基于成果導(dǎo)向教育理念的新能源材料與器件專業(yè)實驗教學(xué)研究

曹賽男

(南京工業(yè)大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 211816)

隨著全球經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，能源和環(huán)境問題愈加嚴(yán)重，只有大力發(fā)展新能源，才能實現(xiàn)國家經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展情況能夠衡量一個國家的高新技術(shù)工業(yè)發(fā)展水平。近幾十年來，我國的新能源產(chǎn)業(yè)在政府相關(guān)政策的扶持下發(fā)展迅速，已處于世界前列。新能源產(chǎn)業(yè)對于人才的需求量不斷增加，尤其是能夠掌握新能源材料與器件專業(yè)知識的高級應(yīng)用型人才[1]。然而由于新能源相關(guān)專業(yè)人才培養(yǎng)的問題，現(xiàn)在行業(yè)內(nèi)存在著巨大的人才缺口，尤其缺乏高層次專業(yè)人才。新能源能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)化和利用，新能源技術(shù)能夠得到有力發(fā)展的關(guān)鍵是新能源材料與器件[2]。2010年，國家教育部旨在發(fā)展新能源、新材料等戰(zhàn)略型新興產(chǎn)業(yè)，在高等學(xué)校開始設(shè)置"新能源材料與器件"這一新專業(yè)[3]。截至2020年，已有82所高等院校開設(shè)此專業(yè)。

南京工業(yè)大學(xué)2014年依托于新能源科學(xué)研究成果以及現(xiàn)有的學(xué)科優(yōu)勢，獲批了新能源材料與器件本科專業(yè)并在2015年開始招生。該專業(yè)自成立以來就一直受到學(xué)校和學(xué)院的極大重視，對其建設(shè)投入了大量的人力和物力。2014～2020年本科教學(xué)實驗室儀器設(shè)備總值為160萬元，總件數(shù)為60余件。實驗室設(shè)備利用率高達(dá)96%以上，給全面開展本科生專業(yè)實驗提供了重要的硬件支持。在教學(xué)師資方面，專業(yè)師資力量雄厚，具有一支高水平師資隊伍：國家杰出青年基金獲得者、多年入選"全球高被引學(xué)者"作為學(xué)術(shù)帶頭人，中組部青年千人及省特聘教授作為骨干力量，年輕的講師和副教授作為后備軍。

新能源材料與器件專業(yè)主要培養(yǎng)學(xué)生對于換能和儲能材料的認(rèn)識，以及設(shè)計、制造器件等工程技術(shù)[4]。建設(shè)該專業(yè)的思路是以新能源的應(yīng)用以及產(chǎn)業(yè)發(fā)展對于專業(yè)型人才在知識、素質(zhì)和能力等方面的綜合要求為導(dǎo)向，培養(yǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展亟需的高層次新能源專業(yè)工程技術(shù)人才。實驗教學(xué)對于新能源專業(yè)型技術(shù)人才的培養(yǎng)起著重要作用，有利于培養(yǎng)本科生把理論知識與生產(chǎn)實踐相結(jié)合，在實際應(yīng)用中具有創(chuàng)新能力、分析和解決問題能力。本文以南京工業(yè)大學(xué)為例，目前新能源材料與器件專業(yè)的實驗課程建設(shè)仍處于剛起步階段，針對該專業(yè)目前的實驗教學(xué)情況，以成果導(dǎo)向教育理念為基礎(chǔ)，對專業(yè)實驗教學(xué)體系以及實驗課程的科學(xué)設(shè)置進(jìn)行研究和探索。

1 新能源材料與器件專業(yè)實驗教學(xué)的現(xiàn)狀

從2010年開始全國各高校才設(shè)立了新能源材料與器件專業(yè)，而且最早僅有十多所高校設(shè)立該專業(yè)，截至目前只有為數(shù)不多的幾屆學(xué)生畢業(yè)[5]。我校該專業(yè)的學(xué)科建設(shè)正處于剛起步還在探索階段，沒有成熟的經(jīng)驗可以借鑒。根據(jù)我校新能源材料與器件專業(yè)的就業(yè)情況調(diào)查顯示，該專業(yè)學(xué)生實際應(yīng)用基礎(chǔ)知識的能力沒有達(dá)到用人招聘單位的要求。而且調(diào)查還發(fā)現(xiàn)很多學(xué)生并沒有意識到認(rèn)真完成實驗課程的重要意義，只重視學(xué)習(xí)理論知識，忽視了將所學(xué)知識應(yīng)用于實踐。還有部分學(xué)生認(rèn)為實驗課程內(nèi)容單一，沒有調(diào)動自己的學(xué)習(xí)興趣，以驗證性實驗為主，缺乏創(chuàng)新型，從而導(dǎo)致實驗課程最終未達(dá)到理想效果。新能源材料與器件專業(yè)具有很強(qiáng)的實踐性。如何根據(jù)社會與企業(yè)對于新能源材料與器件技術(shù)型人才的需求，全面提升畢業(yè)生的專業(yè)素養(yǎng)，基于成果導(dǎo)向教育理念，研究科學(xué)的實驗教學(xué)體系以及實驗課程內(nèi)容設(shè)置是當(dāng)前新能源材料與器件專業(yè)面臨的一個全新的難題。各高校都在對其進(jìn)行研究探索，以期能夠使實驗課程內(nèi)容具有綜合性以及創(chuàng)新性，培養(yǎng)學(xué)生對新能源技術(shù)的實際應(yīng)用能力，不斷提高教學(xué)效果和質(zhì)量。

2 基于成果導(dǎo)向教育理念的專業(yè)實驗教學(xué)研究

成果導(dǎo)向教育(OBE)的理念是將學(xué)生通過教育最終獲得的學(xué)習(xí)成果作為教學(xué)導(dǎo)向，反向進(jìn)行教學(xué)設(shè)計以及教學(xué)活動實施。所以，在完善實驗室和師資建設(shè)、設(shè)計實驗教學(xué)體系以及設(shè)置實驗課程內(nèi)容時，應(yīng)該基于“個性化施教”、“目標(biāo)成果導(dǎo)向”的理念，注重培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力和達(dá)成目標(biāo)成果。

2.1 完善實驗室建設(shè)

新能源材料與器件作為一個新開設(shè)的專業(yè)，至今只有6年建設(shè)歷史，基礎(chǔ)弱且底子薄。因為每年下?lián)艿慕ㄔO(shè)經(jīng)費有限，所以相對于其他老牌專業(yè)來說，總體建設(shè)經(jīng)費比較緊張。但是本專業(yè)實驗涉及到的一些實驗儀器價格普遍較高，比如表征材料結(jié)構(gòu)的掃描電子顯微鏡(SEM)、透射電子顯微鏡(TEM)，X射線衍射儀(XRD)等等，動輒幾百萬甚至上千萬，而且還需要有專門人員進(jìn)行維護(hù)管理，設(shè)備套數(shù)嚴(yán)重不足，有的甚至只有一臺。通常分組做實驗的時候，每組只有一個同學(xué)能夠操作儀器設(shè)備，其他同學(xué)都只能在一旁觀看，無法使每個學(xué)生的動手操作能力得到鍛煉。因此基于OBE理念完善實驗室建設(shè)亟待進(jìn)行。

(1)本專業(yè)作為一個新開設(shè)的專業(yè)，還需要學(xué)校能夠增加實驗室建設(shè)費用投入，增加購買實驗教學(xué)設(shè)備。

(2)可以有償借用教師團(tuán)隊的科研設(shè)備作為實驗教學(xué)設(shè)備，讓學(xué)生們有更多的機(jī)會能夠了解并操作一些昂貴的專業(yè)儀器。

(3)可以通過跨學(xué)院以及校企合作提高實驗教學(xué)條件。新能源材料與器件是由材料、化學(xué)、物理等構(gòu)成的一個交叉學(xué)科。材料和化學(xué)專業(yè)都是南京工業(yè)大學(xué)的優(yōu)勢學(xué)科。新能源材料與器件專業(yè)可以和這些老牌優(yōu)勢專業(yè)進(jìn)行合作，依托材料化學(xué)工程國家重點實驗室、電化學(xué)儲能研究所等高水平研究基地，將其作為輔助實驗室，開展校內(nèi)合作實驗教學(xué)；專業(yè)教學(xué)實驗室除了實驗教學(xué)的時間以外，其他時候都處于閑置狀態(tài)，嚴(yán)重浪費了設(shè)備和資源。為了充分利用現(xiàn)有的實驗室資源、提高設(shè)備共享程度和使用效率，本專業(yè)已經(jīng)制定了《非實驗課程期間實驗室使用管理辦法(試行)》，加強(qiáng)實驗室對學(xué)生的開放力度，鼓勵本專業(yè)或其他相關(guān)專業(yè)學(xué)生使用教學(xué)實驗室開展科創(chuàng)活動、競賽、畢業(yè)設(shè)計等；此外，本專業(yè)還可以和校外一些企業(yè)進(jìn)行合作，學(xué)校和企業(yè)共同建設(shè)實驗室，設(shè)立校外實驗基地，擴(kuò)大實驗室規(guī)模，讓學(xué)生能夠參與生產(chǎn)實際、接近科研項目。

2.2 完善師資隊伍建設(shè)

基于OBE理念加強(qiáng)專職實驗教師隊伍建設(shè)。新能源材料與器件專業(yè)是化學(xué)、物理、材料等多學(xué)科交叉，這就對專職實驗教師的專業(yè)知識水平和領(lǐng)域以及實驗教學(xué)能力提出了更嚴(yán)苛的要求[6]。實驗指導(dǎo)教師的實驗技能水平對學(xué)生的實驗實踐能力的培養(yǎng)質(zhì)量有著直接的影響。現(xiàn)有的專職實驗教師大都來自各高校原有化學(xué)、材料專業(yè)或者其他和新能源相近的學(xué)科，都只在某一專業(yè)領(lǐng)域擅長。而一般實驗課程的設(shè)置與實驗教師擅長的專業(yè)研究方向相關(guān)，才能達(dá)到比較好的實驗教學(xué)效果。所以，學(xué)院在招聘實驗教師的時候需要按照新能源專業(yè)多學(xué)科交叉的特點，對教師結(jié)構(gòu)組合進(jìn)行多方位以及多渠道的優(yōu)化，盡可能招聘擅長不同專業(yè)領(lǐng)域的實驗教師，豐富可開展的實驗課程。

2.3 構(gòu)建完整的實驗教學(xué)體系

目前各高校實驗課程的設(shè)置普遍都是依據(jù)學(xué)校自己的特色以及已有的成熟專業(yè)的教學(xué)經(jīng)驗，具有較強(qiáng)的偏向性。而且各高?；径即嬖趯嶒灲虒W(xué)中驗證演示性實驗居多，綜合設(shè)計性實驗較少的情況。實驗儀器設(shè)備臺數(shù)受限于緊張的經(jīng)費金額而不足，學(xué)生缺少進(jìn)行實際操作的機(jī)會。以南京工業(yè)大學(xué)為例，新能源材料與器件作為該校的一個全新專業(yè)，現(xiàn)有的實驗教學(xué)體系只經(jīng)過了一屆的教學(xué)探索，必然會存在某些問題。南京工業(yè)大學(xué)的前身是南京化工大學(xué)，化學(xué)類專業(yè)是王牌優(yōu)勢學(xué)科，在其基礎(chǔ)上設(shè)立了新能源材料與器件專業(yè)。所以如表一所示，2015級新能源材料與器件專業(yè)本科生的實驗課程設(shè)置以化學(xué)類實驗為主，占到了實驗課程總學(xué)時71%的，其中基礎(chǔ)驗證性實驗占的比重比較大，創(chuàng)新性和綜合設(shè)計性實驗相對較少；而且只有少量的物理類實驗，材料類實驗更是少之又少。目前開設(shè)的綜合設(shè)計性實驗項目也普遍是基于教師的專業(yè)研究背景或者現(xiàn)有研究設(shè)備條件，而不是基于OBE理念的實驗教學(xué)。而且在教學(xué)實施過程中，基本上學(xué)生都沒有參與到實際的設(shè)計環(huán)節(jié)來，依舊停留在“參照做”的階段。受限于學(xué)校有限的實驗教學(xué)條件以及參差不齊的師資力量，教師為了能夠順利完成各自的教學(xué)任務(wù)，仍然基本采用“依葫蘆畫瓢”的教學(xué)方法和教學(xué)流程。預(yù)先設(shè)定好實驗?zāi)康?、實驗?nèi)容以及具體的實驗步驟。學(xué)生完全不需要自己思考就能進(jìn)行實驗。這類實驗課程對于專業(yè)實驗教學(xué)雖然是必需的，可以教會學(xué)生一些基本的分析方法和操作技能。但是，這種“依葫蘆畫瓢”式的教學(xué)，無法培養(yǎng)和提高學(xué)生分析、解決問題的能力以及創(chuàng)新能力，所以教學(xué)模式亟待變革。

表1 新能源材料與器件專業(yè)實驗教學(xué)培養(yǎng)方案

基于OBE理念，新能源材料與器件專業(yè)可以依托材料化學(xué)工程國家重點實驗室、電化學(xué)儲能研究所等高水平研究基地，構(gòu)建具有專業(yè)特色的實驗教學(xué)體系(見表1)。分為三個層次：(1)一級：學(xué)科基礎(chǔ)實驗，依托于學(xué)科基礎(chǔ)實驗室；(2)二級：專業(yè)基礎(chǔ)實驗和專業(yè)綜合設(shè)計性實驗，依托于新能源專業(yè)實驗室；(3)三級：創(chuàng)新性實驗，依托于高水平研究基地。具體實驗課程設(shè)置如下所示。

(1)學(xué)科基礎(chǔ)實驗。新能源專業(yè)從業(yè)人員需要掌握的不僅僅是新能源材料與器件方面的知識，還有很多與其相關(guān)的化學(xué)、物理和材料等知識。所以需要培養(yǎng)學(xué)生和材料科學(xué)相關(guān)的化學(xué)、物理基礎(chǔ)實驗技能。新能源學(xué)科基礎(chǔ)實驗設(shè)置與原培養(yǎng)方案基本一致。

(2)專業(yè)基礎(chǔ)實驗。專業(yè)基礎(chǔ)實驗的設(shè)置是為了給后續(xù)的專業(yè)綜合設(shè)計實驗以及創(chuàng)新性實驗服務(wù)，幫助學(xué)生熟悉經(jīng)常會用到的實驗設(shè)備以及使用方法，打好實驗基礎(chǔ)。根據(jù)本專業(yè)的特色以及自身優(yōu)勢，結(jié)合專業(yè)核心課程的重點選定實驗項目，增加開設(shè)現(xiàn)代材料分析測試技術(shù)、電化學(xué)實驗課程?，F(xiàn)代材料分析測試技術(shù)能夠幫助學(xué)生更加系統(tǒng)全面地掌握多種常用的結(jié)構(gòu)表征以及性能測試的原理和使用方法。電化學(xué)是化學(xué)電源(能量儲存的分支)的基礎(chǔ)，基于電化學(xué)原理的電化學(xué)分析法已經(jīng)發(fā)展為新能源專業(yè)中不可或缺的測試手段。

(3)專業(yè)綜合設(shè)計性實驗。專業(yè)綜合設(shè)計性實驗從新能源的原材料制備、表征到器件的組裝以及性能測試，構(gòu)建一套完整的制備和測試體系，使學(xué)生能夠認(rèn)識到新能源材料的結(jié)構(gòu)與器件的性能之間的內(nèi)在聯(lián)系。學(xué)生在實驗室現(xiàn)場進(jìn)行設(shè)計、材料合成、器件組裝、測試實驗，學(xué)會如何按照實際的需求設(shè)計并合成具有特定功能的新能源器件。專業(yè)綜合設(shè)計性實驗設(shè)置為兩大模塊：一是能量轉(zhuǎn)換方向，包括太陽能電池、燃料電池的組裝及性能測試；二是能量存儲方向，包括鋰離子電池、超級電容器組裝及性能測試。通過設(shè)置的這些綜合設(shè)計實驗使學(xué)生能夠掌握目前研究應(yīng)用廣泛的各種新能源器件的制備、測試方法以及工作原理，掌握實驗操作技能和獨立設(shè)計分析能力。

(4)創(chuàng)新性實驗。創(chuàng)新性實驗的實施可以進(jìn)一步提升學(xué)生的創(chuàng)新能力和分析解決問題的能力，讓學(xué)生了解新能源領(lǐng)域的最新研究和發(fā)展趨勢。創(chuàng)新性實驗?zāi)軌虺浞终{(diào)動學(xué)生的興趣，提高他們的積極性，讓他們很好的投入到實驗中，獲得很好的實驗效果。相關(guān)教師以自己的研究課題及成果為基礎(chǔ)，依托科研實驗室的專業(yè)儀器，進(jìn)行實驗教學(xué)。各指導(dǎo)老師公布實驗的具體內(nèi)容、難度和要求，學(xué)生根據(jù)自己的興趣自由組合，向老師提出實驗申請。指導(dǎo)老師給學(xué)生進(jìn)行簡單的講解后，學(xué)生自己查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，設(shè)計可行的實驗方案。在老師的指導(dǎo)下使用科研專用實驗儀器，完成相關(guān)實驗，并對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析以及對實驗方案進(jìn)行后期改進(jìn)，最終完成實驗報告。

綜上所述，新能源材料與器件實驗課程體系設(shè)置如圖1所示。

圖1 新能源材料與器件專業(yè)實驗課程體系

2.4 加強(qiáng)專業(yè)實驗教學(xué)教材建設(shè)

缺少專業(yè)實驗教材也是實驗教學(xué)面臨的一大難題。當(dāng)前，本專業(yè)實驗有一大部分是新開設(shè)的，還沒有適合的專業(yè)實驗教材或者配套指導(dǎo)書，都是實驗教師自編的講義。此外，現(xiàn)有的一些實驗教材或者自編講義內(nèi)容缺乏更新，尤其是部分關(guān)于材料制備工藝、性能測試等方面的實驗內(nèi)容，甚至落后于工業(yè)技術(shù)水平，不利于激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新性。因此需要進(jìn)一步加強(qiáng)實驗教材建設(shè)。提高編制的實驗教材的質(zhì)量，對于專業(yè)實驗教學(xué)質(zhì)量的提高具有十分重要的意義。本專業(yè)的一門綜合實驗課程《化學(xué)電源與器件綜合實驗》現(xiàn)在所用的教材就是自編講義，但是課程內(nèi)容等方面的設(shè)計還不夠成熟。未來本專業(yè)將基于OBE理念立足其學(xué)科特點，修訂實驗教學(xué)的教學(xué)大綱以及教改方案，逐步形成一本具有專業(yè)特色的高質(zhì)量實驗教材或者配套指導(dǎo)書。主要內(nèi)容包括制備材料、設(shè)計和組裝器件、測試和分析器件性能等部分，分別從新能源的類別、產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化、存儲和利用，設(shè)計和組裝器件等方面，進(jìn)行電化學(xué)、磁、電、光等性能的測試、表征以及分析。

3 結(jié)語

南京工業(yè)大學(xué)結(jié)合新能源材料與器件的專業(yè)特點、現(xiàn)有優(yōu)勢學(xué)科基礎(chǔ)、高水平研究平臺以及教師的科研資源，基于OBE理念探討了專業(yè)實驗室建設(shè)、師資隊伍建設(shè)、實驗教學(xué)教材建設(shè)，并構(gòu)建了三個層次的實驗教學(xué)體系，完善了實驗教學(xué)課程內(nèi)容。期望實驗教學(xué)體系的建立能夠全面提升實驗教學(xué)質(zhì)量，增強(qiáng)學(xué)生的專業(yè)實驗技能，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新、實踐能力，為其他高校同類新專業(yè)的實驗教學(xué)提供一種可借鑒的實驗教學(xué)課程體系。