基于高職—本科3+2分段培養(yǎng)體系的材料科學(xué)基礎(chǔ)專業(yè)課程的教學(xué)與實(shí)踐

徐立波+唐惠東

摘 要：本文從3+2分段培養(yǎng)體系的人才培養(yǎng)方案出發(fā)，對(duì)支撐光伏專業(yè)的材料科學(xué)基礎(chǔ)的關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行梳理和篩選，闡述了詳細(xì)的材料科學(xué)基礎(chǔ)教學(xué)內(nèi)容及重難點(diǎn)知識(shí)。并且結(jié)合教學(xué)實(shí)際和學(xué)生特點(diǎn)，提出了材料科學(xué)基礎(chǔ)課程的具體教學(xué)方式。

關(guān)鍵詞：3+2分段培養(yǎng)體系；高職；本科；教學(xué)；實(shí)踐

高職-本科3+2分段培養(yǎng)這種模式為學(xué)生的繼續(xù)深造和升格為高級(jí)技術(shù)管理人才提供了一條行之有效的途徑，能夠充分發(fā)揮高職和本科院校的優(yōu)勢(shì)，為企業(yè)提供具有發(fā)展?jié)摿Φ募寄苄腿瞬?，?shí)現(xiàn)學(xué)校、學(xué)生、企業(yè)三方共贏。這種模式在江蘇首先試點(diǎn)，常州工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院（以下簡(jiǎn)稱“我院”）與常州工學(xué)院已經(jīng)開(kāi)展多屆合作，共同制訂了比較完善的人才培養(yǎng)方案，而高職、本科銜接課程體系的建設(shè)無(wú)疑是人才培養(yǎng)的關(guān)鍵，我院光伏材料制備技術(shù)專業(yè)在3+2轉(zhuǎn)段銜接階段開(kāi)設(shè)材料科學(xué)基礎(chǔ)這門(mén)專業(yè)基礎(chǔ)課有其針對(duì)性和必要性。材料科學(xué)基礎(chǔ)這門(mén)課程主要揭示固體材料結(jié)構(gòu)和性能之間的關(guān)聯(lián)，實(shí)際上是用數(shù)理化的知識(shí)分析實(shí)際的材料問(wèn)題，其內(nèi)容龐雜，理論性強(qiáng)，抽象，是材料類專業(yè)的必修專業(yè)基礎(chǔ)課，具有普遍指導(dǎo)意義。3年高職學(xué)段培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)實(shí)踐技能，要求感性認(rèn)識(shí)頗多，2年本科學(xué)段著眼專業(yè)和管理技術(shù)提升，要求有更深的理論基礎(chǔ)和解決問(wèn)題的能力。以下結(jié)合筆者的教學(xué)實(shí)踐，說(shuō)明如何開(kāi)展有效的材料科學(xué)基礎(chǔ)教學(xué)。

一、以光伏產(chǎn)業(yè)鏈為主線精選教學(xué)內(nèi)容

材料科學(xué)基礎(chǔ)的內(nèi)容包括晶體結(jié)構(gòu)和缺陷、固體熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)、固體結(jié)構(gòu)和電子理論三大塊，具體知識(shí)要點(diǎn)有晶體結(jié)構(gòu)、固體電子結(jié)構(gòu)、合金固溶體結(jié)構(gòu)、范性形變、缺陷、相圖、相變、界面、擴(kuò)散、凝固結(jié)晶、回復(fù)再結(jié)晶等。全部講完至少400學(xué)時(shí)左右，實(shí)際上既沒(méi)有這么多學(xué)時(shí)，也沒(méi)有必要面面俱到。課程具有普遍意義，但對(duì)專業(yè)來(lái)說(shuō)，只要篩選出密切相關(guān)的內(nèi)容即可，做到必需和夠用即可。這樣一方面可節(jié)省時(shí)間，另一方面也能夠很快切入應(yīng)用。所以，一定要梳理光伏產(chǎn)業(yè)鏈的應(yīng)用點(diǎn)和材料科學(xué)基礎(chǔ)內(nèi)容相匹配，形成少而精的教學(xué)大綱內(nèi)容，以利于少學(xué)時(shí)教學(xué)和專業(yè)應(yīng)用。

縱觀光伏產(chǎn)業(yè)鏈，從硅原料的制備和提純，單晶硅多晶硅的生產(chǎn)加工，光伏電池和組件系統(tǒng)的生產(chǎn)，與材料科學(xué)基礎(chǔ)關(guān)聯(lián)的地方還不少。硅晶體的表面形貌、生長(zhǎng)方向、生長(zhǎng)棱線、層向生長(zhǎng)過(guò)程對(duì)應(yīng)晶體學(xué)知識(shí)、晶向晶面及特征的描述；其中融入硅和化合物半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)和電性能對(duì)應(yīng)著合金結(jié)構(gòu)和固態(tài)電子論的知識(shí)，并牽涉到結(jié)合鍵，能帶理論、半導(dǎo)體性能、光伏原理和光伏電池效率；晶片生產(chǎn)中缺陷位錯(cuò)的控制（頸縮工藝等）以及電池片效率改進(jìn)對(duì)應(yīng)著晶體的缺陷理論；單晶多晶的形核生 長(zhǎng)、環(huán)境控制、質(zhì)量控制對(duì)應(yīng)著凝固結(jié)晶理論；硅中雜質(zhì)含量及分布以及柵線印刷、焊接、歐姆接觸對(duì)應(yīng)合金知識(shí)相圖相變知識(shí)；PN結(jié)形成、焊接合金化過(guò)程、光生少子的擴(kuò)散和壽命、I-U特性曲線的擴(kuò)散方程推求對(duì)應(yīng)擴(kuò)散理論中的穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散；晶硅加工生產(chǎn)過(guò)程中的變形和損傷對(duì)應(yīng)固體范性形變和再結(jié)晶；多晶的晶界和單晶多晶的制備過(guò)程中的固液界面對(duì)應(yīng)界面理論。此外，掌握熱力學(xué)基本知識(shí)對(duì)分析缺陷、表面、相圖相變、凝固結(jié)晶都非常有用，對(duì)材料分類論述的三大類別材料如金屬、陶瓷、高分子各論也要介紹，這部分內(nèi)容具體涉及銀漿與硅的歐姆接觸、互聯(lián)條焊接、石英容器性能、封裝用鋁合金、TPT、EVA的使用性能?；谝陨戏治觯纬傻恼n程知識(shí)點(diǎn)和相關(guān)內(nèi)容以及重點(diǎn)難點(diǎn)見(jiàn)表1。

二、依據(jù)學(xué)生特點(diǎn)改革教學(xué)方式

此階段學(xué)生的主要特點(diǎn)有：①理論基礎(chǔ)較為薄弱。②從應(yīng)用型到研究型的學(xué)習(xí)習(xí)慣還未轉(zhuǎn)變。對(duì)這兩特點(diǎn)，在制訂學(xué)習(xí)內(nèi)容后還有一個(gè)如何讓其有效接受消化的過(guò)程，不適當(dāng)?shù)毓噍敃?huì)使學(xué)生理解困難，對(duì)學(xué)習(xí)失去興趣，從而也失去了教學(xué)意義。結(jié)合教學(xué)實(shí)踐，筆者認(rèn)為從以下幾個(gè)方面可以改善效果。

（1）精選教材。教材的選用原則是中等難度，有基礎(chǔ)的數(shù)理化知識(shí)銜接，便于自學(xué)和理清課程體系，也便于學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和受到啟發(fā)，提出問(wèn)題。不宜一下子導(dǎo)入艱深的理論。好的教材閱讀能夠激發(fā)興趣，深入淺出，讓人受益。材料科學(xué)基礎(chǔ)作為普適課程，教材種類繁多，深度廣度側(cè)重點(diǎn)各有不同。貴州大學(xué)的張曉燕教授主編的《材料科學(xué)基礎(chǔ)（第二版）》具有以上特點(diǎn)，筆者認(rèn)為比較適用。

（2）提供配套的參考資料和習(xí)題冊(cè)。作為經(jīng)典理論，材料科學(xué)基礎(chǔ)暫時(shí)不會(huì)過(guò)時(shí)，現(xiàn)有的參考資料應(yīng)該是比較豐富的，應(yīng)該選擇性地看一些，特別是習(xí)題冊(cè)，更是和教材一樣必備，因?yàn)槔碚摰亩ㄐ院投客瑯又匾枰Y(jié)合實(shí)際進(jìn)行計(jì)算和練習(xí)，習(xí)題能夠加深學(xué)生對(duì)抽象理論的認(rèn)識(shí)，效果明顯，能增強(qiáng)學(xué)生的成就感和求知欲。

（3）實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證有助于理解理論。配套實(shí)驗(yàn)可以幫助學(xué)生鞏固加深課堂理論知識(shí)，讓學(xué)生掌握基本實(shí)驗(yàn)技能，培養(yǎng)學(xué)生自己分析問(wèn)題、發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，讓學(xué)生獲得更多的感性體驗(yàn)和創(chuàng)新體驗(yàn)，在光伏材料生產(chǎn)中，處處有材料外觀、缺陷、性能以及工藝參數(shù)等的檢測(cè)，過(guò)程檢測(cè)更是質(zhì)量保證的關(guān)鍵，一些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和檢測(cè)有密切相關(guān)，應(yīng)該加以訓(xùn)練。如晶體結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)中的典型金屬結(jié)構(gòu)的鋼球堆積結(jié)構(gòu)模型分析實(shí)驗(yàn)、單偏光下晶體光學(xué)性質(zhì)，非晶態(tài)的結(jié)構(gòu)性質(zhì)和玻璃析晶實(shí)驗(yàn)（與長(zhǎng)晶過(guò)程的坩堝析晶有關(guān)）、擴(kuò)散和固相反應(yīng)動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)，以及電阻測(cè)定實(shí)驗(yàn)等。

（4）明確概念，將理論講解淺顯化、簡(jiǎn)化或省略推導(dǎo)，過(guò)程讓學(xué)生對(duì)基本概念產(chǎn)生深刻印象，后續(xù)教學(xué)才能順理成章。教師應(yīng)重點(diǎn)講解參數(shù)的物理意義和相關(guān)概念，對(duì)求解過(guò)程作一般介紹和原則說(shuō)明，以便于學(xué)生快速接受知識(shí)。

（5）利用網(wǎng)絡(luò)資源如魔課，愛(ài)課程等多媒體手段開(kāi)展教學(xué)。應(yīng)該承認(rèn)，有些東西確實(shí)難以講清，因此晶體結(jié)構(gòu)的三維圖、原子進(jìn)入間隙位置的動(dòng)畫(huà)演示、擴(kuò)散微觀過(guò)程動(dòng)態(tài)展示、缺陷產(chǎn)生增值過(guò)程和運(yùn)動(dòng)方式的直觀視頻顯示，這些似乎都離不開(kāi)多媒體展示，可以極大提升學(xué)生的空間想象力。這些都得益于現(xiàn)代數(shù)碼技術(shù)可以把最微細(xì)的結(jié)構(gòu)和復(fù)雜過(guò)程進(jìn)行立體展示。網(wǎng)絡(luò)資源也要好好利用，網(wǎng)上課堂是主要方式，具有簡(jiǎn)明易懂的優(yōu)點(diǎn)。

（6）互動(dòng)答疑及時(shí)解決疑問(wèn)，按照邏輯體系進(jìn)行內(nèi)容順序重排。由于材料科學(xué)基礎(chǔ)是一門(mén)邏輯體系嚴(yán)密的理論課，在教學(xué)過(guò)程中不能生搬教材中的章節(jié)安排，應(yīng)該從學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu)來(lái)重新安排內(nèi)容序列，力圖使學(xué)生運(yùn)用現(xiàn)有的力學(xué)、數(shù)理化知識(shí)就能理解各種規(guī)律，由于先后次序很重要，因此及時(shí)解決問(wèn)題可為下面章節(jié)授課鋪路。

（7）從理論到實(shí)踐，再?gòu)膶?shí)踐回到理論，實(shí)現(xiàn)良性循環(huán)，螺旋上升。用理論分析和解決是最好的服務(wù)生產(chǎn)實(shí)踐方式，也是學(xué)習(xí)基礎(chǔ)理論的價(jià)值所在。

通過(guò)以上針對(duì)3+2銜接階段教學(xué)方式的改進(jìn)，學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性得到提升，專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)得到鞏固，結(jié)合專業(yè)實(shí)踐，也促進(jìn)了其他課程的學(xué)習(xí)，這對(duì)以后的學(xué)習(xí)和創(chuàng)新是有益的。3+2分段培養(yǎng)能夠成就技能和學(xué)術(shù)兼?zhèn)涞娜瞬?，可滿足未來(lái)光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展對(duì)人才的需求，應(yīng)該是一種值得倡導(dǎo)的模式。

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