測試有初步的了解和認(rèn)識，形成材料研究的意識和具備初步參與材料與器件研究的能力。我們是在兼顧能量轉(zhuǎn)換與儲存、材料與器件的基礎(chǔ)上，根據(jù)現(xiàn)有師資隊(duì)伍的研究方向和內(nèi)容選定的。蘇州大學(xué)能源學(xué)院目前主要的研究方向集中在能量轉(zhuǎn)換(包括了太陽能光伏技術(shù)和燃料電池技術(shù))和存儲(包括了鋰離子電池技術(shù)和超級電容器技術(shù))方面。專業(yè)實(shí)驗(yàn)包括了燃料電池實(shí)驗(yàn)、半導(dǎo)體光伏實(shí)驗(yàn)、鋰離子電池實(shí)驗(yàn)和超級電容器實(shí)驗(yàn)。
1.4 專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)
專業(yè)綜合性實(shí)驗(yàn)從原料制備到器件組裝、再到最后性能測試，構(gòu)成了完整的制備與表征體系，可使學(xué)生對新能源材料和器件有感性認(rèn)識。實(shí)驗(yàn)方案利于學(xué)生操作，學(xué)生可針對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的某一部分設(shè)計自己的方案，并在實(shí)驗(yàn)平臺上進(jìn)行驗(yàn)證，既鍛煉了學(xué)生的動手能力，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新精神，又拓寬學(xué)生的學(xué)習(xí)空間，激發(fā)學(xué)生發(fā)散性思維，培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神。新能源材料與器件專業(yè)的綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)置為能量轉(zhuǎn)換器件組裝與性能測試實(shí)驗(yàn)、儲能材料與器件及其性能測試實(shí)驗(yàn)。
在能量轉(zhuǎn)換方向，能量轉(zhuǎn)換器件組裝與性能測試實(shí)驗(yàn)包括了有機(jī)薄膜和染料敏化太陽能電池制備及性能測試、有機(jī)電致發(fā)光材料制備及其典型器件光電性能測試、富勒烯在光電體系中的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)、燃料電池用催化劑制備及性能測試。通過以上綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)使學(xué)生掌握目前廣泛研究和應(yīng)用的光電轉(zhuǎn)換電池(如太陽能電池)的工作原理、制備及測量方法。
在能量存儲方向，儲能材料與器件及性能測試實(shí)驗(yàn)包括鋰離子電池正極材料制備、結(jié)構(gòu)與性能表征，電極制備與表征，電池組裝過程與工藝及電化學(xué)性能和安全性測試，以及鋰離子電池系列和超級電容器相關(guān)的正、負(fù)材料的合成、器件組裝以及器件的整體存儲性能測試，通過以上綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)使學(xué)生掌握目前廣泛研究和應(yīng)用的高性能化學(xué)電源(如鋰離子電池)的工作原理、制備及測量方法。
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綜上所述，我們設(shè)置的新能源材料與器件專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程體系如圖1所示。
2 專業(yè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)置原則
新能源材料與器件專業(yè)實(shí)驗(yàn)涉及方向較多，包括了物理、化學(xué)、材料等學(xué)科。在實(shí)驗(yàn)課程確定基礎(chǔ)上，可選實(shí)驗(yàn)內(nèi)容很多，為了選擇合適的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，我們確定了新能源材料與器件專業(yè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)置的幾個原則。
2.1 基礎(chǔ)性原則
實(shí)驗(yàn)技能的發(fā)展是連續(xù)的，基本技能的形成依賴于基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的開設(shè)，本專業(yè)的基本實(shí)驗(yàn)技能包括物理、化學(xué)和材料實(shí)驗(yàn)技能。在專業(yè)實(shí)驗(yàn)中，也應(yīng)該重視基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的作用，在專業(yè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容選擇中，我們遵循了基礎(chǔ)性原則[11-12]。例如半導(dǎo)體光伏實(shí)驗(yàn)主要是圍繞半導(dǎo)體物理等專業(yè)基礎(chǔ)課開設(shè)的實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生能得到嚴(yán)格的物理和材料專業(yè)基本實(shí)驗(yàn)技能和動手能力的訓(xùn)練，熟悉基本的半導(dǎo)體材料測試方法，為后續(xù)物理電源相關(guān)實(shí)驗(yàn) 打 好 專 業(yè) 實(shí) 驗(yàn) 基 礎(chǔ)。因此選擇了以光伏電池、薄膜材料以及納米材料技術(shù)等基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生了解和接觸目前硅太陽能電池中硅片表面結(jié)構(gòu)處理的工藝，掌握目前物理電源如硅基太陽能電池的工作原理及基本測試方法。
2.2 代表性原則
實(shí)驗(yàn)教學(xué)時間有限，而相關(guān)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容龐雜，因此實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的選擇不可能做到面面俱到，我們盡可能選取實(shí)驗(yàn)課程中具有代表性的內(nèi)容，從而實(shí)現(xiàn)舉一反三，觸類旁通。由于不同實(shí)驗(yàn)內(nèi)容可以訓(xùn)練學(xué)生的同一種實(shí)驗(yàn)技能，因此，從實(shí)驗(yàn)技能形成與發(fā)展的角度，選擇代表性的實(shí)驗(yàn)也具有重要意義[13]。例 如 電化 學(xué) 實(shí) 驗(yàn) 有很多種實(shí)驗(yàn)方法，應(yīng)用電化學(xué)原理發(fā)展起來的各種電化學(xué)分析法是實(shí)驗(yàn)室分析測試的重要手段，但是電化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程中不可能讓學(xué)生學(xué)習(xí)所有的電化學(xué)實(shí)驗(yàn)方法，為了讓學(xué)生掌握典型的電化學(xué)分析方法，我們選擇了循環(huán)伏安法、交流阻抗法、恒流暫態(tài)法和旋轉(zhuǎn)圓盤電極等具有代表性的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。儲能材料制備實(shí)驗(yàn)我們選擇了代表性的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目：固相法、溶膠凝膠法、水熱法、共沉淀法和電化學(xué)法。
2.3 可行性原則
目前本專業(yè)不同院校開設(shè)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目差異較大，其原因在于不同院校研究方向存在差異，而大型實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備滿足不同研究方向的需求，實(shí)驗(yàn)課程的開設(shè)必須以學(xué)校現(xiàn)有的相關(guān)儀器設(shè)備能夠開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)為前提，學(xué)生實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的選擇要考慮到可行性原則[14]。例如材料分析測試方法是著重培養(yǎng)學(xué)生掌握現(xiàn)代分析測試技術(shù)的一門實(shí)驗(yàn)課程，在眾多的分析測試方法中，如何選擇合適的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，就要根據(jù)學(xué)校現(xiàn)有的分析測試設(shè)備來確定，因?yàn)檫@些分析測試設(shè)備價格比較昂貴，單獨(dú)為了學(xué)生實(shí)驗(yàn)教學(xué)購買不合實(shí)際。我們利用蘇州大學(xué)能源學(xué)院現(xiàn)有的分析測試儀器確定了材料分析測試方法，實(shí)驗(yàn)課程包括了熱分析中的熱重和差熱技術(shù)，光譜分析中的紅外技術(shù)、熒光技術(shù)和等離子體發(fā)射光譜技術(shù)，物理測試技術(shù)中的多晶 X 射線衍射分析技術(shù)、掃描電鏡分析技術(shù)、比表面分析技術(shù)、激光粒度技術(shù)和原子力顯微鏡技術(shù)。
2.4 實(shí)用性原則
所選實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目要有科研、生產(chǎn)的實(shí)際背景和較好的應(yīng)用價值，這樣學(xué)生從實(shí)驗(yàn)過程中不僅能體會到理論與實(shí)踐之間的相互作用，而且還能從結(jié)果的實(shí)際意義中看到實(shí)驗(yàn)的價值。專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的選擇應(yīng)該為專業(yè)實(shí)驗(yàn)服務(wù)，例如電源工藝實(shí)驗(yàn)中物理化學(xué)電源的種類較多，我們重點(diǎn)選擇了鋰離子扣式和袋式電池的電極制備，器件組裝等實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。因?yàn)檫@可為學(xué)生后續(xù)開展專業(yè)實(shí)驗(yàn)鋰離子電池實(shí)驗(yàn)做準(zhǔn)備，也對學(xué)生就業(yè)后進(jìn)入相關(guān)企業(yè)參與研發(fā)和生產(chǎn)有較好的指導(dǎo)意義。
2.5 發(fā)展性原則
發(fā)展性原 則 是 指 根 據(jù) 學(xué) 科 發(fā) 展 動 態(tài)、結(jié) 合 教 師科研工作，選擇科學(xué)前沿?zé)狳c(diǎn)問題相關(guān)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。對于專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的選擇，需要密切結(jié)合學(xué)科最新的發(fā)展和學(xué)院教師的科研最新進(jìn)展，例 如 選 擇了鋰離子電池的高電壓正極材料、硅基負(fù)極材料和新型粘結(jié)劑 作 為 實(shí) 驗(yàn) 項(xiàng) 目，就是因?yàn)楦唠妷赫龢O材料、硅基負(fù)極材料的研發(fā)是高能量，高功率鋰離子電池發(fā)展 的 方 向 之 一。而有機(jī)薄膜太陽能電池，染 料敏化電池也是最近發(fā)展較為迅猛的非晶硅太陽能電池的代表，學(xué)生通過綜合實(shí)驗(yàn)查閱相關(guān)文獻(xiàn)，了 解 染料敏化太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換機(jī)理，再 通 過 納 米 多孔膜電極的制備多孔膜電極吸附染料、鉑 對 電 極 的制備、電解液的配制以及電池的組裝，對 電 池 的 性 能進(jìn)行檢測的 實(shí) 驗(yàn) 流 程，讓學(xué)生對染料敏化太陽能電池的構(gòu)造有 了 感 性 的 認(rèn) 識，對太陽能電池的主要性能指標(biāo)參數(shù)有了更深的理解
3 新能源材料與器件專業(yè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容
綜上所述，我們設(shè)置的新能源材料與器件專業(yè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容如表1所示。
4 實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)施存在的問題及建議
經(jīng)過4年專業(yè)建設(shè)，我們發(fā)現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)施中也存在著一些問題：
(1)教師各 學(xué) 科 知 識 割 裂，思 維 缺 乏 整 體 性。教師在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中不能很好地將物理、化學(xué)和材料等學(xué)科的實(shí)驗(yàn)課程實(shí)現(xiàn)成功的融合，因此在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中學(xué)生不能很好地將各課程的知識融會貫通，導(dǎo)致學(xué)生做實(shí)驗(yàn)?zāi)康膯我唬狈ο到y(tǒng)性和整體性。這就需要教師心中有完整的實(shí)驗(yàn)課程體系，體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)課程的相互兼顧和配合。
(2)實(shí)驗(yàn)教材需要進(jìn)一步開發(fā)。因?yàn)椴簧賹?shí)驗(yàn)都是新開設(shè)的，缺少合適的配套教材，現(xiàn)在使用的都是自編講義。因此編制高質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)教材，對提高本專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)質(zhì)量、培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力的高素質(zhì)人才，具有重要意義[15]。
(3)專職實(shí)驗(yàn)教師隊(duì)伍建設(shè)亟待加強(qiáng)。新能源材料與器件專業(yè)的物理、化學(xué)和材料的學(xué)科交叉滲透特點(diǎn)，對教師的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰μ岢隽烁叩囊螅笇?dǎo)教師的技能水平直接影響著培養(yǎng)學(xué)生的質(zhì)量，因而，學(xué)校應(yīng)根據(jù)新能源實(shí)驗(yàn)教學(xué)特點(diǎn)及要求，多方位多渠道優(yōu)化教師結(jié)構(gòu)組合，加強(qiáng)專職實(shí)驗(yàn)教師隊(duì)伍建設(shè)。
5 結(jié)束語
為了培養(yǎng)出國家和地方急需的新能源材料與器件專業(yè)技術(shù)人才，實(shí)現(xiàn)本專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)，全面提高教學(xué)質(zhì)量，蘇州大學(xué)將根據(jù)該專業(yè)特點(diǎn)，圍繞學(xué)校發(fā)展定位和地域特色確定專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)，進(jìn)一步探索新能源材料與器件專業(yè)的實(shí)驗(yàn)體系建設(shè)，加強(qiáng)學(xué)生科研能力和專業(yè)實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立思考能力和創(chuàng)新能力，提高畢業(yè)生的綜合素質(zhì)，為解決國內(nèi)高校開設(shè)新能源材料專業(yè)所面臨的暫無經(jīng)驗(yàn)借鑒的現(xiàn)狀，提出一種可參考的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。——論文作者：朱國斌，趙 亮，袁海泉，鄭洪河
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