專業(yè)學(xué)位研究生“材料物理”課程案例教學(xué)實(shí)踐
——以“高效低成本硅基太陽能電池的開發(fā)應(yīng)用”為例

蘇進(jìn)步，伍媛婷，朱建鋒

（陜西科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710021）

一、材料類專業(yè)學(xué)位研究生案例教學(xué)的背景

隨著新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革蓬勃興起，全球科技創(chuàng)新進(jìn)入密集活躍期。目前，我國(guó)在很多領(lǐng)域都有尚待突破的關(guān)鍵技術(shù)，成為制約我國(guó)創(chuàng)新發(fā)展的瓶頸，因此，培養(yǎng)大量創(chuàng)新型、復(fù)合型、應(yīng)用型人才至關(guān)重要。2020年，教育部出臺(tái)《專業(yè)學(xué)位研究生教育發(fā)展方案（2020—2025）》，對(duì)推進(jìn)新時(shí)代專業(yè)學(xué)位研究生教育改革與發(fā)展提出了深化產(chǎn)教融合、完善評(píng)價(jià)機(jī)制等要求，但是目前研究生教育還存在重學(xué)術(shù)學(xué)位、輕專業(yè)學(xué)位，重理論、輕實(shí)踐等問題［1-3］。

大部分院校在專業(yè)型碩士研究生培養(yǎng)過程中沿用學(xué)術(shù)研究生培養(yǎng)方案，在教學(xué)過程中忽視行業(yè)企業(yè)對(duì)人才的實(shí)際需求，沒有貫徹落實(shí)以產(chǎn)出為導(dǎo)向的教育理念，不能真正地把握在產(chǎn)業(yè)發(fā)展的實(shí)際應(yīng)用過程中所出現(xiàn)的問題，導(dǎo)致理論和實(shí)踐脫節(jié)。

材料產(chǎn)業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支柱產(chǎn)業(yè)之一，與人民生活息息相關(guān)。從材料學(xué)科應(yīng)用型人才培養(yǎng)的角度來看，本學(xué)科專業(yè)學(xué)位研究生最突出的特點(diǎn)是強(qiáng)調(diào)實(shí)踐出真知，注重理論聯(lián)系實(shí)際，傾向于在實(shí)踐中進(jìn)行應(yīng)用研究和開發(fā)創(chuàng)新，致力于解決行業(yè)間的實(shí)際問題。

為了產(chǎn)業(yè)需求，要求材料類專業(yè)學(xué)位研究生具有堅(jiān)實(shí)的材料工程理論基礎(chǔ)和專業(yè)知識(shí)，了解材料工程行業(yè)發(fā)展動(dòng)向，掌握材料化學(xué)成分和組織結(jié)構(gòu)的分析方法、材料制造過程的質(zhì)量監(jiān)控、材料的改進(jìn)技術(shù)等，熟悉材料獲得、材料質(zhì)量改進(jìn)、材料制造技術(shù)、工程規(guī)劃、質(zhì)量監(jiān)督等整個(gè)過程。

傳統(tǒng)工科專業(yè)課程的講授以教師為主體，學(xué)生處于被動(dòng)聽課狀態(tài)，案例教學(xué)過程仍偏重口頭講解，注入式多，啟發(fā)式、討論式少，材料學(xué)科教學(xué)案例庫仍不完善。因此，建立和完善案例庫教學(xué)在材料類專業(yè)學(xué)位研究生培養(yǎng)過程中顯得尤為重要［4-10］。

二、“高效低成本硅基太陽能電池的開發(fā)應(yīng)用”案例介紹

本教學(xué)案例依托“材料物理”課程，主要利用物理學(xué)理論知識(shí)闡明材料中的變化過程和規(guī)律，培養(yǎng)學(xué)生利用理論指導(dǎo)材料性能設(shè)計(jì)、產(chǎn)品開發(fā)等實(shí)踐過程的能力。學(xué)生在以往的課堂中，僅了解了能帶理論、PN結(jié)等基礎(chǔ)理論知識(shí)，難以將其與實(shí)際工程實(shí)踐問題結(jié)合，更不能將該理論知識(shí)用于解決工程實(shí)踐中遇到的問題。

為解決上述問題，我們引入了“高效低成本硅基太陽能電池的開發(fā)應(yīng)用”教學(xué)案例。該教學(xué)案例主要以某光伏企業(yè)為例，展示了其從太陽能硅片、電池、組件及電池封裝測(cè)試等關(guān)鍵環(huán)節(jié)出發(fā)，突破性地提升了單晶技術(shù)路線，優(yōu)化了半片組件、雙面組件等關(guān)鍵技術(shù)，顯著降低了企業(yè)生產(chǎn)成本并提高了光伏發(fā)電效率，探索出一條從產(chǎn)品創(chuàng)新改變行業(yè)到技術(shù)創(chuàng)新改變世界能源格局的創(chuàng)變之路，引領(lǐng)了光伏行業(yè)的快速發(fā)展。該案例包括講義、課件、教案、調(diào)查問卷、相關(guān)視頻等，具體內(nèi)容介紹見表1，極大地豐富了教學(xué)內(nèi)容。

表1 高效低成本硅基太陽能電池的開發(fā)應(yīng)用案例組成

本教學(xué)案例創(chuàng)新性地提出了課內(nèi)外雙循環(huán)教學(xué)模式和多層次評(píng)價(jià)反饋和持續(xù)改進(jìn)體系教學(xué)方式，通過介紹坎坷發(fā)展的中國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)——從零到世界第一，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)光伏效率低、成本高是阻礙光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要原因，通過教師引導(dǎo)、分組討論等課內(nèi)循環(huán)和企業(yè)實(shí)踐、專家講堂等課外循環(huán)等形式，使學(xué)生更深入理解所學(xué)理論知識(shí)，并能運(yùn)用于實(shí)踐中解決遇到的工程問題。該案例教學(xué)對(duì)專業(yè)碩士研究生培養(yǎng)起到很好的示范效應(yīng)，也對(duì)教學(xué)案例庫的豐富具有重要的推動(dòng)作用。

三、“高效低成本硅基太陽能電池的開發(fā)應(yīng)用”案例教學(xué)實(shí)踐過程

教案是本案例實(shí)施教學(xué)過程的重要依據(jù)，一般包括章節(jié)信息、教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)重難點(diǎn)及處理措施、教學(xué)過程設(shè)計(jì)、思考題等，相關(guān)示例見圖1。本小節(jié)以案例第一部分“1.2光伏產(chǎn)業(yè)龍頭企業(yè)——××股份的發(fā)展之路”為例，說明該案例教學(xué)的具體實(shí)施過程。

1.課前。任課教師根據(jù)情況將學(xué)生分成5～8組，根據(jù)××股份的業(yè)務(wù)范圍發(fā)布每個(gè)小組學(xué)習(xí)和討論主題，要求各個(gè)小組重點(diǎn)討論××股份在各個(gè)業(yè)務(wù)板塊的科技創(chuàng)新能力，發(fā)掘與本課程相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)。此過程能夠培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)、團(tuán)隊(duì)協(xié)助能力及積極的科學(xué)探索精神。

2.課中。首先，任課教師總結(jié)我國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)的主要公司，從而引出目前光伏產(chǎn)業(yè)的龍頭企業(yè)——××股份，講解××股份的發(fā)展歷程。在此過程中，可聯(lián)系××股份相關(guān)企業(yè)導(dǎo)師，以現(xiàn)場(chǎng)連線或錄制視頻的形式，講解××股份發(fā)展過程中的故事。然后，組織學(xué)生以小組的形式討論課前任務(wù)，小組代表圍繞討論內(nèi)容和要點(diǎn)進(jìn)行發(fā)言，其他學(xué)生進(jìn)行提問。與此同時(shí)，任課教師對(duì)參與成果展示的小組進(jìn)行評(píng)價(jià)，并深入分析科研投入和科技創(chuàng)新等對(duì)××股份發(fā)展的影響，根據(jù)點(diǎn)評(píng)內(nèi)容，總結(jié)小組討論結(jié)果的不足和存在問題。

在此過程中，培養(yǎng)學(xué)生自主探索的學(xué)習(xí)能力，激發(fā)學(xué)生的求知欲，使學(xué)生變被動(dòng)學(xué)習(xí)為主動(dòng)探索；培養(yǎng)學(xué)生利用所學(xué)知識(shí)分析和解決工程問題的能力，提高其工程實(shí)踐能力。最后，任課教師幫助學(xué)生梳理本節(jié)課的知識(shí)要點(diǎn)和邏輯結(jié)構(gòu)，總結(jié)本節(jié)課主要內(nèi)容，提高歸納總結(jié)能力。

3.課后。任課教師對(duì)學(xué)生進(jìn)行合理引導(dǎo)，布置課后思考題“假如你是一家光伏企業(yè)的負(fù)責(zé)人，為保持或追趕行業(yè)領(lǐng)先地位，你會(huì)在哪些方面努力？”通過教師引導(dǎo)、學(xué)生互評(píng)及小組合作探討，做到查漏補(bǔ)缺、鞏固提高、拓展提升。

4.實(shí)踐教學(xué)。任課教師帶領(lǐng)學(xué)生前往實(shí)踐單位參觀實(shí)習(xí)，通過參觀生產(chǎn)線、企業(yè)專家座談等，學(xué)生分析課堂中所提解決方法和工程實(shí)踐中實(shí)際解決方法的優(yōu)缺點(diǎn)，從而分析總結(jié)最優(yōu)方法。此外，專業(yè)學(xué)位碩士需要參加8～10個(gè)月的工程實(shí)踐，部分學(xué)生會(huì)參與工程實(shí)踐，將課堂所學(xué)理論知識(shí)與工程實(shí)踐問題相結(jié)合，進(jìn)而對(duì)后續(xù)課程案例進(jìn)行改進(jìn)和更新。

5.總結(jié)反饋。每次課程和工程實(shí)踐結(jié)束后，對(duì)上課學(xué)生、工程實(shí)踐學(xué)生和用人單位進(jìn)行問卷調(diào)查，反饋案例教學(xué)效果，用于案例庫和課程教學(xué)目標(biāo)的改進(jìn)和更新。

四、案例教學(xué)實(shí)施效果及評(píng)價(jià)

在傳統(tǒng)的理論教學(xué)模式中，教師作為教學(xué)活動(dòng)的中心，憑借口頭表達(dá)、板書、手勢(shì)及身體語言等完成教學(xué)活動(dòng)，“填鴨式”要求學(xué)生精心傾聽、詳細(xì)記錄，具有很大的局限性，缺乏師生之間、學(xué)生之間的交流。

因此，這種教學(xué)模式對(duì)于學(xué)生的能力培養(yǎng)難以奏效，尤其是對(duì)于“材料物理”等以理論為主的專業(yè)基礎(chǔ)課程。學(xué)生雖然掌握了能帶理論等基礎(chǔ)知識(shí)，但是難以將其應(yīng)用于工程實(shí)踐中解決遇到的具體問題。

本案例教學(xué)則完全不同，教學(xué)活動(dòng)的素材主要是基于生產(chǎn)實(shí)際，將抽象的理論知識(shí)融入企業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐，在學(xué)生自學(xué)基礎(chǔ)理論知識(shí)的基礎(chǔ)上，通過小組討論、辯論和個(gè)人演講完成教學(xué)，教師只是啟發(fā)和幫助學(xué)生，引導(dǎo)學(xué)生自己或集體做分析和判斷，通過工程實(shí)踐，經(jīng)過討論后達(dá)成共識(shí)。

教師僅僅提出學(xué)習(xí)要求，最后進(jìn)行概括總結(jié)，絕大部分時(shí)間和內(nèi)容交由學(xué)生自己主動(dòng)地進(jìn)行和完成。通過本工程案例教學(xué)，學(xué)生在以下方面具有明顯的提升。

1.學(xué)生分析、解決問題和利用理論解決工程實(shí)踐問題的能力大幅度提升。本教學(xué)案例均來源于生產(chǎn)實(shí)踐，是書本理論知識(shí)在企業(yè)生產(chǎn)過程中的具體實(shí)踐。通過工程案例可將抽象的專業(yè)理論具體化，如半導(dǎo)體能帶理論。學(xué)生在教師的引導(dǎo)下應(yīng)用所學(xué)的理論知識(shí)，通過對(duì)具體的工程案例分析，體驗(yàn)生產(chǎn)或工程實(shí)踐中的具體問題，達(dá)到理論與實(shí)踐相結(jié)合，學(xué)生在獲得知識(shí)的同時(shí)獲得了相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)，有效地培養(yǎng)了學(xué)生綜合運(yùn)用知識(shí)、獨(dú)立工作和實(shí)踐的能力，有利于塑造學(xué)生的創(chuàng)新精神。

2.學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性大幅度提升。在工程案例教學(xué)中，教師通過介紹企業(yè)生產(chǎn)過程中的難題引出具體工程問題，鼓勵(lì)學(xué)生通過對(duì)案例分析討論，互相提問和解答，尋找蘊(yùn)含在案例背景材料中的相關(guān)知識(shí)，應(yīng)用所學(xué)的基礎(chǔ)理論知識(shí)和分析方法，對(duì)工程案例進(jìn)行理論聯(lián)系實(shí)際的思考、分析和研究，充分體現(xiàn)了學(xué)生在學(xué)習(xí)中的主體地位，有效地提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性。

3.學(xué)生團(tuán)結(jié)協(xié)作精神顯著增強(qiáng)。工程案例教學(xué)鼓勵(lì)學(xué)生以辯證思維的方法，從不同角度觀察、探討同一問題的不同側(cè)面，提倡交流、討論、啟發(fā)和批評(píng)；幫助學(xué)生串聯(lián)知識(shí)要點(diǎn)、解答疑難，通過討論、集思廣益，共同完成最終的方案。這一過程培養(yǎng)了學(xué)生敢于質(zhì)疑權(quán)威的能力、敢于發(fā)表個(gè)人觀點(diǎn)的能力、分析個(gè)案的能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神。

結(jié)語

傳統(tǒng)課堂難以滿足生產(chǎn)實(shí)際對(duì)高級(jí)應(yīng)用型人才的基本要求。課程團(tuán)隊(duì)以太陽能光伏器件生產(chǎn)實(shí)踐為教學(xué)實(shí)例，與××建立了產(chǎn)學(xué)研用合作創(chuàng)新機(jī)制，將“材料物理”等基礎(chǔ)課程中涉及的光電效應(yīng)、能帶理論、摻雜改性等理論知識(shí)與企業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐相結(jié)合，整理編制此教學(xué)案例。通過該案例教學(xué)，將工程案例引入材料類工程碩士研究生教學(xué)中，豐富學(xué)生受訓(xùn)內(nèi)容，縮短理論教學(xué)與生產(chǎn)實(shí)際的距離，以滿足工程教育面向工業(yè)企業(yè)的要求，體現(xiàn)培養(yǎng)面向材料工程技術(shù)領(lǐng)域的高層次復(fù)合型應(yīng)用技術(shù)和工程管理人才的辦學(xué)理念和培養(yǎng)目標(biāo)。該案例教學(xué)方式和教學(xué)內(nèi)容可推廣應(yīng)用于化工、機(jī)械、電子信息等相關(guān)專業(yè)學(xué)位研究生培養(yǎng)中。