淺析《新能源材料與器件》研究生課程學習與能力培養(yǎng)

郝惠蓮 李文堯 顧 文

（上海工程技術大學材料工程學院 上海 201601）

自21世紀以來，“能源”問題儼然已經(jīng)成為世界各個國家之間競爭的焦點問題之一。如今，能源缺少、資源爭奪以及過度開發(fā)使用能源造成的環(huán)境污染等嚴重問題，正威脅著現(xiàn)代人類的生存與發(fā)展。探索開發(fā)新能源，是人類面對已經(jīng)到來的能源危機時，尋求可持續(xù)發(fā)展迫在眉睫的事情。培養(yǎng)新能源領域的高新技術人才，已經(jīng)成為我國高校教育的重要目標之一。我國在2010年將“新能源材料與器件專業(yè)”確定為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)相關專業(yè)之一。隨著石油、煤炭、天然氣等常規(guī)能源的日益減少以及所引起的環(huán)境惡化問題逐漸突出，以具有環(huán)境保護和清潔可持續(xù)再生等優(yōu)點為特點的綠色新能源越來越受到全世界的重視。新能源一般被定義為在新型技術的基礎上加以開發(fā)利用的綠色、清潔無污染的可再生能源，主要包括太陽能、水能、生物質(zhì)能、風能能和甲醇等。2006年頒發(fā)的《國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要》報告中明確提出，一定要把發(fā)展綠色清潔能源和水資源技術等新型技術放在優(yōu)先位置，盡最大努力解決制約目前社會經(jīng)濟發(fā)展的重大瓶頸問題。同時并提出2020年可再生能源總量比重將提高到15%，2035年～2040年，可再生能源將占到我國一次能源總量的25%以上的目標。在此背景下，發(fā)展環(huán)境友好、地域分布相對均衡的新能源成為各國努力的主要方向。新能源材料和技術是新能源發(fā)展的重要核心和基礎，近年來我國在太陽能電池（如晶體硅電池、染料敏化電池、鈣鈦礦電池等）和高性能鋰電池材料和器件制作方面已取得了重大進展和突破。一方面晶體硅太陽電池的研發(fā)和利用目前已位居世界各國之首，另一方面鋰電池動力電池的發(fā)展創(chuàng)造了有利條件，成為世界第二生產(chǎn)大國。基于市場需求和政策的利好形勢，《新能源材料與器件》課程的開設是當代經(jīng)濟社會發(fā)展的必然需求。

新型材料的研發(fā)與探究，高效率器件的探索和研制，無一不需要創(chuàng)新。培養(yǎng)創(chuàng)新型、實踐能力強的人才刻不容緩?！缎履茉床牧吓c器件》課程是建立在材料科學基礎、大學物理、半導體物理與器件、材料物理化學等基礎課和專業(yè)課之上的，交叉性強、覆蓋面廣的綜合性學科。目前我國一些高校（如電子科技大學、中南大學和東南大學）等已經(jīng)開設了新能源材料與器件本科專業(yè)，并取得了長足的進步。但我校目前本科專業(yè)中還未設置該專業(yè)。而且對于我校材料物理與化學系的碩士導師和研究生，大多數(shù)老師和同學的研究方向主要涉及超級電容器、鋰電池、光催化等新能源材料及器件方面的課題研究，因此《新能源材料與器件》課程在我校材料物理與化學專業(yè)碩士教育中的開設勢在必行。

作為一個新興專業(yè)和一門新開設課程，目前還未對其進行相關的課程建設。本文結合我校在碩士研究生教育教學中的《新能源材料與器件》授課情況和實踐環(huán)節(jié)的問題和經(jīng)驗，并對其進行了相應的總結。近五年來，我系專業(yè)教師結合學院（系）里的實際教學資源對國內(nèi)外高校培養(yǎng)方案進行了充分地調(diào)研，然后在此基礎上不斷地進行修訂與完善本專業(yè)的教學培養(yǎng)方案：以鎳氫金屬電池、新型超級電容器、鋰離子電池技術材料、新型光伏太陽能電池材料等為專業(yè)特色，注重基礎理論知識和實踐技能相結合，加強學生對基礎理論知識的學習，并同時拓寬學生的知識面、培養(yǎng)學生的動手實踐與創(chuàng)新意識和能力，為培養(yǎng)新時代能夠從事新能源科學與技術的人才奠定良好的基礎。

眾所周知，作為新能源的轉(zhuǎn)化利用以及開發(fā)發(fā)展新能源技術的核心關鍵，新能源材料的開發(fā)及利用則成為了國家大力發(fā)展新能源的戰(zhàn)略性重大問題，而《新能源材料與器件》這門課程也成為研究新能源材料與器件的碩士課程核心必修課程之一。掌握《新能源材料與器件》課程將為學生今后從事新能源材料及器件的研發(fā)和工作奠定堅固的基礎?！缎履茉床牧吓c器件》課程的內(nèi)容涵蓋范圍非常廣，所以需要較多的基礎理論課來作為支撐，主要包括大學物理（力熱光電）、大學化學（有機，無機，分析和物理化學）、半導體物理及器件、材料科學基礎等基礎和專業(yè)課等多學科知識交叉的綜合課程。盡管目前我國已經(jīng)有一些高校已經(jīng)開設了新能源材料與器件專業(yè)及相應的專業(yè)課，但作為一個新興專業(yè)及一門新課程，其相關課程建設比較滯后。作者根據(jù)幾年來講授《新能源材料及器件》課程的總結和體會，對該課程的教學內(nèi)容、教學方法和考試方式的優(yōu)化和改革等相關教學內(nèi)容進行了初步的探討，以期更進一步提高該課程的教學質(zhì)量和教學效果。

1 重視教材和教學內(nèi)容選取

《新能源材料與器件》這門課程內(nèi)容豐富，知識點涵蓋面廣，并且專業(yè)知識領域跨度較大。我們所選用的《新能源材料與器件》教材是由華東理工大學出版的，吳其勝老師編著的《新能源材料》。主要包括金屬-鎳氫電池，鋰離子電池，新型發(fā)光材料，太陽能電池等章節(jié)，其中每一章節(jié)所涉及到的內(nèi)容涵蓋范圍非常廣，每一章的內(nèi)容都是一個單獨的研究領域。但對于任課老師來說，其專長一般只涉及到某一個或兩個領域，往往在其他領域方面的研究是有限的。因此，《新能源材料與器件》豐富的課程內(nèi)容對于主講任課教師來講是一個巨大的挑戰(zhàn)。

研究生教學要充分發(fā)揮研究生的主觀能動性，一定要參與到課堂中。我們所使用的《新能源材料與器件》教材主要包括鎳氫電池、鋰離子電池、燃料電池、太陽能電池、照明發(fā)光材料和相變儲能材料等先進能源材料與器件。上課時不僅僅局限于書本上的章節(jié)內(nèi)容，老師和同學都要去下載一些比較新的高檔次的科研論文，實時掌握新能源、新材料和新技術的發(fā)展趨勢和前沿。這樣才能更好地培養(yǎng)和提高學生的分析和解決問題的能力。

目前教學當中面臨的另外一個問題是：《新能源材料與器件》是目前國內(nèi)外關于能源領域研究的熱點問題，所以知識更新速度較快?！缎履茉床牧吓c器件》目前作為全世界的研究熱點，其知識的更新速度非?？?。再者，新能源作為全新的技術，很多技術環(huán)節(jié)并不是很成熟，其中很多基礎的理論，原理以及材料器件技術目前國際上仍處于開發(fā)研究階段，而絕大部分書本上的知識均是已經(jīng)很成熟或比較成熟的基礎理論，所以書本知識相對于新能源的材料及技術研發(fā)相對落后。鑒于以上問題，我們在教學過程中采取將科研引入課堂的教學模式。將科研引入課堂，是培養(yǎng)大學生尤其是碩士生創(chuàng)新能力非常有效的方法，也是目前高等教育最顯著的特點之一。通過老師向?qū)W生介紹相關研究課題組正在進行的研究項目，并引導學生自己積極進行調(diào)研，通過查閱文獻的方式鼓勵學生去了解關于新能源材料與器件技術等方面的最新研究進展，以實時把握相關的研究熱點，研究動態(tài)和研究前沿。

2 立足理論，重視實踐

新能源材料與器件技術中涉及的不同的材料與器件的工作機理通常各不相同。故，牢固掌握材料的結構和性能、器件的工作原理和主要性能參數(shù)是能夠開發(fā)出高質(zhì)量新材料和器件的基礎，尤其對于研究生來說，也是他們能夠進行高質(zhì)量研發(fā)的根基。對于晶體硅太陽能電池而言，它由正極(Ag-Al)、PN結(p-Si硅和n-Si硅)和負極（鍍有SiNx薄膜面）組成，其工作原理為：P-N結中的電子吸收光子能量后形成電子-空穴對，電子被迅速傳遞到半導體中具有高能級的導帶中并進一步經(jīng)外電路傳遞。顯然，該電路的開路電壓、短路電流，轉(zhuǎn)換效率就是非常重要的性能表征參數(shù)。在教學過程中組織學生對電池進行不同光強下進行I-V特性測試，并讓學生利用數(shù)據(jù)處理軟件（如origin，excel等）對結果進行處理分析，從而可以讓學生學以致用，并調(diào)動其積極性。

3 基于實踐開展學術前沿

《新能源材料與器件》是一門交叉性廣、綜合性和實踐性均非常強的課程。在實踐教學中，通過提出或引導學生自己提出問題，充分發(fā)揮學生的主觀能動性，通過學生親自動手操作，結合討論和講解等多種形式，使學生能夠高質(zhì)量完成老師布置的任務，從而學會掌握相關的理論或?qū)嵺`技能。這種方法授課方式可以為研究生的課題開展起到啟發(fā)作用。在科研方面，老師們積極引導學生閱讀與課程內(nèi)容相關的最新進展文獻，以保證學生可以及時了解學科最新前沿動態(tài)。考慮到新能源材料與器件涵蓋面廣，結合我院（系）老師們的研究課題方向，我們專業(yè)目前基本確定了三大類特色方向：（1）能量儲存材料與器件：如超級電容器；（2）發(fā)光材料：如石墨烯量子點和硅納米晶量子點；（3）能量轉(zhuǎn)化材料與器件：燃料敏化電池，鋰離子電池等。我們根據(jù)以上三大類特色方向為同學們開設實驗課，充分利用我們系的一些制備和測試儀器和設備，如拉曼光譜，熒光光譜儀，X-射線衍射儀，電化學工作站等。通過學生親自動手實驗，可讓學生系統(tǒng)地掌握新能源材料及相關器件的制備、組裝和性能測試方法，促使他們在實驗中發(fā)現(xiàn)問題、分析問題并通過討論、調(diào)研等手段達到解決問題，從而可以滿足出具有應用型、創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)要求。

4 創(chuàng)新性教育

在碩士研究生的授課過程中，除了在課堂上講解基本知識，學生查閱文獻并以PPT形式討論交流外，我們系專業(yè)老師每學期都會不定期地開展有關新能源材料與器件系列學術報告，與學生分享新能源方面的研究動態(tài)，密切跟進新能源的新的研究成果。每年還會鼓勵學生參加一些上海市級或者校級的創(chuàng)新材料大賽和創(chuàng)新實驗等創(chuàng)新活動。通過文獻調(diào)研，親自動手實驗等方式，讓學生在新能源材料與器件技術方面得以學以致用，從而激發(fā)學生的學習興趣。

綜上所述，根據(jù)材料物理與化學的專業(yè)培養(yǎng)目標，并針對材料物理與化學課堂和實踐教學方面所存在的問題，結合碩士研究生的科研優(yōu)勢，提出新能源材料與器件課程教學的改進措施。教師在教學過程中應充分以學生為主體，并實現(xiàn)“以教為中心”向“教學相長”模式的轉(zhuǎn)變，加強對學生進行創(chuàng)造性思維和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)訓練，使學生更快地吸收理論知識，從而使得學生具備分析問題和解決問題的能力，以期達到培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力。