以創(chuàng)新能力培養(yǎng)為導向的太陽能電池精品實驗項目建設

周小巖，張亞萍，馬紅章，韓立立

（中國石油大學（華東）理學院物理實驗中心，山東 青島 266580）

中國石油大學（華東）理學院物理實驗教學中心（以下簡稱中心），2006年被評為山東省省級物理實驗教學示范中心，2007年“大學物理實驗”被評為省級精品課程。中心面向全校理工科學生開設多類物理實驗系列課程，年均教學工作量超過20萬人時。在中國石油大學（華東）培養(yǎng)高素質創(chuàng)新性拔尖人才的目標下［1］，中心在物理實驗教學模式優(yōu)化和規(guī)范化、考核機制及系列課程建設方面進行了積極的探索和實踐［2－6］。

在教育部提出建設精品課程戰(zhàn)略背景下，中國石油大學（華東）開展了3年的精品實驗建設工作。希望通過精品實驗項目的示范和引領作用來推動其他實驗項目和實驗課程的系統(tǒng)建設，提高本科實驗教學水平、教學質量和教學效果。物理實驗是學生進入大學后系統(tǒng)地接受科學實驗方法和實驗技能訓練的開端［7］，是培養(yǎng)各專業(yè)人才的重要實踐環(huán)節(jié)，其課程建設和教學改革是理工類學校教改工作的重要內容。在光伏產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展，新概念、新技術日新月異的今天，提高實驗教學質量，培養(yǎng)創(chuàng)新型人才越發(fā)重要［8－10］。本文在太陽能電池精品實驗項目建設工作中，通過構建3個階段實驗培養(yǎng)體系、更新實驗教學內容和改進實驗教學方法來提升學生的創(chuàng)新能力和實驗教學效果，賦予精品實驗教學生動的內涵。

1 項目建設的目的和意義

1.1 與時俱進，豐富實驗教學內容

太陽能電池精品實驗依托山東省物理實驗教學示范中心和新能源新材料科研平臺，緊扣社會熱點問題，聯(lián)系工業(yè)生產(chǎn)實際，合理安排不同階段的實驗教學內容。實驗內容涉及納米材料、納米薄膜的制備，電池的制作工藝、微結構表征技術、光電性能測試、儀器多功能化和智能測量等，是學生將所學的基礎和專業(yè)知識綜合應用的體現(xiàn)。教學過程中太陽能電池的制備可以采用磁控濺射、真空鍍膜和濕化學方法等，可以改變工藝參數(shù)，可以測試光伏性能或光譜性能。微結構表征可以采用拉曼光譜、X射線衍射和掃描電鏡等其他科研技術手段。因此，該精品實驗的教學內容設計是靈活多樣的，大大拓展了實驗教學的廣度和深度。新穎的實驗內容激發(fā)了學生濃厚的興趣，網(wǎng)上預約該實驗的人數(shù)最多，幾乎每個開放日期都是全部約滿。

1.2 漸進式培養(yǎng)學生的實踐創(chuàng)新能力

學生對問題的認知，對一門課程的學習是一個由淺入深的過程。學生實驗能力、創(chuàng)新能力和科學思維的提升是一個循序漸進的過程。一個科學合理的實驗教學體系，對學生自主學習能力、實踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)將具有深遠的意義。依據(jù)知識的認知過程和能力培養(yǎng)的梯形結構，建立從基礎到綜合設計再到研究課題訓練階段的實踐過程?；A階段注重實驗的啟發(fā)性，強調理論知識與實驗內容的有機聯(lián)系。綜合設計階段倡導學生自主設計、自行搭建、自主管理實驗，培養(yǎng)學生獨立實驗的能力和運用所學知識解決問題的能力。研究階段采用科研課題的形式訓練學生，注重培養(yǎng)學生提出問題和解決問題的能力，培養(yǎng)學生科學研究的能力。學生經(jīng)過3個階段的訓練，其實驗技能、實驗綜合能力、實驗創(chuàng)新能力將得到逐步提升。

2 項目的特色和創(chuàng)新

2.1 分專業(yè)的模塊化教學方法

太陽能電池實驗是面向全校工科“大學物理實驗”、理科“普通物理實驗”和實驗班“基礎物理實驗”課程中的一個實驗項目。該實驗的授課對象是全校理工科學生，專業(yè)的覆蓋面廣，層次和水平存在一定的差異，并且授課學時也不同。原實驗項目未采用分專業(yè)教學，其教學內容、教學方法及應用的教學手段區(qū)分不大，導致實驗教學層次性不明顯，教學效果并不理想。例如對自動化和計算機類的學生，教師在實驗教學中講述太陽能電池的制備工藝和半導體技術。該專業(yè)的學生因為沒有相關方面的知識背景和儲備，對實驗原理理解不太透徹，在一定程度上影響了這部分學生學習的積極性。鑒于此，我們將太陽能電池實驗項目劃分為4個教學模塊，其內容涉及材料、計算機、通信以及物理等學科多個領域的知識和應用。每個實驗教學模塊都配套相應的教學大綱、教學內容、考核及評分標準。針對不同學科、不同專業(yè)學生的培養(yǎng)方向和后續(xù)專業(yè)課程，實施不同的實驗教學模塊，使學生最大限度地接受優(yōu)質教學。

2.2 溶入科研素材的研究型課題訓練

在研究型課題訓練階段引入太陽能電池光伏性能測試系統(tǒng)、單色光電轉換效率IPCE測試系統(tǒng)、半導體測試儀、太陽光模擬器、X射線衍射儀等科研儀器，結合教師的科研項目和科研成果開設研究性小課題，構建教學與科研相互融合的實驗教學模式［11－13］。研究型課題與時俱進，內容新穎，貼近實際工業(yè)生產(chǎn)，使所涉及到的理論知識變得形象生動，加深了學生對理論知識的理解和掌握。此外，研究型課題使學生在本科階段就接觸到先進的科研儀器，進一步提高科研儀器設備的利用率，有利于高校資源設備的有效利用，擴大其應用范圍。

3 項目的教學實施

太陽能電池實驗項目針對本科生的物理實驗教學劃分為基礎實驗、綜合設計實驗和課題研究3個訓練階段，如圖1所示。每個階段采用不同的教學內容、教學方法和教學設計理念。

圖1 太陽能電池精品實驗項目教學體系示意圖

3.1 基礎階段：分專業(yè)模塊化教學模式

將原先“太陽能電池的基本特性研究”實驗，通過LB－SC實驗儀測量單晶硅和多晶硅太陽能電池特性，記錄分析數(shù)據(jù)，拓展為4個教學模塊。第一模塊為太陽能電池制備；第二模塊為半導體工藝技術；第三模塊為太陽能電池光伏性能和光譜響應測試；第四模塊為智能測試和儀器功能化。針對不同專業(yè)的學生，采用不同的實驗教學模塊，其結構如圖2所示。

圖2 分專業(yè)模塊化教學結構示意圖

工科專業(yè)學生的“大學物理實驗”課程，每個實驗項目的授課為2.5學時，完成不了4個實驗教學模塊。教學中從學生的專業(yè)背景和專業(yè)特點出發(fā)，教學內容具有一定的區(qū)分度，進行分類教學嘗試。將化學、材料化學、化工和材料物理等專業(yè)作為復合專業(yè)一采用模塊1和2，教學側重點放在納米薄膜的物理化學方法制備，包括前驅體溶液的配制、納米粉體的制備、納米薄膜的電化學制備、成膜方法等；將自動化、電氣、機械和計算機類等專業(yè)作為復合專業(yè)二，采用模塊3和4，教學側重點主要以光電信號的轉換、電信號的采集和處理、光譜的自動濾波和特性參數(shù)的自動測量，包括工作電路、控制單元的方案設計，以及各部分的連接和通信、驅動程序和通信協(xié)議、上位機界面的程序編寫等。

理科專業(yè)學生的“普通物理實驗”課程，每個實驗項目的授課為4學時，擬采用實驗教學模塊2、3和4。教學側重點主要以太陽能電池原理、電池的伏安特性、光照特性、負載特性及溫度特性，以及光電轉換效率的影響因素和半導體技術，包括電池的封裝、電極的制備、電極的焊接等，要求掌握1～2個數(shù)據(jù)處理軟件，掌握圖形的繪制和實驗數(shù)據(jù)的分析總結等。

實驗班學生的“基礎物理實驗”課程，每個實驗項目的授課為4學時，擬采用4個實驗教學模塊中的部分內容。教學側重點在強化實驗理論和實驗技能的基礎上，凝練實驗的思想和方法，提升教學深度和高度，體現(xiàn)精英教育理念，為優(yōu)秀人才提供較高的實驗創(chuàng)新平臺。

3.2 綜合設計階段：以學生為主體、教師為主導的教學方法

該階段的教學實施時間為1～2個教學周，由指導教師提出問題，例如太陽能電池負載與輸出功率的匹配方案、光電轉換效率的影響因素和提高方式、設計光路系統(tǒng)克服太陽光線角度的變化等，讓學生綜合運用所學的知識，自己設計實驗方案、搭建實驗裝置、自己管理實驗。為充分調動學生的學習興趣，組織學生進行實驗方案的科學性和可行性論證，提出修改意見，指導實驗過程，總結歸納實驗結果等。該階段強調學生的自主性和教師的指導性，注重實驗的啟發(fā)性和綜合性，培養(yǎng)學生運用所學到的知識和技能解決實際問題的能力。

3.3 研究課題訓練階段：培養(yǎng)科研思維，全面提升學生創(chuàng)新能力

該階段的教學實施周期為4個教學周，采用先進的科研技術和方法，引入教師的科研項目和成果，學生以2～3人為1個研究小團隊，每個研究團隊配1名科研導師?？蒲袑熃Y合自身科研課題，組織學生開展系列研究性課題訓練。教學案例有二氧化鈦基染料敏化太陽能電池（DSSC）的制備及光伏性能實驗研究，探討散射層的厚度對DSSC光電轉化效率的影響、DSSC光陽極的改進及優(yōu)化、天然染料應用于DSSC的研究等課題。研究型課題訓練具體著重以下幾方面內容：文獻的檢索、英文文獻的閱讀、實驗方案的制定、實驗的實施、樣品的制備流程、性能的測試、儀器的使用、實驗數(shù)據(jù)的整理和分析、論文的撰寫。該階段重在培養(yǎng)學生的科學研究思維，建立良好的科學素質。

4 階段性多元化的定量考核機制

精品實驗中，我們采用了多元化的定量評定方式。培養(yǎng)體系的3個實驗階段根據(jù)教學目標的不同，實施不同的考核方法?；A階段采用三段式考核模式，其中預習20%，操作40%，實驗報告40%。預習和操作成績在實驗教學實施過程中直接由任課教師給出。實驗報告包含實驗數(shù)據(jù)的整理、處理過程，結果分析和問題討論部分，要求學生在課后一周之內完成。綜合設計階段針對實驗中的方案設計，實驗過程和課程論文3個環(huán)節(jié)考核。研究課題階段采用五段式考核模式，包含文獻調研、開題、實驗過程、結果分析和PPT答辯5個環(huán)節(jié)，由科研導師評定。

5 結束語

針對太陽能電池精品實驗項目建設，構建了以3個實驗階段前后銜接的培養(yǎng)體系，使不同專業(yè)不同層次的學生，掌握扎實的實驗基礎理論和基本實驗技能，學生實驗綜合能力、實驗創(chuàng)新能力得到逐步提升，為培養(yǎng)學生良好的科研素質奠定了堅實的基礎。學生經(jīng)過這3個實驗階段的訓練，開闊了實驗研究視野，拓展了知識面，其自主學習能力、實踐能力、創(chuàng)新能力和科學研究思維得到了極大的提升，并涌現(xiàn)出許多優(yōu)秀的成果。

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