新能源材料创新实验设计分析

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摘要：随着新能源产业的不断发展，新能源材料与器件这一新兴专业也正受到社会各界的广泛认可和接受。越来越多的行业和领域迫切需要这一专业人才。如何针对这一专业的本科学生，在其大学就读期间进行创新性思维培养，是很多大学实验负责教师面临的必须解决的问题之一。本文就这一问题，将展开一系列研究和讨论，力求寻找到一种切实可行的创新实验模式，应用于新能源材料与器件的本科实验教学中。

关键词：新能源材料与器件；创新思维；实验教学；实验设计

当今社会，随着资源的日益枯竭，人们对于新能源材料的开发愿望日益迫切[1]。目前，我国大力倡导新能源产业的发展，对于新能源材料与器件专业的人才需求日益增长。然而，新能源材料与器件专业目前还属于一个新兴专业，专业的课程体系和专业特色正在日趋完善中。针对新能源材料与器件专业的学生，如何激发他们的原创动力，如何引导他们在未来的科研和工作中展现创新能力，是新能源材料与器件专业实验设计的短板。

一、现状分析

全国第一批开设新能源材料与器件专业的高校大概有十余所，但是该专业普遍开设均不满十年，各个高校对于该专业的课程设置正日趋完善[2]。对于专业课程的设置，其实验课程教学相对还不太完善。虽然开设的实验名为新能源材料与器件专业综合实验或者专业综合设计，但在实际教学中往往还是教师给出实验步骤，学生照样子操作。其并没有给学生任何发挥创造的空间，很难在教学过程中培养学生的创造性思维和创新性动手能力[3]。学生在实验环节做出的实验结果，很多是经典实验结果，对于实际生产或者目前的研究科研都过时已久。这完全没有办法培养学生的创新意识，提高学生的创新能力。

二、优化措施

针对这些新能源材料与器件专业的实验教学弊端，华东理工大学新能源材料与器件专业，结合课堂教学“太阳能电池设计原理及制造”“化学电源设计原理及制造”两门专业核心课程，将太阳能电池和化学电源中的主要组件、设计原理和设计基本工艺，让学生在课堂教学过程中进行具体学习。教师在课堂教学中注重电池和电源的结构设计、转换效率影响因素、组件的制造工艺、性能的表征方法等知识点的融会贯通，利用专业实验从真正意义上检测学生对于这些知识点的掌握情况。教师让学生自主设计实验，提出实验方案，分小组进行实验论证，仅仅在实验可行性论证中给予必要指导，让学生在独立设计分析实验、提出解决方案的过程中逐步实现创新性思辨思维意识的培养。这一过程允许学生在实验中出现失误，其是培养学生客服困难，在失败实验中寻求突破的实验新模式。实验教学评分不完全取决于学生的实验结果，而是从学生设计实验创新性、实验论证科学性、实验操作规范性、实验改进合理性等多个方面、多个角度对学生专业实验进行综合评价。这就使得学生的创新能力能够在专业实验和专业设计中得到充分培养。在学生进行专业实验和设计的过程中，如果涉及产业化放大生产的设计，学校就可为学生提供校企合作的机会，支持学生将想法和实验结果与企业对接。学校可以让学生利用暑假时间直接到企业中去，通过毕业实习等方法，在企业中对一些原创的技术和器件进行进一步优化。学校根据企业中的实际环境进一步优化实验方案，以期得到一些好的创新电子或者优质技术，鼓励学生在毕业设计等环节，进一步优化实验设计方案。这样就可以实现理论教学、实验教学、毕业实习、毕业论文一体化的创新意识培养路径。学生在进行专业实验的学习中，不再是单纯地进行重复性实验，而是在实验中对科学原理深入理解，对实验过程进行分析。这样既能考察学生对于文献的调研和理解能力，又能培养学生在实验设计中结合自己对专业理论进行实践的创新思维。这样的实验不限制学生完成实验的路线，而是重点考察和强调学生在操作过程中的规范性；不对实验结果的唯一性进行考察，而是考察学生设计和处理实验数据的合理性。学生的实验报告不再是千篇一律的，而是具有自身的实验设计特色。这样的实验报告不再是单纯的实验原理、实验设备与材料、实验过程、实验结论的堆砌，而是包含实验研究背景、实验方案设计调研、实验原理分析、实验仪器与材料设计、实验过程合理性论证、实验数据记录、实验数据分析、实验结果评价等几个部分。学生操作的实验结果可能是成功的、也可能是失败的。这样可以培养学生如何正确面对失败，允许学生进行调研分析后提出改进方案，然后进一步进行实验论证，从根本上杜绝了学生随意修改实验结果和实验数据的现象。个性化的实验报告也给予了学生在实验报告撰写过程中进行发挥的空间。教师利用本科的实验教学环节培养学生的科研素养，提升学生分析问题和解决问题的能力，进而极大地提升了学生的创新能力。

三、实施案例

以太阳能电池电极制备实验为例，首先，我们在“太阳能电池设计原理及制造”课程中分析了太阳能电池中电极的作用，给出了太阳能电池电极目前主要的制备方法，电极性能的评价指标及检测方法，了解了各种杂质对于电极性能的主要影响，以及影响的机理。其次，在新能源材料与器件专业实验中，我们要求学生分组根据所学自行设计一种太阳能电极的制备方案，包括所需的原材料，测试所需要的设备清单。每组根据自己的实验方案，准备实验可行性论证ppt，然后在全班进行讨论。在讨论的过程中，学生逐步完善自己的实验方案。教师负责引导学生找出方案中的错漏，并启发学生寻求解决方案。最后，根据学生设计的实验方案，教师集中购置实验所需的实验耗材，让学生根据自己制定的实验方案进行操作实施，并撰写实验报告。无论实验成功还是失败，学生都需要在实验报告中进行分析。针对失败的实验，如果学生能够提出解决方案，就允许学生进行二次尝试。但是，在学生的每次尝试中，教师都要要求学生提交相应的实验报告，以培养学生在综合实验中分析解决问题的能力和素养，在常规实验中培养学生的创新意识。对于学生获得较好性能的一些实验结果，其项目还可以与我校产学研实习基地进行横向合作，让学生在本科阶段就可以与社会和企业密切接触，让科技落地从本科教学中真正实现。学生在完成太阳能电极制备实验过程中，要做的不再是一份单纯的实验报告，而是首先要在“太阳能电池设计原理及制造”理论课上，完成相关太阳能电极背景的调研，并撰写太阳能电极制备方法的调研报告。在新能源材料与器件专业实验中，学生根据前期调研报告，完成对应的实验报告的撰写。其实验报告分四个阶段：第一阶段设计实验方案；第二阶段分组讨论实验方案可行性；第三阶段实施实验完成实验报告；第四阶段进行实验优化及反思。这样的分段可以在专业实验环节中将学生各项能力指标的达成做得更加明晰和深化，让学生在专业理论课的学习中，完成了对基本原理和技术方法的识别表达，并利用文献对相应项目的影响因素进行调研。在此基础上，教师借助专业实验课对项目实验方案进行多样性优化，并在设计实验时，综合考察安全、环境、法律法规等相关要求，设计合理且绿色环保的实验解决方案，让学生在进行实验的过程中培养安全的实验操作规范，掌握收集、分析整理数据的能力，并能根据数据进行分析获得结果。这样，学生可以灵活运用实验室先进的测试加工仪器对实验材料进行分析，甚至可以针对某些实验项目运用软件先进行理论模拟，以预测实验结果。实验设计可以充分考量学生可持续发展的专业思想和理念，培养学生遵循科学发展的思想，并在小组的分工合作中，培养学生的团队精神，让学生掌握如何进行文献综述、调研报告的撰写，并且明确文献综述与调研报告在实际研究中的重要意义和作用。在实验报告论证阶段，其可以培养学生就专业问题与他人进行有效的沟通和交流，让学生了解与实验相关的前沿学术进展。教师利用这种理论课程与实验课程一体化的培养模式，可以实现对本科学生多种能力全方位的培养，在教学过程中真正做到了培养学生的创新能力。

四、小结

这种专业综合实验的培养过程，能极大地培养学生的创新能力和创新意识。然而，一个实验的准备往往需要实验教师投入大量的时间和精力，华东理工大学实验教学中心的教师对此付出了极大的精力。这项对学生创新性实验能力培养的教学方案，也获得了实验教学中心领导的大力支持。

参考文献：

[1]罗文,钱艳楠,王文广.新能源背景下《太阳能电池》课程理论和实践教学改革研究[J].云南化工,2020,47(5):178-180.

[2]赵春霞,周静,顾少轩,杨爽.基于OBE理念的新能源材料与器件专业实验教学探索与实践[J].高教学刊,2019(18):83-85.

[3]曾荣华,潘俊贤,耿忠,叶锐添,钱素惠,罗一帆.培养新能源材料与器件本科专业创新人才的教育实践[J].实验室研究与探索,2019,38(7):164-166.

作者：孙金煜 杨晓玲 潘镛宇 张小凡 曹诗雅 胡金龙 单位：华东理工大学材料科学与工程学院