新能源材料科學(xué)基礎(chǔ)課程教學(xué)探討

陳新

[摘 要]新能源材料科學(xué)基礎(chǔ)是前沿交叉領(lǐng)域的一門專業(yè)基礎(chǔ)必修課，在培養(yǎng)適應(yīng)國家新能源戰(zhàn)略需求的高級科學(xué)研究與工程技術(shù)的復(fù)合型人才方面發(fā)揮著重要作用。該研究發(fā)現(xiàn)新能源材料科學(xué)基礎(chǔ)課程改革通過教材的合理選用、細(xì)致合理的課程內(nèi)容設(shè)計、領(lǐng)域前沿發(fā)展內(nèi)容的引入、配套課程的同步建設(shè)，可以取得良好的教學(xué)效果，有利于實現(xiàn)該課程和所屬專業(yè)的教學(xué)目標(biāo)。

[關(guān)鍵詞]新能源材料科學(xué)基礎(chǔ);高校教學(xué);課程改革

[中圖分類號] G642 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 2095-3437（2022）03-0095-03

引言

人類生產(chǎn)和生活的方方面面都離不開能源，傳統(tǒng)化石能源不僅儲量有限，開采和運輸都要克服巨大的困難，而且在使用過程中會釋放大量的溫室氣體和有害物質(zhì)。有害物質(zhì)釋放到環(huán)境中導(dǎo)致酸雨和霧霾等的出現(xiàn)會嚴(yán)重破壞環(huán)境和危害人類健康，而溫室氣體的釋放會導(dǎo)致氣溫不斷升高，嚴(yán)重破壞人類和生物的生存環(huán)境。促進(jìn)新能源材料與器件的發(fā)展，不僅具有巨大的經(jīng)濟(jì)價值，更是保護(hù)人類和生物生存環(huán)境，實現(xiàn)人類社會可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵舉措。

新能源材料與器件專業(yè)[1-2]是材料、物理、化學(xué)、電子、機械等多學(xué)科交叉，以能量轉(zhuǎn)換材料、能量存儲材料及其器件設(shè)計、制備工程技術(shù)為特色的專業(yè)，培養(yǎng)適應(yīng)國家新能源方面的戰(zhàn)略需求，掌握新能源材料與器件基礎(chǔ)理論，具有新能源材料與器件的設(shè)計、制造與應(yīng)用能力以及創(chuàng)新精神、求實作風(fēng)、團(tuán)隊精神和應(yīng)變能力的高級科學(xué)研究與工程技術(shù)復(fù)合型人才。華東理工大學(xué)（簡稱“我?！保┦菄夷茉磻?zhàn)略調(diào)整后，教育部首批批復(fù)的建立新能源材料專業(yè)方向的高校之一。我校的材料科學(xué)與工程學(xué)科已入選教育部世界雙一流建設(shè)學(xué)科，其新能源材料與器件專業(yè)面向國際國內(nèi)新能源領(lǐng)域的人才和就業(yè)[3]趨勢，著重培養(yǎng)適應(yīng)國家新能源戰(zhàn)略需求的高級科學(xué)研究與工程技術(shù)復(fù)合型人才。

新能源材料科學(xué)基礎(chǔ)是我校新能源材料與器件專業(yè)的基礎(chǔ)必修課，致力于通過本課程的教學(xué)，使學(xué)生掌握新能源材料科學(xué)的基本物理化學(xué)概念和基本規(guī)律，能夠進(jìn)行相關(guān)科學(xué)理論計算，為進(jìn)一步深入學(xué)習(xí)新能源專業(yè)知識以及分析和解決實際問題研究而打好理論基礎(chǔ)。有關(guān)材料科學(xué)基礎(chǔ)課程的教學(xué)經(jīng)驗人們已經(jīng)進(jìn)行了一些有益的分享[1-2，4-6]，然而結(jié)合專業(yè)建設(shè)和新能源材料，研究有針對性地建設(shè)新能源材料科學(xué)基礎(chǔ)課程還比較少見。筆者結(jié)合我校新能源材料科學(xué)基礎(chǔ)課程的教學(xué)經(jīng)驗，對該課程的教學(xué)改革進(jìn)行探討。

一、教學(xué)內(nèi)容

（一）課程基本內(nèi)容

新能源又被稱為非常規(guī)能源，指的是傳統(tǒng)能源之外的各種各樣的能源形式，比如太陽能、風(fēng)能、生物質(zhì)能、地?zé)崮?、海洋能和核聚變能等。太陽能的利用主要包括陽光照射產(chǎn)生熱能的利用以及通過太陽能電池將太陽光中的光能轉(zhuǎn)變成電能等等，其中最主要的是太陽能電池的研發(fā)和應(yīng)用。自然界中太陽能和風(fēng)能的分布時間和空間很不均勻，這就需要人們設(shè)法把能量轉(zhuǎn)換儲存起來實現(xiàn)穩(wěn)定可持續(xù)的能量供應(yīng)。比如通過太陽光裂解水制氫，所制得的氫氣經(jīng)過儲存、運輸?shù)拳h(huán)節(jié)，再通過燃料電池高效地將氫能轉(zhuǎn)變?yōu)榍鍧嵉碾娔芄┤藗兪褂?通過各種新能源形式產(chǎn)生的電能還可以通過鋰離子電池、超級電容器、儲能電池等新能源器件儲存起來，供人們需要的時候使用。由此可見，新能源材料與器件涉及的知識和技術(shù)范圍是非常廣泛的，是一門內(nèi)容十分豐富的交叉學(xué)科。

本課程的內(nèi)容包括晶體學(xué)基礎(chǔ)、固體材料的結(jié)構(gòu)、晶體中的缺陷、新能源材料講座、相圖及相變、固體中的擴散、固相反應(yīng)等，從晶體的認(rèn)知、晶體的形成機理、材料的結(jié)構(gòu)、相變、擴散等方面進(jìn)行材料科學(xué)基礎(chǔ)知識和材料物理化學(xué)知識等內(nèi)容的講授，使學(xué)生能扎實掌握新能源材料的基礎(chǔ)知識，為將來成長為具有新能源材料與器件的設(shè)計、制造與應(yīng)用能力以及創(chuàng)新精神、求實作風(fēng)、團(tuán)隊精神和應(yīng)變能力的高級科學(xué)研究與工程技術(shù)復(fù)合型人才做好準(zhǔn)備。

我們?nèi)握n教師結(jié)合新能源材料與器件專業(yè)的要求，將本課程中有關(guān)材料科學(xué)基礎(chǔ)知識的內(nèi)容確定為除了傳統(tǒng)的材料科學(xué)的基礎(chǔ)知識，還結(jié)合新能源材料的實例，把新能源材料與器件的知識有機地融入進(jìn)去。此外，通過增加新能源材料講座的內(nèi)容，結(jié)合本學(xué)科領(lǐng)域發(fā)展動向和我們近期在新能源材料科學(xué)研究中取得的實際結(jié)果進(jìn)行講授，幫助學(xué)生把所學(xué)的基礎(chǔ)知識跟新能源材料與器件領(lǐng)域的實際應(yīng)用有機地結(jié)合起來。

（二）教材

考慮到新能源材料是一門前沿的綜合性交叉學(xué)科，所涉及的知識面非常廣，目前尚未有合適的新能源材料科學(xué)基礎(chǔ)教材可供本課程使用，因此，我們選擇不將課程內(nèi)容局限在一本教材中，而是結(jié)合多本教材以及相關(guān)領(lǐng)域當(dāng)前的實際發(fā)展情況開展教學(xué)，以增強課程的綜合性、交叉性和前沿性。通過一段時間的調(diào)研交流，我們最終選擇由潘金生等著作、清華大學(xué)出版社2011年出版的《材料科學(xué)基礎(chǔ)》作為選用教材，以張志杰主編、化學(xué)工業(yè)出版社2008年出版的《材料物理化學(xué)》為輔助教材，同時給學(xué)生介紹一些新能源材料、材料科學(xué)基礎(chǔ)、材料物理化學(xué)領(lǐng)域的中英文專著作為參考書目。這樣的教材選擇，既能夠幫助學(xué)生拓寬知識面，又能夠讓學(xué)生了解國內(nèi)外本領(lǐng)域工作的前沿動向，從而很好地適應(yīng)本領(lǐng)域的不斷進(jìn)步，為開展新能源材料與器件方面的科研和應(yīng)用工作做好準(zhǔn)備。

（三）課程具體內(nèi)容

本課程強調(diào)理論與工程實踐的結(jié)合，注重知識掌握和能力提高并重，除了講授基礎(chǔ)知識，還結(jié)合本領(lǐng)域的文獻(xiàn)和實際工程問題進(jìn)行授課，在提高學(xué)生工程知識水平的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步培育學(xué)生跟蹤領(lǐng)域前沿進(jìn)展以及分析研究和解決復(fù)雜實際問題的能力。教師在做好基礎(chǔ)理論知識授課的基礎(chǔ)上，還通過增加一些相關(guān)歷史知識的介紹[7]，幫助學(xué)生了解學(xué)科背景;通過增加新能源材料講座，幫助學(xué)生了解領(lǐng)域的實際應(yīng)用和最新進(jìn)展。具體來說，本課程主要包括以下幾方面的內(nèi)容：其一，通過講解新能源材料開發(fā)利用的發(fā)展趨勢及其對解決傳統(tǒng)能源問題、改善人類生存環(huán)境的影響，幫助學(xué)生樹立正確的課程學(xué)習(xí)觀念，了解并培養(yǎng)相關(guān)責(zé)任意識。其二，通過講解與新能源材料與器件相關(guān)的晶體學(xué)基礎(chǔ)理論、晶體中的缺陷等基礎(chǔ)知識，幫助學(xué)生掌握新能源材料科學(xué)的基本物理化學(xué)概念和基本規(guī)律，并獲得一定的科學(xué)理論計算能力。其三，通過講解材料的相圖及相變理論和確定方法，固體材料的結(jié)構(gòu)以及固體材料中的擴散、固相反應(yīng)等理論知識，幫助學(xué)生更深入地了解新能源專業(yè)知識，夯實分析和解決研究與應(yīng)用中的實際問題的理論基礎(chǔ)。

教師通過以上教學(xué)內(nèi)容的講解，致力于使學(xué)生達(dá)到以下主要目標(biāo)：其一，掌握新能源材料科學(xué)的基本物理化學(xué)概念和基本規(guī)律，結(jié)合文獻(xiàn)信息了解光伏和化學(xué)電源材料與器件制備相關(guān)材料問題的多樣性并進(jìn)行優(yōu)選。其二，能夠進(jìn)行材料基礎(chǔ)、光伏和化學(xué)電源材料與器件制備相關(guān)問題的科學(xué)理論計算。其三，進(jìn)一步深入學(xué)習(xí)新能源專業(yè)知識，用以分析和解決研究與應(yīng)用中的實際問題，能對光伏和化學(xué)電源等不同領(lǐng)域的新能源材料的基礎(chǔ)知識進(jìn)行正確表述，進(jìn)而想辦法找到問題解決的方法及途徑。

本課程的教學(xué)安排共56學(xué)時，其中授課54學(xué)時，復(fù)習(xí)考試2學(xué)時。以下是每章內(nèi)容的主要目標(biāo)。

第一章是緒論。講述光伏和化學(xué)電源材料與器件制備等新能源材料研究的重要意義及要解決問題的多樣性，幫助學(xué)生樹立正確的課程學(xué)習(xí)觀念。

第二章是晶體學(xué)基礎(chǔ)。包括空間點陣和晶體指數(shù)、晶體堆垛方式和結(jié)構(gòu)特征、晶體投影和倒易點陣、菱方晶系的兩種描述等內(nèi)容。與光伏和化學(xué)電源材料等領(lǐng)域的實際應(yīng)用材料相結(jié)合，講授晶體學(xué)基本概念、晶體結(jié)構(gòu)的基本特征、晶體學(xué)問題的基本分析方法以及光伏和化學(xué)電源材料晶體學(xué)相關(guān)基礎(chǔ)科學(xué)理論和問題的多樣性。

第三章是固體材料的結(jié)構(gòu)。包括原子分子結(jié)構(gòu)和結(jié)合鍵、晶體的電子結(jié)構(gòu)、元素和化合物的晶體結(jié)構(gòu)和性質(zhì)、影響化合物晶體結(jié)構(gòu)的主要因素、固溶體和離子化合物等內(nèi)容。結(jié)合光伏和化學(xué)電源材料等領(lǐng)域的實際應(yīng)用，從原子電子結(jié)構(gòu)與原子間的相互作用入手，講授單質(zhì)、化合物、固溶體等材料的結(jié)構(gòu)及影響其結(jié)構(gòu)的主要因素，在講述基礎(chǔ)科學(xué)理論的同時，介紹相關(guān)材料應(yīng)用于光伏和化學(xué)電源等實際器件中的工作原理。

第四章是晶體中的缺陷。包括點缺陷的基本屬性、位錯的概念、位錯的運動和性質(zhì)、位錯力學(xué)、面心立方晶體中的位錯、其他晶體中的位錯、小角度位錯及位錯小結(jié)等內(nèi)容。結(jié)合光伏和化學(xué)電源材料等領(lǐng)域的實際應(yīng)用，講授材料中不同維度缺陷的基礎(chǔ)知識以及缺陷對材料性能的重要影響，同時介紹材料缺陷調(diào)控對光伏和化學(xué)電源等實際器件應(yīng)用的重要性，以及通過相關(guān)缺陷調(diào)控方法發(fā)展先進(jìn)新能源材料的途徑。

第五章是新能源材料講座。包括硅、應(yīng)變硅材料和PN結(jié)太陽能電池簡介，以及III-V族半導(dǎo)體材料及新能源材料與器件的制備表征工藝簡介等內(nèi)容。根據(jù)光伏和化學(xué)電源材料等領(lǐng)域的實際應(yīng)用需要，講授硅、應(yīng)變硅、III-V族半導(dǎo)體材料在器件應(yīng)用中的基本工作原理，并在此基礎(chǔ)上介紹通過材料與器件結(jié)構(gòu)設(shè)計和工藝改進(jìn)，使其性能得到顯著提高、在實際應(yīng)用中發(fā)揮更大作用的途徑。

第六章是相圖及相變。包括概述及格杠桿定律，一元、二元、三元相圖，相圖及其與材料性能的關(guān)系，相變及應(yīng)用等內(nèi)容。結(jié)合光伏和化學(xué)電源材料等領(lǐng)域的實際應(yīng)用，講授一元、二元、三元相圖表示以及相圖和相變中的基本規(guī)律，同時介紹人們利用相圖和相變知識開展新能源材料與器件工作的實際進(jìn)展。

第七章是固體中的擴散。包括引言及菲克定律、穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)擴散、擴散理論和機制、反應(yīng)擴散以及離子晶體中的擴散等內(nèi)容。結(jié)合光伏和化學(xué)電源材料等領(lǐng)域的實際應(yīng)用，講授材料中擴散的基本規(guī)律、基本機理以及相關(guān)基礎(chǔ)科學(xué)理論問題的計算方法。

第八章是固相反應(yīng)。包括固相反應(yīng)機理、固相反應(yīng)動力學(xué)以及影響固相反應(yīng)的因素等內(nèi)容。結(jié)合新能源材料領(lǐng)域的實際應(yīng)用，講授固相反應(yīng)的種類、基本機理以及運用固相反應(yīng)基礎(chǔ)知識設(shè)計制備先進(jìn)新能源材料的途徑。

以上教學(xué)內(nèi)容的設(shè)置，均與課程的教學(xué)目標(biāo)相契合，具體明確地為實現(xiàn)課程教學(xué)目標(biāo)服務(wù)。

二、課程教學(xué)方法手段以及配套課程和本課程的建設(shè)探索

（一）本課程的教學(xué)方法和手段

本課程以課堂教學(xué)為主，配合習(xí)題、討論提升教學(xué)效果。課程考核期末有閉卷筆試，平時有考勤、課堂考查、作業(yè)以及綜合復(fù)習(xí)等考核。試卷考核要圍繞課程目標(biāo)考查學(xué)生工程知識以及問題分析和研究能力，同時盡量覆蓋課程的主要知識點，合理分配各個課程目標(biāo)的考核分值。

我們在幾年來的實際教學(xué)工作中，通過對教學(xué)大綱、教學(xué)日歷、課件、題庫、慕課資料的不斷完善和建設(shè)，以及每學(xué)期上完課之后對授課效果和課程教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成情況進(jìn)行認(rèn)真總結(jié)分析和改進(jìn)，努力使自身的教學(xué)水平不斷得到提高。

（二）相關(guān)配套課程的同步建設(shè)

除了本課程自身的理論教學(xué)，我們還開設(shè)了與之配套的實驗課程即新能源材料科學(xué)基礎(chǔ)實驗。通過實驗課程的開設(shè)，使學(xué)生加深對新能源材料科學(xué)的基本物理化學(xué)概念和基本規(guī)律的認(rèn)識，培養(yǎng)實驗操作能力，能夠?qū)茖W(xué)實驗結(jié)果進(jìn)行計算分析并完成實驗報告，為進(jìn)一步深入學(xué)習(xí)新能源專業(yè)知識和技能以及培養(yǎng)解決相關(guān)實際問題的能力奠定基礎(chǔ)。

教學(xué)團(tuán)隊從實驗課程的設(shè)置、實驗設(shè)備的購置搭建、實驗教材的準(zhǔn)備、實驗教學(xué)的授課等方面開展了大量工作，把這門配套課程很好地建立了起來。理論課和實驗課的配合教學(xué)，在把學(xué)生培養(yǎng)成理論與實踐相結(jié)合的新能源領(lǐng)域?qū)I(yè)人才中發(fā)揮了重要作用。

除此之外，我們還積極參與學(xué)院新能源材料與器件專業(yè)的整體建設(shè)。一個專業(yè)是一個有機的整體，加強各門課程的緊密配合，有助于實現(xiàn)專業(yè)人才的培養(yǎng)目標(biāo)。我們通過整體專業(yè)建設(shè)的參與，不僅能加深了解本課程在專業(yè)教學(xué)中擔(dān)當(dāng)?shù)慕巧玫馗愫帽菊n程的教學(xué)，發(fā)揮本課程教學(xué)的作用，而且還能為學(xué)校特色新專業(yè)的建設(shè)貢獻(xiàn)力量。

（三）本課程的建設(shè)進(jìn)展

通過任課教師的不斷努力以及教學(xué)團(tuán)隊的支持和配合，本課程的建設(shè)已經(jīng)取得了初步成效：通過教學(xué)和考核，學(xué)生在本課程學(xué)習(xí)中整體成績優(yōu)良，教學(xué)目標(biāo)得到很好達(dá)成，課程在同行聽課和學(xué)生評教中也得到了積極肯定的評價。通過共同努力，教學(xué)團(tuán)隊參與和主持的相關(guān)教學(xué)工作先后取得了2016年校級教育教學(xué)成果獎二等獎和三等獎，并且被推薦選作2019年度上海市教委本科重點課程。相關(guān)教材和教學(xué)參考書《新能源材料科學(xué)基礎(chǔ)實驗》《先進(jìn)納米薄膜材料：制備方法及應(yīng)用》也已經(jīng)出版發(fā)行[8-9]，其中前者被選作普通高等教育“十三五”規(guī)劃教材、新能源材料與器件專業(yè)規(guī)劃教材，后者則被編入師昌緒先生主編的先進(jìn)功能材料從書，被選為“十二五”國家重點圖書，并獲得2018年中國石油和化學(xué)工業(yè)優(yōu)秀出版物獎的圖書獎一等獎。通過本課程授課培養(yǎng)出的學(xué)生，先后獲得了華東理工大學(xué)優(yōu)秀獎學(xué)金一等獎、上海市大學(xué)生頭腦奧林匹克創(chuàng)新比賽最默契團(tuán)隊獎、上海市級優(yōu)秀畢業(yè)生等榮譽。今后我們將繼續(xù)不斷努力，把課程建設(shè)得更好，爭取更大的成績。

三、結(jié)語

隨著人類生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，能源和環(huán)境問題日益緊迫，新能源材料與器件的研發(fā)和利用在國內(nèi)外都受到高度重視。在新能源材料與器件專業(yè)新能源材料科學(xué)基礎(chǔ)課程的建設(shè)過程中結(jié)合相關(guān)領(lǐng)域?qū)嶋H發(fā)展情況，系統(tǒng)講授相關(guān)材料科學(xué)基礎(chǔ)的基本知識，可以取得良好的教學(xué)效果，對培養(yǎng)適應(yīng)國家新能源戰(zhàn)略需求的專業(yè)人才可以發(fā)揮積極的作用。

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[責(zé)任編輯：龐丹丹]