新能源材料與器件專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程設(shè)置與實(shí)踐教學(xué)探討

陶華超 孫盼盼 肖婷 張露露 楊學(xué)林

摘要：本文根據(jù)三峽大學(xué)近幾年在新能源材料與器件專業(yè)建設(shè)方面的經(jīng)驗(yàn)與積累，提出以新能源材料制備、新能源材料性能測(cè)試為主的綜合實(shí)驗(yàn)課程。該課程主要圍繞鋰離子電池、超級(jí)電容器、太陽(yáng)能電池、光催化等新型能源材料的合成與測(cè)試。依據(jù)綜合實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)新能源材料與器件專業(yè)的實(shí)驗(yàn)課程設(shè)置與實(shí)踐教學(xué)模式進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：新能源材料與器件；實(shí)驗(yàn)課程；實(shí)踐教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642.41 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2018）11-0267-02

新能源材料與器件專業(yè)是2010年教育部為適應(yīng)我國(guó)新能源、新材料、新能源汽車、節(jié)能環(huán)保、高端裝備制造等國(guó)家戰(zhàn)略性新型產(chǎn)業(yè)發(fā)展需要而設(shè)立，是由物理、化學(xué)、材料、電子、機(jī)械等多學(xué)科交叉，以能量轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)材料及其器件設(shè)計(jì)、制備工程技術(shù)為培養(yǎng)特色的戰(zhàn)略性新興專業(yè)。三峽大學(xué)從2012年開(kāi)始招收本專業(yè)本科生，通過(guò)近幾年的教學(xué)實(shí)踐，逐步完善并制定了適合本專業(yè)學(xué)生發(fā)展的實(shí)驗(yàn)課程，以材料性能綜合實(shí)驗(yàn)和材料制備綜合實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，較詳細(xì)地介紹新能源材料、器件設(shè)計(jì)與制造的基礎(chǔ)知識(shí)、基本理論，同時(shí)使學(xué)生掌握太陽(yáng)能電池、鋰離子電池、超級(jí)電容器、光催化等新型能源材料的合成與測(cè)試。

一、實(shí)驗(yàn)課程設(shè)置

三峽大學(xué)材料與化工學(xué)院依托材料科學(xué)與工程和化學(xué)工程與工藝兩個(gè)學(xué)科建設(shè)新能源材料與器件專業(yè)，在光伏材料和儲(chǔ)能材料方面的相關(guān)研究已初具規(guī)模。以學(xué)院現(xiàn)有的師資力量和實(shí)驗(yàn)設(shè)備為基礎(chǔ)，開(kāi)設(shè)了材料性能和材料制備兩門綜合實(shí)驗(yàn)課程，使學(xué)生對(duì)新能源材料和器件有感性的認(rèn)識(shí)，同時(shí)也鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神，激發(fā)學(xué)生的發(fā)散性思維，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神。

材料性能綜合實(shí)驗(yàn)和材料制備綜合實(shí)驗(yàn)均為48學(xué)時(shí)，其中材料性能綜合實(shí)驗(yàn)課程理論課安排16個(gè)學(xué)時(shí)，材料性能綜合實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)課安排32學(xué)時(shí)。理論課主要在課堂上講解實(shí)驗(yàn)步驟，實(shí)驗(yàn)原理，實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)，實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)以及相關(guān)的實(shí)驗(yàn)背景知識(shí)，加深學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的理解與掌握。實(shí)驗(yàn)課主要在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，學(xué)生進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)，根據(jù)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)方案，進(jìn)行相關(guān)材料的制備與性能測(cè)試，以及組裝器件等。材料性能綜合實(shí)驗(yàn)共開(kāi)設(shè)16個(gè)實(shí)驗(yàn)，主要包括石墨負(fù)極的循環(huán)伏安測(cè)試、改性石墨的充放電測(cè)試、超級(jí)電容器的循環(huán)伏安測(cè)試及分析、超級(jí)電容器的容量測(cè)試、稀土晶態(tài)材料的熒光性能、多孔材料的吸附性能測(cè)試、染料敏化太陽(yáng)能電池對(duì)電極電催化性能研究、硅片表面氧化物薄膜的減反射性能測(cè)試等。材料性能綜合實(shí)驗(yàn)主要涉及到鋰離子電池、超級(jí)電容器、太陽(yáng)能電池以及光催化等新型能源材料的測(cè)試方法。材料制備綜合實(shí)驗(yàn)課程理論課安排16學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)課安排32學(xué)時(shí)，共開(kāi)設(shè)16個(gè)制備實(shí)驗(yàn)，主要包括TiO2納米線陣列的水熱法制備、噴霧熱解發(fā)制備薄膜、機(jī)械球磨法制備氧化銅、提拉法制備TiO2薄膜、SiO2納米微球的制備、高溫固相法制備LiCoO2、溶膠凝膠法制備透明氧化物薄膜等（具體實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)置如圖1所示）。通過(guò)材料制備與材料性能綜合實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)，要求學(xué)生掌握無(wú)機(jī)材料、薄膜的基本合成方法以及掌握光伏、氣敏、光催化、超級(jí)電容器和鋰電池材料的性能表征方法以及檢測(cè)技術(shù)。增進(jìn)學(xué)生觀察記錄、分析歸納、方案設(shè)計(jì)、撰寫(xiě)報(bào)告等能力的培養(yǎng)，提高學(xué)生動(dòng)手能力和解決問(wèn)題的能力。

二、新能源材料與器件實(shí)驗(yàn)課程設(shè)置對(duì)學(xué)生能力的培養(yǎng)

（一）培養(yǎng)學(xué)生查閱文獻(xiàn)能力、分析問(wèn)題能力

為了培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力，可將學(xué)生分成幾組，提前將每次實(shí)驗(yàn)課的內(nèi)容告知學(xué)生，給各小組充足的自學(xué)時(shí)間，學(xué)生可查閱相關(guān)實(shí)驗(yàn)文獻(xiàn)。針對(duì)實(shí)驗(yàn)的某一個(gè)部分自己制定一個(gè)比較安全、合理的實(shí)驗(yàn)方案，在老師的指導(dǎo)和監(jiān)督下利用現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行驗(yàn)證。

其次，在實(shí)驗(yàn)課堂上，老師通過(guò)講解實(shí)驗(yàn)方案、實(shí)驗(yàn)步驟和實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)，使學(xué)生更深入地了解實(shí)驗(yàn)過(guò)程。在具體的實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程中，學(xué)生可比較自己制定的實(shí)驗(yàn)方案和老師的實(shí)驗(yàn)方案有無(wú)差別，并去分析可能產(chǎn)生的結(jié)果。

（二）培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)據(jù)處理能力

學(xué)生在做完實(shí)驗(yàn)之后，要進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析與處理，使用較多的軟件有Word、Excel、Origin、Photoshop等，學(xué)生在進(jìn)行數(shù)據(jù)作圖和數(shù)據(jù)分析時(shí)，可以加強(qiáng)對(duì)相關(guān)軟件的學(xué)習(xí)。本科生在一般的課堂教學(xué)中很少接觸到專業(yè)的數(shù)據(jù)分析軟件，通過(guò)這些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析與處理，可以使本科生掌握本專業(yè)相關(guān)的軟件，對(duì)其以后的畢業(yè)設(shè)計(jì)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

學(xué)生通過(guò)獨(dú)立地完成實(shí)驗(yàn)，并分析處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告。這樣的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法既鍛煉了學(xué)生的動(dòng)手能力，又提升了學(xué)生查找文獻(xiàn)的能力及數(shù)據(jù)處理能力，還鍛煉了學(xué)生歸納總結(jié)的能力。

三、實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的主要問(wèn)題和建議

三峽大學(xué)新能源材料與器件專業(yè)雖然經(jīng)過(guò)多年的積累，建立了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)起到至關(guān)重要的作用，但仍然存在一些不容忽視的問(wèn)題。

1.實(shí)驗(yàn)課程設(shè)置上過(guò)于偏重鋰離子電池、超級(jí)電容器、太陽(yáng)能電池等電化學(xué)方向，對(duì)其他新型能源材料的制備及性能測(cè)試設(shè)置較少。這些課程的設(shè)置主要與本學(xué)院相關(guān)老師的研究方向有關(guān)，后期希望開(kāi)設(shè)諸如燃料電池、儲(chǔ)氫材料、光催化等方面的實(shí)驗(yàn)課程。

2.實(shí)驗(yàn)設(shè)備儀器有限，一些性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)分組進(jìn)行時(shí)學(xué)生較多，部分學(xué)生只能進(jìn)行部分實(shí)驗(yàn)，通常情況下，一個(gè)實(shí)驗(yàn)需要幾個(gè)學(xué)生共同完成，這雖然鍛煉了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，但是對(duì)學(xué)生的動(dòng)手能力以及掌握相關(guān)實(shí)驗(yàn)技能的能力沒(méi)有得到堅(jiān)實(shí)充分的鍛煉。

3.由于同一個(gè)實(shí)驗(yàn)的理論課在課堂上講解，而實(shí)驗(yàn)課需要在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，部分學(xué)生不能較好地將實(shí)驗(yàn)背景、實(shí)驗(yàn)原理與具體的實(shí)驗(yàn)步驟以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析有機(jī)結(jié)合在一起。從相關(guān)的實(shí)驗(yàn)報(bào)告中發(fā)現(xiàn)，部分學(xué)生在撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告時(shí)，雖然數(shù)據(jù)的整理以及分析結(jié)果較好，但其實(shí)驗(yàn)的原理和實(shí)驗(yàn)?zāi)康牟皇翘貏e明確。后續(xù)實(shí)驗(yàn)課程的設(shè)置上，建議理論課與實(shí)驗(yàn)室都在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)教學(xué)老師在實(shí)驗(yàn)室講解完實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)方案、實(shí)驗(yàn)步驟后，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室直接動(dòng)手做實(shí)驗(yàn)，可以較好地將理論與具體的實(shí)驗(yàn)過(guò)程相結(jié)合，加深學(xué)生對(duì)該實(shí)驗(yàn)的理解。

四、結(jié)束語(yǔ)

三峽大學(xué)新能源材料與器件專業(yè)根據(jù)學(xué)院教學(xué)老師的研究方向和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，建立了以材料制備綜合實(shí)驗(yàn)和材料性能綜合實(shí)驗(yàn)為主的實(shí)踐教學(xué)課程，該實(shí)驗(yàn)課程的設(shè)置對(duì)同類高校新能源材料與器件專業(yè)實(shí)踐課程的設(shè)置具有重要的借鑒意義。根據(jù)科研發(fā)展的方向與進(jìn)展，實(shí)驗(yàn)課程的內(nèi)容需要不斷更新，與時(shí)俱進(jìn)。實(shí)踐課程的教學(xué)方式也需要在不斷發(fā)展，能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生查閱文獻(xiàn)、思考問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]周瑩，謝娟，張騫，武元鵬，莊稼.新能源材料與器件專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程設(shè)置探討[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2014，31（4），183-185.

[2]倪世兵，肖婷，向鵬，楊學(xué)林，豐平，代忠旭.新能源材料與器件專業(yè)人才培養(yǎng)與實(shí)踐研究[J].教育教學(xué)論壇，2016，44，162-163.

[3]李英杰.新能源材料與器件專業(yè)的物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程中學(xué)生能量培養(yǎng)探討[J].教學(xué)管理與教育研究，2016，（10）：60-62.