新能源材料創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

孫金煜 楊曉玲 潘鏞宇 張小凡 曹詩雅 胡金龍

（1.華東理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院；2.華東理工大學(xué)材料國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心 上海 200237）

當(dāng)今社會(huì)，隨著資源的日益枯竭，人們對(duì)于新能源材料的開發(fā)愿望日益迫切[1]。目前，我國(guó)大力倡導(dǎo)新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對(duì)于新能源材料與器件專業(yè)的人才需求日益增長(zhǎng)。然而，新能源材料與器件專業(yè)目前還屬于一個(gè)新興專業(yè)，專業(yè)的課程體系和專業(yè)特色正在日趨完善中。針對(duì)新能源材料與器件專業(yè)的學(xué)生，如何激發(fā)他們的原創(chuàng)動(dòng)力，如何引導(dǎo)他們?cè)谖磥淼目蒲泻凸ぷ髦姓宫F(xiàn)創(chuàng)新能力，是新能源材料與器件專業(yè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的短板。

一、現(xiàn)狀分析

全國(guó)第一批開設(shè)新能源材料與器件專業(yè)的高校大概有十余所，但是該專業(yè)普遍開設(shè)均不滿十年，各個(gè)高校對(duì)于該專業(yè)的課程設(shè)置正日趨完善[2]。對(duì)于專業(yè)課程的設(shè)置，其實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)相對(duì)還不太完善。雖然開設(shè)的實(shí)驗(yàn)名為新能源材料與器件專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)或者專業(yè)綜合設(shè)計(jì)，但在實(shí)際教學(xué)中往往還是教師給出實(shí)驗(yàn)步驟，學(xué)生照樣子操作。其并沒有給學(xué)生任何發(fā)揮創(chuàng)造的空間，很難在教學(xué)過程中培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維和創(chuàng)新性動(dòng)手能力[3]。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)做出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，很多是經(jīng)典實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)于實(shí)際生產(chǎn)或者目前的研究科研都過時(shí)已久。這完全沒有辦法培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力。

二、優(yōu)化措施

針對(duì)這些新能源材料與器件專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)弊端，華東理工大學(xué)新能源材料與器件專業(yè)，結(jié)合課堂教學(xué)“太陽能電池設(shè)計(jì)原理及制造”“化學(xué)電源設(shè)計(jì)原理及制造”兩門專業(yè)核心課程，將太陽能電池和化學(xué)電源中的主要組件、設(shè)計(jì)原理和設(shè)計(jì)基本工藝，讓學(xué)生在課堂教學(xué)過程中進(jìn)行具體學(xué)習(xí)。教師在課堂教學(xué)中注重電池和電源的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)換效率影響因素、組件的制造工藝、性能的表征方法等知識(shí)點(diǎn)的融會(huì)貫通，利用專業(yè)實(shí)驗(yàn)從真正意義上檢測(cè)學(xué)生對(duì)于這些知識(shí)點(diǎn)的掌握情況。教師讓學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，提出實(shí)驗(yàn)方案，分小組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)論證，僅僅在實(shí)驗(yàn)可行性論證中給予必要指導(dǎo)，讓學(xué)生在獨(dú)立設(shè)計(jì)分析實(shí)驗(yàn)、提出解決方案的過程中逐步實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新性思辨思維意識(shí)的培養(yǎng)。這一過程允許學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)失誤，其是培養(yǎng)學(xué)生客服困難，在失敗實(shí)驗(yàn)中尋求突破的實(shí)驗(yàn)新模式。實(shí)驗(yàn)教學(xué)評(píng)分不完全取決于學(xué)生的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，而是從學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新性、實(shí)驗(yàn)論證科學(xué)性、實(shí)驗(yàn)操作規(guī)范性、實(shí)驗(yàn)改進(jìn)合理性等多個(gè)方面、多個(gè)角度對(duì)學(xué)生專業(yè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。這就使得學(xué)生的創(chuàng)新能力能夠在專業(yè)實(shí)驗(yàn)和專業(yè)設(shè)計(jì)中得到充分培養(yǎng)。

在學(xué)生進(jìn)行專業(yè)實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)的過程中，如果涉及產(chǎn)業(yè)化放大生產(chǎn)的設(shè)計(jì)，學(xué)校就可為學(xué)生提供校企合作的機(jī)會(huì)，支持學(xué)生將想法和實(shí)驗(yàn)結(jié)果與企業(yè)對(duì)接。學(xué)?？梢宰寣W(xué)生利用暑假時(shí)間直接到企業(yè)中去，通過畢業(yè)實(shí)習(xí)等方法，在企業(yè)中對(duì)一些原創(chuàng)的技術(shù)和器件進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。學(xué)校根據(jù)企業(yè)中的實(shí)際環(huán)境進(jìn)一步優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案，以期得到一些好的創(chuàng)新電子或者優(yōu)質(zhì)技術(shù)，鼓勵(lì)學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)，進(jìn)一步優(yōu)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案。這樣就可以實(shí)現(xiàn)理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)、畢業(yè)實(shí)習(xí)、畢業(yè)論文一體化的創(chuàng)新意識(shí)培養(yǎng)路徑。

學(xué)生在進(jìn)行專業(yè)實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)中，不再是單純地進(jìn)行重復(fù)性實(shí)驗(yàn)，而是在實(shí)驗(yàn)中對(duì)科學(xué)原理深入理解，對(duì)實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行分析。這樣既能考察學(xué)生對(duì)于文獻(xiàn)的調(diào)研和理解能力，又能培養(yǎng)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中結(jié)合自己對(duì)專業(yè)理論進(jìn)行實(shí)踐的創(chuàng)新思維。這樣的實(shí)驗(yàn)不限制學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)的路線，而是重點(diǎn)考察和強(qiáng)調(diào)學(xué)生在操作過程中的規(guī)范性；不對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的唯一性進(jìn)行考察，而是考察學(xué)生設(shè)計(jì)和處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的合理性。學(xué)生的實(shí)驗(yàn)報(bào)告不再是千篇一律的，而是具有自身的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)特色。這樣的實(shí)驗(yàn)報(bào)告不再是單純的實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)設(shè)備與材料、實(shí)驗(yàn)過程、實(shí)驗(yàn)結(jié)論的堆砌，而是包含實(shí)驗(yàn)研究背景、實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)調(diào)研、實(shí)驗(yàn)原理分析、實(shí)驗(yàn)儀器與材料設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)過程合理性論證、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析、實(shí)驗(yàn)結(jié)果評(píng)價(jià)等幾個(gè)部分。學(xué)生操作的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可能是成功的、也可能是失敗的。這樣可以培養(yǎng)學(xué)生如何正確面對(duì)失敗，允許學(xué)生進(jìn)行調(diào)研分析后提出改進(jìn)方案，然后進(jìn)一步進(jìn)行實(shí)驗(yàn)論證，從根本上杜絕了學(xué)生隨意修改實(shí)驗(yàn)結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的現(xiàn)象。個(gè)性化的實(shí)驗(yàn)報(bào)告也給予了學(xué)生在實(shí)驗(yàn)報(bào)告撰寫過程中進(jìn)行發(fā)揮的空間。教師利用本科的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)培養(yǎng)學(xué)生的科研素養(yǎng)，提升學(xué)生分析問題和解決問題的能力，進(jìn)而極大地提升了學(xué)生的創(chuàng)新能力。

三、實(shí)施案例

以太陽能電池電極制備實(shí)驗(yàn)為例，首先，我們?cè)凇疤柲茈姵卦O(shè)計(jì)原理及制造”課程中分析了太陽能電池中電極的作用，給出了太陽能電池電極目前主要的制備方法，電極性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)及檢測(cè)方法，了解了各種雜質(zhì)對(duì)于電極性能的主要影響，以及影響的機(jī)理。其次，在新能源材料與器件專業(yè)實(shí)驗(yàn)中，我們要求學(xué)生分組根據(jù)所學(xué)自行設(shè)計(jì)一種太陽能電極的制備方案，包括所需的原材料，測(cè)試所需要的設(shè)備清單。每組根據(jù)自己的實(shí)驗(yàn)方案，準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)可行性論證ppt，然后在全班進(jìn)行討論。在討論的過程中，學(xué)生逐步完善自己的實(shí)驗(yàn)方案。教師負(fù)責(zé)引導(dǎo)學(xué)生找出方案中的錯(cuò)漏，并啟發(fā)學(xué)生尋求解決方案。最后，根據(jù)學(xué)生設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案，教師集中購(gòu)置實(shí)驗(yàn)所需的實(shí)驗(yàn)耗材，讓學(xué)生根據(jù)自己制定的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行操作實(shí)施，并撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。無論實(shí)驗(yàn)成功還是失敗，學(xué)生都需要在實(shí)驗(yàn)報(bào)告中進(jìn)行分析。針對(duì)失敗的實(shí)驗(yàn)，如果學(xué)生能夠提出解決方案，就允許學(xué)生進(jìn)行二次嘗試。但是，在學(xué)生的每次嘗試中，教師都要要求學(xué)生提交相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，以培養(yǎng)學(xué)生在綜合實(shí)驗(yàn)中分析解決問題的能力和素養(yǎng)，在常規(guī)實(shí)驗(yàn)中培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。對(duì)于學(xué)生獲得較好性能的一些實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其項(xiàng)目還可以與我校產(chǎn)學(xué)研實(shí)習(xí)基地進(jìn)行橫向合作，讓學(xué)生在本科階段就可以與社會(huì)和企業(yè)密切接觸，讓科技落地從本科教學(xué)中真正實(shí)現(xiàn)。

學(xué)生在完成太陽能電極制備實(shí)驗(yàn)過程中，要做的不再是一份單純的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，而是首先要在“太陽能電池設(shè)計(jì)原理及制造”理論課上，完成相關(guān)太陽能電極背景的調(diào)研，并撰寫太陽能電極制備方法的調(diào)研報(bào)告。在新能源材料與器件專業(yè)實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生根據(jù)前期調(diào)研報(bào)告，完成對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)報(bào)告的撰寫。其實(shí)驗(yàn)報(bào)告分四個(gè)階段：第一階段設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案；第二階段分組討論實(shí)驗(yàn)方案可行性；第三階段實(shí)施實(shí)驗(yàn)完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告；第四階段進(jìn)行實(shí)驗(yàn)優(yōu)化及反思。這樣的分段可以在專業(yè)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中將學(xué)生各項(xiàng)能力指標(biāo)的達(dá)成做得更加明晰和深化，讓學(xué)生在專業(yè)理論課的學(xué)習(xí)中，完成了對(duì)基本原理和技術(shù)方法的識(shí)別表達(dá)，并利用文獻(xiàn)對(duì)相應(yīng)項(xiàng)目的影響因素進(jìn)行調(diào)研。在此基礎(chǔ)上，教師借助專業(yè)實(shí)驗(yàn)課對(duì)項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行多樣性優(yōu)化，并在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)，綜合考察安全、環(huán)境、法律法規(guī)等相關(guān)要求，設(shè)計(jì)合理且綠色環(huán)保的實(shí)驗(yàn)解決方案，讓學(xué)生在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的過程中培養(yǎng)安全的實(shí)驗(yàn)操作規(guī)范，掌握收集、分析整理數(shù)據(jù)的能力，并能根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析獲得結(jié)果。這樣，學(xué)生可以靈活運(yùn)用實(shí)驗(yàn)室先進(jìn)的測(cè)試加工儀器對(duì)實(shí)驗(yàn)材料進(jìn)行分析，甚至可以針對(duì)某些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目運(yùn)用軟件先進(jìn)行理論模擬，以預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)可以充分考量學(xué)生可持續(xù)發(fā)展的專業(yè)思想和理念，培養(yǎng)學(xué)生遵循科學(xué)發(fā)展的思想，并在小組的分工合作中，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)精神，讓學(xué)生掌握如何進(jìn)行文獻(xiàn)綜述、調(diào)研報(bào)告的撰寫，并且明確文獻(xiàn)綜述與調(diào)研報(bào)告在實(shí)際研究中的重要意義和作用。在實(shí)驗(yàn)報(bào)告論證階段，其可以培養(yǎng)學(xué)生就專業(yè)問題與他人進(jìn)行有效的溝通和交流，讓學(xué)生了解與實(shí)驗(yàn)相關(guān)的前沿學(xué)術(shù)進(jìn)展。教師利用這種理論課程與實(shí)驗(yàn)課程一體化的培養(yǎng)模式，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)本科學(xué)生多種能力全方位的培養(yǎng)，在教學(xué)過程中真正做到了培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

四、小結(jié)

這種專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)的培養(yǎng)過程，能極大地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和創(chuàng)新意識(shí)。然而，一個(gè)實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)備往往需要實(shí)驗(yàn)教師投入大量的時(shí)間和精力，華東理工大學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的教師對(duì)此付出了極大的精力。這項(xiàng)對(duì)學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)?zāi)芰ε囵B(yǎng)的教學(xué)方案，也獲得了實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心領(lǐng)導(dǎo)的大力支持。