新能源專業(yè)“太陽能利用技術”課程建設研究與探討

張懌 郭蘇

【摘要】本文主要從建設背景及目標、課程建設內(nèi)容與特點、課程建設具體措施等方面探討新能源專業(yè)“太陽能利用技術”課程的建設思路與方法，以“培養(yǎng)專業(yè)特色人才”為根本，堅持理論與實踐相融合，通過課堂授課、課后作業(yè)及線上自學資源等形式全面培養(yǎng)學生對相關學習內(nèi)容的理解與運用能力。為我國“雙碳”國策培養(yǎng)高質(zhì)量的新能源背景專業(yè)人才。

【關鍵詞】太陽能利用技術? 光伏工作原理? 新能源課程? 碳達峰與碳中和

【中圖分類號】G642.3;TM615-4 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2021）30-0177-02

新能源專業(yè)是一門學科高度交叉的新興專業(yè)，其內(nèi)容涉及多種專業(yè)跨度極大的研究領域。本文以新能源專業(yè)中的“太陽能利用技術”專業(yè)課為案例，就課程中太陽能光伏部分的教學內(nèi)容與方法建設具體展開研究與討論，以進一步提高課程教學質(zhì)量，對新能源專業(yè)其他相關課程的建設與改革起到引領示范作用。

一、課程建設背景及目標

國家主席習近平在2020年聯(lián)合國氣候雄心峰會上宣布：中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施控制二氧化碳排放，力爭于2030年前達到峰值，爭取在2060年前實現(xiàn)碳中和，同時到2030年，中國單位國內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放將比2005年下降65%以上，非化石能源占一次能源消費比重將達到25%左右，森林蓄積量將比2005年增加60億立方米，風電、太陽能發(fā)電總裝機容量將達到12億千瓦以上。上述內(nèi)容即為我國“碳達峰碳中和”戰(zhàn)略的關鍵時間點和具體目標。隨著“碳達峰碳中和”國策的提出，以水能、風能、太陽能為代表的可再生能源產(chǎn)業(yè)即將迎來更加快速高質(zhì)量的發(fā)展期[1-2]，這對我國新能源人才的培養(yǎng)提出了更高、更新的要求和挑戰(zhàn)。

河海大學新能源專業(yè)依托學校傳統(tǒng)優(yōu)勢學科，在專業(yè)教學和人才培養(yǎng)方面獨具特色和專業(yè)優(yōu)勢，現(xiàn)已形成以風能為主、太陽能及其他新能源為補充的成熟新能源人才培養(yǎng)體系。其中針對太陽能發(fā)電原理及應用，開設了“太陽能利用技術”專業(yè)課及課程設計實踐環(huán)節(jié)。由于該課程很多內(nèi)容涉及微電子學及固體電子學的相關知識，這對以學習風電為主的新能源專業(yè)本科生而言，過于抽象且不易理解。本文將針對上述問題，提出以下幾點建設措施。

二、課程建設內(nèi)容與特點

太陽能光伏技術作為一種重要的新能源技術近年來獲得了快速發(fā)展和廣泛應用，其核心關鍵技術為太陽能半導體光伏組件的工作原理。因此，“太陽能利用技術”專業(yè)課第一章將首先教授學生半導體的物理特性基礎，其中半導體的能帶模型和能鍵模型的概念、構建和應用最為抽象難懂。學生需有一定的凝聚態(tài)物理、材料學及量子物理學背景才能深刻理解相關知識。而由于課程設置等原因，學生一般很少具備相關基礎，這就導致了教師需花費大量時間以補充相關知識盲點，造成一定的課程時間浪費。在學生掌握相關知識后，本專業(yè)課第二章將繼續(xù)介紹P型及N型半導體概念和P-N結工作原理，此處的教學難點是半導體中載流子運動較為抽象，很難給學生闡述具體過程。這就造成了學生對一些基本概念產(chǎn)生混淆，如完全電離后的摻雜離子能夠運動等錯誤概念。在完成P-N結工作原理教學后，本課程第三章將介紹基于單P-N結的光伏電池工作原理，此處教學內(nèi)容的難點是擴散與漂移電流的形成原因與先后順序的解釋與闡述。由于多種離子（如：電子、空穴、完全電離的正負離子等）都參與到該過程中造成學生對暗環(huán)境下P-N結內(nèi)部載流子運動的動態(tài)平衡過程產(chǎn)生錯誤認知等問題。另外，熱力平衡與光照狀態(tài)下的P-N結半導體電流電壓曲線的變化關系與經(jīng)驗公式也是教學難點。綜上所述，太陽能光伏發(fā)電原理內(nèi)容專業(yè)性較強，邏輯遞進關系緊密，涉及多種物理概念和復雜物理過程，這些特點都不利于學生有效掌握相關知識。從課堂問答及考試中都反映出一些問題，如基礎概念混淆、物理公式錯用、物理過程不明晰等問題。上述問題部分源于學生惰性或基礎薄弱，部分也源于老師授課方式不科學或教學內(nèi)容過于深入晦澀，無法讓學生深入淺出地掌握相關知識，不利于激發(fā)學生的學習興趣。

三、課程建設具體措施

（一）完善教學課件羅列知識重點難點厘清教學邏輯（課前）

授課前應開展專業(yè)背景調(diào)查，統(tǒng)計學生專業(yè)背景知識儲備水平，并據(jù)此調(diào)整課程內(nèi)容和難度。開始授課前仔細準備相關課件，并請資深教師就課件內(nèi)容和結構提出意見和建議，及時根據(jù)反饋信息修改課件。收集相關短視頻（如：我國太陽能光伏技術產(chǎn)業(yè)紀錄片）或準備開放性話題（如：新能源產(chǎn)業(yè)就業(yè)前景展望）以調(diào)動學生的學習興趣和積極性。

（二）充分利用線上教學軟件輔助知識難點理解（課中）

針對部分抽象概念，準備1～2個相關光伏自學網(wǎng)站及推薦專業(yè)書籍，需包含一定的教學動畫示意且內(nèi)容深度與授課內(nèi)容高度匹配。通過教師口頭講述知識點配合相關動畫演示開展教學工作，同時注重類別將抽象概念與學生所熟悉的實物相類比，以提高鞏固教學效果。此外，一般類似軟件都以英文為主，可讓感興趣的學生課后自學相關內(nèi)容，同時鍛煉提高英文水平。

（三）師生及時溝通獲得教學效果反饋（課中）

每講授完一個知識點需及時獲得學生反饋，即教師教學/提問時間與學生作答討論時間基本保持2∶1的比例，以提高課堂氣氛并保持學生注意力。重點培養(yǎng)學生對課題內(nèi)容的興趣，鼓勵學生積極參與問題作答與小組討論。

（四）準備或出版適用于實際教學情況的教材或講義（課后）

總結教學內(nèi)容，形成一套切合實際情況的教學方案和教材（或講義）。鼓勵學生積極從中學習相關內(nèi)容并提出建議和意見。及時總結教學經(jīng)驗和方法，并撰寫相關教改論文或報告。以“太陽能利用技術”專業(yè)課為例，教學團隊已出版相關教材《太陽能發(fā)電原理及應用》一部[3]，該教材既可用于太陽能利用技術課程的教學也對相關科學研究具有一定參考意義。

四、教學案例分析

（一）借助簡單教具和類比方法教授晦澀知識點

以半導體能帶模型中電子從價帶躍遷至導帶后在導帶留下空穴過程為例，該知識點的掌握既要求學生對半導體能帶模型有一定理解，也要對該過程中的離子種類和物理過程有清晰認識。其中“空穴”是電子躍遷后剩余其他電子在價帶中自由移動所形成的抽象概念，此時可通過滿瓶裝礦泉水瓶進行類比。將瓶中的水視為可自由移動的“電子”，由于此時瓶中無空氣，可視為滿帶狀態(tài)下的價帶。當?shù)沟舨糠制恐械V泉水后，瓶中出現(xiàn)空氣，這時可將空氣視為電子躍遷至導帶后在價帶留下的“空穴”。倒置礦泉水瓶，我們可發(fā)現(xiàn)瓶中空氣發(fā)生上?。芏容^大的水會流向瓶底）。該情況下，我們既可視為水在流動，也可視為空氣在流動，這同樣也適用于價帶中“電子”與“空穴”的流動。空穴并非實際存在的粒子，只是為了便于描述價帶中的電子移動而引入的抽象概念。該教學方法借助學生所熟悉的事物（即礦泉水及水瓶）將較為抽象的知識概念（即電子躍遷及空穴形成）具象化，從而達到深入淺出的教學效果。

（二）借助教學動畫演示闡述復雜物理過程

以半導體P-N結形成過程為例，利用線上教學資源（如Photovoltaic Education Website[4]）中的演示動畫可清晰展現(xiàn)半導體中各種不同帶電粒子。這些粒子包括但不限于帶負電的電子（可自由移動）、電離化受主雜質(zhì)（不可自由移動）以及帶正電的空穴（可自由移動）和電離化施主雜質(zhì)（不可自由移動）?；谀芰渴睾慵半姾墒睾愣桑@些粒子共同構成了半導體P-N結內(nèi)的粒子動態(tài)平衡過程。演示動畫按照不同階段演示不同物理過程，并模擬可自由移動粒子受內(nèi)置電場和濃度差值影響所形成的漂移電流及擴散電流的大小及方向。相比于課件中固定的圖片，動畫能夠更加形象幫助教學。該線上教學資源具有體系化和模塊化等特點，可為學生在學習該課程的過程中提供一定參考和幫助。該教學資源語言為英語，因此也可幫助學生在掌握基本專業(yè)知識基礎上，拓展提升相關專業(yè)英語水平。在平時課堂中也可適當增加相關英文知識拓展學生知識內(nèi)容。

（三）通過實際數(shù)據(jù)和事實開展符合社會主義核心價值觀的思政課程建設

在開展專業(yè)課教學時，還將通過羅列實際數(shù)據(jù)和我國光伏領域的發(fā)展成就開展符合社會主義核心價值觀的思政課程建設。樹立學生正確的人生觀、世界觀和價值觀，培養(yǎng)學生愛國主義精神和對社會主義制度優(yōu)越性的自信，鍛煉學生堅持用唯物主義思想辯證看待所學習的相關專業(yè)知識，最終培養(yǎng)出具有新能源專業(yè)背景的復合型人才。

五、結論與展望

本文重點闡述了新能源專業(yè)“太陽能利用技術”專業(yè)課程的建設內(nèi)容及方法、特點。針對該專業(yè)課所存在的教學難點，提出拓展線下線上教學資源，利用現(xiàn)有資源改進教學方法，在課堂內(nèi)容上全面提升教學效果激發(fā)學生學習興趣，最終致力于培養(yǎng)學生綜合學習能力，掌握太陽能發(fā)電原理基本知識，鍛煉學生自我思辨能力，從而將學生培養(yǎng)為滿足“雙碳”國策需求的新能源高級專業(yè)技術人才。

參考文獻：

[1]李全生.碳中和目標下我國能源轉(zhuǎn)型路徑探討[J]. 中國煤炭，2021，47（8）：7.

[2]鄒才能.新能源在碳中和中的地位與作用[J].石油勘探與開發(fā)，2021，48（2）：10.

[3]郭蘇，張懌.太陽能發(fā)電原理及應用[M].北京： 中國水利水電出版社， 2021.

[4]C.B.Honsberg， S.G.Bowden. Photovoltaics Education Website.（Available： www.pveducation.org.）2019.

作者簡介：

張懌（1989年-），男，漢族，江蘇東臺人，講師，博士研究生，研究方向為電子科學與技術。

郭蘇（1982年-），女，漢族，遼寧撫順人，教授，博士研究生，研究方向為動力工程及工程熱物理。