新能源材料與器件新工科實(shí)踐教學(xué)系統(tǒng)探索

宋 健 朱 磊 顧修全 趙宇龍

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)材料與物理學(xué)院 江蘇·徐州 221116）

1 新能源材料與器件專業(yè)特點(diǎn)及實(shí)踐教學(xué)重要性

面對(duì)當(dāng)前新的經(jīng)濟(jì)形勢(shì)、產(chǎn)業(yè)形勢(shì)、教育形勢(shì)，我國(guó)適時(shí)開展了新工科建設(shè)，這是持續(xù)深化我國(guó)工程教育改革的重大戰(zhàn)略。[1,2]能源是社會(huì)發(fā)展的基礎(chǔ)，新能源有別于煤、石油、天然氣等化石能源，主要包括太陽(yáng)能、風(fēng)能、生物質(zhì)能、水能等可再生能源形式。新能源的高效利用離不開材料科學(xué)的支持，但是，僅僅依靠材料學(xué)科無法支撐新能源材料與器件新工科的建設(shè)，需要物理、化學(xué)、生物、材料、電子、機(jī)械等多學(xué)科支撐。因此，新能源材料與器件專業(yè)具有交叉性、綜合性與復(fù)雜性，在一定的學(xué)制下，專業(yè)知識(shí)體系需要依據(jù)專業(yè)特點(diǎn)進(jìn)行重構(gòu)。新能源材料與器件主要針對(duì)新一代高性能能源轉(zhuǎn)化與存儲(chǔ)技術(shù)，面向的是現(xiàn)實(shí)的復(fù)雜工程問題，所以實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)至關(guān)重要。當(dāng)前，實(shí)踐教學(xué)主要包括實(shí)驗(yàn)課程、認(rèn)識(shí)（生產(chǎn)）實(shí)習(xí)、課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)等。《國(guó)家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020年）》強(qiáng)調(diào)要不斷強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，支持學(xué)生參與科學(xué)研究，增強(qiáng)學(xué)生解決實(shí)際問題的能力。因此，有針對(duì)性改革新能源材料與器件專業(yè)實(shí)踐教學(xué)，對(duì)于新工科建設(shè)有重要意義。

2 新能源材料與器件實(shí)踐教學(xué)的難點(diǎn)

實(shí)踐教學(xué)難不僅僅是新能源材料與器件專業(yè)的問題，而是普遍存在于實(shí)踐性較強(qiáng)的理工科專業(yè)。[3-5]同時(shí)，實(shí)踐教學(xué)涉及的也不僅是專業(yè)知識(shí)的問題，更多的是培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手操作、應(yīng)對(duì)復(fù)雜問題、安全意識(shí)、團(tuán)隊(duì)協(xié)作等需要長(zhǎng)時(shí)間訓(xùn)練才能有顯著效果的能力。新能源材料與器件實(shí)踐教學(xué)有其獨(dú)特的專業(yè)性質(zhì)，而傳統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)無論在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式，還是教學(xué)效果上都存在比較突出的問題，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容上，主要借鑒材料科學(xué)、化學(xué)等相關(guān)學(xué)科的基礎(chǔ)制備與表征實(shí)驗(yàn)，且內(nèi)容較為死板，多為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。[6]學(xué)生按照實(shí)驗(yàn)課本開展實(shí)驗(yàn)，雖然可以鍛煉動(dòng)手能力，但由于實(shí)驗(yàn)參數(shù)、實(shí)驗(yàn)配方已固定，因而失去了對(duì)實(shí)驗(yàn)過程中復(fù)雜因素的獨(dú)立判斷和系統(tǒng)總結(jié)的機(jī)會(huì)。當(dāng)然，這還與實(shí)驗(yàn)課時(shí)少有關(guān)，指導(dǎo)教師無法在既定時(shí)間內(nèi)完成創(chuàng)新性實(shí)踐任務(wù)，學(xué)生也無法在短時(shí)間內(nèi)鍛煉創(chuàng)新能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神。另外，對(duì)于有危險(xiǎn)性的實(shí)驗(yàn)，指導(dǎo)教師從安全的角度出發(fā)，往往會(huì)選擇避開，這也使得學(xué)生缺乏安全意識(shí)方面的實(shí)踐機(jī)會(huì)。

（2）在教學(xué)方式上，主要傳承基礎(chǔ)學(xué)科實(shí)驗(yàn)方式，即任課教師復(fù)述或?qū)嵅僖槐閷?shí)驗(yàn)，學(xué)生照此演練。以傳統(tǒng)形式開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)，學(xué)生失去了試錯(cuò)的機(jī)會(huì)，只知道正確的做法而不知其緣由，也不利于調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性，學(xué)生缺乏實(shí)驗(yàn)熱情，只為完成任務(wù)或修滿學(xué)分。因此，創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)方式也是改革的重要一環(huán)。

（3）在實(shí)習(xí)方面，無論是認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)還是生產(chǎn)實(shí)習(xí)，通常多以參觀為主。從學(xué)校角度看，希望學(xué)生能夠深入生產(chǎn)一線，深刻理解新能源材料與器件生產(chǎn)過程中涉及的設(shè)備、技術(shù)與管理。然而，高校實(shí)習(xí)經(jīng)費(fèi)有限，無法與實(shí)力雄厚的企業(yè)建立穩(wěn)定的實(shí)習(xí)關(guān)系。從企業(yè)角度看，出于安全考慮或技術(shù)保密，同時(shí)考慮到學(xué)生實(shí)習(xí)周期有限，企業(yè)通常不愿意安排學(xué)生到具體工作崗位實(shí)操。另外，企業(yè)接待大學(xué)生實(shí)習(xí)部分原因是吸引優(yōu)秀學(xué)生去工作，因此不會(huì)安排學(xué)生從事一線體力勞動(dòng)。學(xué)生只能走馬觀花式地完成實(shí)習(xí)內(nèi)容，表面上看參觀了很多企業(yè)，聽了很多現(xiàn)場(chǎng)講解，但收獲并不多。因此，如何協(xié)調(diào)學(xué)校與企業(yè)的關(guān)系，使得我們有一致的目標(biāo)和利益，對(duì)于提高實(shí)習(xí)效果至關(guān)重要。

（4）在畢業(yè)設(shè)計(jì)方面，學(xué)生選題通常是基于指導(dǎo)教師的科研課題，偏重基礎(chǔ)理論和實(shí)驗(yàn)室研究，無法真正培養(yǎng)出適應(yīng)新經(jīng)濟(jì)發(fā)展要求的科學(xué)基礎(chǔ)厚、工程能力強(qiáng)、綜合素質(zhì)高的人才。

3 新能源材料與器件實(shí)踐教學(xué)探索

中國(guó)礦業(yè)大學(xué)材料與物理學(xué)院材料科學(xué)與工程(能源材料方向)被評(píng)為第七批國(guó)家特色專業(yè)建設(shè)點(diǎn)，早在制定2012 版培養(yǎng)方案時(shí)就提出設(shè)立能源材料課組課程，在2016 版培養(yǎng)方案中進(jìn)一步明確了能源材料方向，并圍繞能量轉(zhuǎn)化與存儲(chǔ)開設(shè)了相關(guān)實(shí)踐教學(xué)課程。經(jīng)過數(shù)年的努力和持續(xù)建設(shè)，學(xué)院于2019年獲批新能源材料與器件新工科專業(yè)。長(zhǎng)期以來，學(xué)院在新能源材料與器件專業(yè)發(fā)展方面始終貫徹以下策略，即依靠學(xué)院在太陽(yáng)能光伏技術(shù)、鋰離子電池、燃料電池技術(shù)與材料、超級(jí)電容器、光催化等相關(guān)領(lǐng)域形成的高效穩(wěn)定的科研集體，利用已取得的若干新能源材料領(lǐng)域的教學(xué)科研成果，開展實(shí)踐教學(xué)、學(xué)生學(xué)術(shù)科技活動(dòng)與創(chuàng)新型人才培養(yǎng)模式緊密結(jié)合。結(jié)合近年來專業(yè)發(fā)展的經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)上述普遍存在的實(shí)踐教學(xué)問題，我們的主要改革方法如下：

（1）在實(shí)驗(yàn)課程方面，開設(shè)了新能源材料基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)與新能源材料課程設(shè)計(jì)，厘清了專業(yè)基礎(chǔ)與綜合應(yīng)用的區(qū)別。新能源材料基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)主要開設(shè)6 個(gè)化學(xué)、材料相關(guān)的基礎(chǔ)制備與表征實(shí)驗(yàn)，側(cè)重對(duì)學(xué)生基本實(shí)驗(yàn)?zāi)芰ε囵B(yǎng)，同時(shí)讓學(xué)生加深對(duì)課本知識(shí)的理解。經(jīng)過基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練后，開展課程設(shè)計(jì)，即圍繞太陽(yáng)能電池技術(shù)、鋰離子電池技術(shù)、超級(jí)電容器技術(shù)、燃料電池技術(shù)、光催化制氫技術(shù)5 個(gè)方面，讓學(xué)生完成從原料選取、材料制備到器件組裝的過程。課程設(shè)計(jì)共計(jì)10 天，學(xué)生有充足的時(shí)間查閱文獻(xiàn)，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，并完成器件組裝。在此過程中，學(xué)生可以充分運(yùn)用所學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)和基本實(shí)驗(yàn)技能，可充分發(fā)揮創(chuàng)新能力與團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神，同時(shí)學(xué)習(xí)并通過實(shí)驗(yàn)室安全測(cè)試，培養(yǎng)安全意識(shí)。

（2）在科研能力訓(xùn)練方面，將學(xué)院本科生導(dǎo)師制、大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目與畢業(yè)設(shè)計(jì)有機(jī)結(jié)合，讓學(xué)生有充足的時(shí)間接受系統(tǒng)科研訓(xùn)練。同時(shí)，鼓勵(lì)指導(dǎo)教師根據(jù)自身科研成果開設(shè)開放實(shí)驗(yàn)課程供學(xué)生選擇。將實(shí)踐課程與科研訓(xùn)練結(jié)合起來，為學(xué)生提升創(chuàng)新能力、展示創(chuàng)新思維提供了廣闊平臺(tái)，當(dāng)然也為學(xué)生提供了更多的試錯(cuò)機(jī)會(huì)。近年來，學(xué)科有多位本科生以第一作者發(fā)表了高水平研究論文，取得了不錯(cuò)的成績(jī)。

（3）在實(shí)習(xí)方面，梳理了認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)與生產(chǎn)實(shí)習(xí)的承接關(guān)系。選擇行業(yè)標(biāo)桿企業(yè)開展認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)，以參觀交流為主。實(shí)習(xí)企業(yè)涵蓋了光伏、動(dòng)力電池、鉛酸電池、照明、半導(dǎo)體、傳感等企業(yè)，范圍較廣，讓學(xué)生對(duì)新能源材料與器件行業(yè)有初步了解。而對(duì)于生產(chǎn)實(shí)習(xí)，我們堅(jiān)持頂崗與跟班的實(shí)習(xí)模式，努力尋找愿意接收學(xué)生實(shí)習(xí)的企業(yè)，并與其簽訂實(shí)習(xí)協(xié)議，共建實(shí)習(xí)基地。將學(xué)生分成若干個(gè)10 人左右的實(shí)習(xí)小組，以小組形式進(jìn)入實(shí)習(xí)企業(yè)，在4 周的實(shí)習(xí)期內(nèi)，小組成員在企業(yè)內(nèi)部進(jìn)行輪崗。另外，除了利用教師個(gè)人關(guān)系尋找合適實(shí)習(xí)企業(yè)外，我們還借助地方政府聯(lián)系實(shí)習(xí)企業(yè)。比如，2019 年，我們聯(lián)系了江蘇省高郵市經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)管委會(huì)，在對(duì)方的幫助下，最終確定了五家與新能源密切相關(guān)的實(shí)習(xí)企業(yè)。在實(shí)習(xí)過程中，所有小組均采用頂崗與跟班實(shí)習(xí)模式，進(jìn)入企業(yè)生產(chǎn)一線。企業(yè)還安排了專題講座，工程師就某一工藝段或設(shè)備進(jìn)行詳細(xì)講解。同時(shí)，學(xué)生在工藝工程師崗位、品質(zhì)工程師崗位、設(shè)備工程師崗位、管理崗位進(jìn)行輪崗實(shí)習(xí)，學(xué)生收獲頗豐。

（4）在畢業(yè)設(shè)計(jì)方面，擺脫了單一的實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)研究，主動(dòng)邀請(qǐng)企業(yè)參與本科畢業(yè)設(shè)計(jì)。一方面，每年與合作企業(yè)協(xié)商，由企業(yè)出具若干畢設(shè)題目，經(jīng)學(xué)院審核后向?qū)W生開放申請(qǐng)通道。這部分學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計(jì)由校內(nèi)和校外雙導(dǎo)師負(fù)責(zé)，校內(nèi)導(dǎo)師要定期與企業(yè)導(dǎo)師及學(xué)生溝通進(jìn)展情況，并指導(dǎo)學(xué)生凝練生產(chǎn)實(shí)際中的科學(xué)問題。比如，我們與時(shí)代上汽合作開發(fā)動(dòng)力電池方面的畢設(shè)題目，使得學(xué)生的畢設(shè)選題更貼近生產(chǎn)實(shí)際，解決實(shí)際問題。另一方面，我們邀請(qǐng)企業(yè)專家參加本科畢業(yè)答辯，專家從企業(yè)生產(chǎn)和工程實(shí)踐方面來點(diǎn)評(píng)畢設(shè)內(nèi)容，可以再次強(qiáng)化學(xué)生工程實(shí)踐意識(shí)。例如，我們先后邀請(qǐng)了江蘇中宇光伏、江蘇華恒新能源等企業(yè)專家參與畢業(yè)答辯，取得了很好的效果。

4 總結(jié)

新能源材料與器件實(shí)踐教學(xué)是一個(gè)系統(tǒng)工程，包含了眾多實(shí)踐項(xiàng)目，而各個(gè)環(huán)節(jié)間又密切聯(lián)系。為了實(shí)現(xiàn)新工科對(duì)人才的培養(yǎng)目標(biāo)，我們需要構(gòu)建一個(gè)厚基礎(chǔ)、重創(chuàng)新、近工程、有深度的實(shí)踐教學(xué)體系。即通過基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程使學(xué)生打牢領(lǐng)域內(nèi)基本的實(shí)驗(yàn)技能，通過科研訓(xùn)練培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和創(chuàng)新意識(shí)，通過實(shí)習(xí)過程拉近學(xué)生與生產(chǎn)一線的距離，通過校企合作的畢業(yè)設(shè)計(jì)培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際工程問題、凝練科學(xué)問題的能力。我相信，圍繞這一目標(biāo)努力建設(shè)新能源材料與器件實(shí)踐教學(xué)體系，必然能夠培養(yǎng)出適應(yīng)我國(guó)工程技術(shù)發(fā)展的新工科人才。