新能源材料創(chuàng)新實驗設(shè)計分析

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摘要：隨著新能源產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，新能源材料與器件這一新興專業(yè)也正受到社會各界的廣泛認(rèn)可和接受。越來越多的行業(yè)和領(lǐng)域迫切需要這一專業(yè)人才。如何針對這一專業(yè)的本科學(xué)生，在其大學(xué)就讀期間進(jìn)行創(chuàng)新性思維培養(yǎng)，是很多大學(xué)實驗負(fù)責(zé)教師面臨的必須解決的問題之一。本文就這一問題，將展開一系列研究和討論，力求尋找到一種切實可行的創(chuàng)新實驗?zāi)Ｊ?，?yīng)用于新能源材料與器件的本科實驗教學(xué)中。

關(guān)鍵詞：新能源材料與器件；創(chuàng)新思維；實驗教學(xué)；實驗設(shè)計

當(dāng)今社會，隨著資源的日益枯竭，人們對于新能源材料的開發(fā)愿望日益迫切[1]。目前，我國大力倡導(dǎo)新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對于新能源材料與器件專業(yè)的人才需求日益增長。然而，新能源材料與器件專業(yè)目前還屬于一個新興專業(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)動力，如何引導(dǎo)他們在未來的科研和工作中展現(xiàn)創(chuàng)新能力，是新能源材料與器件專業(yè)實驗設(shè)計的短板。

一、現(xiàn)狀分析

全國第一批開設(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，各個高校對于該專業(yè)的課程設(shè)置正日趨完善[2]。對于專業(yè)課程的設(shè)置，其實驗課程教學(xué)相對還不太完善。雖然開設(shè)的實驗名為新能源材料與器件專業(yè)綜合實驗或者專業(yè)綜合設(shè)計，但在實際教學(xué)中往往還是教師給出實驗步驟，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)新性動手能力[3]。學(xué)生在實驗環(huán)節(jié)做出的實驗結(jié)果，很多是經(jīng)典實驗結(jié)果，對于實際生產(chǎn)或者目前的研究科研都過時已久。這完全沒有辦法培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力。

二、優(yōu)化措施

針對這些新能源材料與器件專業(yè)的實驗教學(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)計原理及制造”“化學(xué)電源設(shè)計原理及制造”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)計原理和設(shè)計基本工藝，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、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點的融會貫通，利用專業(yè)實驗從真正意義上檢測學(xué)生對于這些知識點的掌握情況。教師讓學(xué)生自主設(shè)計實驗，提出實驗方案，分小組進(jìn)行實驗論證，僅僅在實驗可行性論證中給予必要指導(dǎo)，讓學(xué)生在獨立設(shè)計分析實驗、提出解決方案的過程中逐步實現(xiàn)創(chuàng)新性思辨思維意識的培養(yǎng)。這一過程允許學(xué)生在實驗中出現(xiàn)失誤，其是培養(yǎng)學(xué)生客服困難，在失敗實驗中尋求突破的實驗新模式。實驗教學(xué)評分不完全取決于學(xué)生的實驗結(jié)果，而是從學(xué)生設(shè)計實驗創(chuàng)新性、實驗論證科學(xué)性、實驗操作規(guī)范性、實驗改進(jìn)合理性等多個方面、多個角度對學(xué)生專業(yè)實驗進(jìn)行綜合評價。這就使得學(xué)生的創(chuàng)新能力能夠在專業(yè)實驗和專業(yè)設(shè)計中得到充分培養(yǎng)。在學(xué)生進(jìn)行專業(yè)實驗和設(shè)計的過程中，如果涉及產(chǎn)業(yè)化放大生產(chǎn)的設(shè)計，學(xué)校就可為學(xué)生提供校企合作的機(jī)會，支持學(xué)生將想法和實驗結(jié)果與企業(yè)對接。學(xué)校可以讓學(xué)生利用暑假時間直接到企業(yè)中去，通過畢業(yè)實習(xí)等方法，在企業(yè)中對一些原創(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)中的實際環(huán)境進(jìn)一步優(yōu)化實驗方案，以期得到一些好的創(chuàng)新電子或者優(yōu)質(zhì)技術(shù)，鼓勵學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計等環(huán)節(jié)，進(jìn)一步優(yōu)化實驗設(shè)計方案。這樣就可以實現(xiàn)理論教學(xué)、實驗教學(xué)、畢業(yè)實習(xí)、畢業(yè)論文一體化的創(chuàng)新意識培養(yǎng)路徑。學(xué)生在進(jìn)行專業(yè)實驗的學(xué)習(xí)中，不再是單純地進(jìn)行重復(fù)性實驗，而是在實驗中對科學(xué)原理深入理解，對實驗過程進(jìn)行分析。這樣既能考察學(xué)生對于文獻(xiàn)的調(diào)研和理解能力，又能培養(yǎng)學(xué)生在實驗設(shè)計中結(jié)合自己對專業(yè)理論進(jìn)行實踐的創(chuàng)新思維。這樣的實驗不限制學(xué)生完成實驗的路線，而是重點考察和強(qiáng)調(diào)學(xué)生在操作過程中的規(guī)范性；不對實驗結(jié)果的唯一性進(jìn)行考察，而是考察學(xué)生設(shè)計和處理實驗數(shù)據(jù)的合理性。學(xué)生的實驗報告不再是千篇一律的，而是具有自身的實驗設(shè)計特色。這樣的實驗報告不再是單純的實驗原理、實驗設(shè)備與材料、實驗過程、實驗結(jié)論的堆砌，而是包含實驗研究背景、實驗方案設(shè)計調(diào)研、實驗原理分析、實驗儀器與材料設(shè)計、實驗過程合理性論證、實驗數(shù)據(jù)記錄、實驗數(shù)據(jù)分析、實驗結(jié)果評價等幾個部分。學(xué)生操作的實驗結(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)行實驗論證，從根本上杜絕了學(xué)生隨意修改實驗結(jié)果和實驗數(shù)據(jù)的現(xiàn)象。個性化的實驗報告也給予了學(xué)生在實驗報告撰寫過程中進(jìn)行發(fā)揮的空間。教師利用本科的實驗教學(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、實施案例

以太陽能電池電極制備實驗為例，首先，我們在“太陽能電池設(shè)計原理及制造”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，電極性能的評價指標(biāo)及檢測方法，了解了各種雜質(zhì)對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)實驗中，我們要求學(xué)生分組根據(jù)所學(xué)自行設(shè)計一種太陽能電極的制備方案，包括所需的原材料，測試所需要的設(shè)備清單。每組根據(jù)自己的實驗方案，準(zhǔn)備實驗可行性論證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驗方案。教師負(fù)責(zé)引導(dǎo)學(xué)生找出方案中的錯漏，并啟發(fā)學(xué)生尋求解決方案。最后，根據(jù)學(xué)生設(shè)計的實驗方案，教師集中購置實驗所需的實驗耗材，讓學(xué)生根據(jù)自己制定的實驗方案進(jìn)行操作實施，并撰寫實驗報告。無論實驗成功還是失敗，學(xué)生都需要在實驗報告中進(jìn)行分析。針對失敗的實驗，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)的實驗報告，以培養(yǎng)學(xué)生在綜合實驗中分析解決問題的能力和素養(yǎng)，在常規(guī)實驗中培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識。對于學(xué)生獲得較好性能的一些實驗結(jié)果，其項目還可以與我校產(chǎn)學(xué)研實習(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和企業(yè)密切接觸，讓科技落地從本科教學(xué)中真正實現(xiàn)。學(xué)生在完成太陽能電極制備實驗過程中，要做的不再是一份單純的實驗報告，而是首先要在“太陽能電池設(shè)計原理及制造”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)研報告。在新能源材料與器件專業(yè)實驗中，學(xué)生根據(jù)前期調(diào)研報告，完成對應(yīng)的實驗報告的撰寫。其實驗報告分四個階段：第一階段設(shè)計實驗方案；第二階段分組討論實驗方案可行性；第三階段實施實驗完成實驗報告；第四階段進(jìn)行實驗優(yōu)化及反思。這樣的分段可以在專業(yè)實驗環(huán)節(jié)中將學(xué)生各項能力指標(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，完成了對基本原理和技術(shù)方法的識別表達(dá)，并利用文獻(xiàn)對相應(yīng)項目的影響因素進(jìn)行調(diào)研。在此基礎(chǔ)上，教師借助專業(yè)實驗課對項目實驗方案進(jìn)行多樣性優(yōu)化，并在設(shè)計實驗時，綜合考察安全、環(huán)境、法律法規(guī)等相關(guān)要求，設(shè)計合理且綠色環(huán)保的實驗解決方案，讓學(xué)生在進(jìn)行實驗的過程中培養(yǎng)安全的實驗操作規(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)生可以靈活運用實驗室先進(jìn)的測試加工儀器對實驗材料進(jìn)行分析，甚至可以針對某些實驗項目運用軟件先進(jìn)行理論模擬，以預(yù)測實驗結(jié)果。實驗設(shè)計可以充分考量學(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)隊精神，讓學(xué)生掌握如何進(jìn)行文獻(xiàn)綜述、調(diào)研報告的撰寫，并且明確文獻(xiàn)綜述與調(diào)研報告在實際研究中的重要意義和作用。在實驗報告論證階段，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)生了解與實驗相關(guān)的前沿學(xué)術(shù)進(jìn)展。教師利用這種理論課程與實驗課程一體化的培養(yǎng)模式，可以實現(xiàn)對本科學(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)綜合實驗的培養(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。然而，一個實驗的準(zhǔn)備往往需要實驗教師投入大量的時間和精力，華東理工大學(xué)實驗教學(xué)中心的教師對此付出了極大的精力。這項對學(xué)生創(chuàng)新性實驗?zāi)芰ε囵B(yǎng)的教學(xué)方案，也獲得了實驗教學(xué)中心領(lǐng)導(dǎo)的大力支持。

參考文獻(xiàn)：

[1]羅文,錢艷楠,王文廣.新能源背景下《太陽能電池》課程理論和實踐教學(xué)改革研究[J].云南化工,2020,47(5):178-180.

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[3]曾榮華,潘俊賢,耿忠,葉銳添,錢素惠,羅一帆.培養(yǎng)新能源材料與器件本科專業(yè)創(chuàng)新人才的教育實踐[J].實驗室研究與探索,2019,38(7):164-166.

作者：孫金煜 楊曉玲 潘鏞宇 張小凡 曹詩雅 胡金龍 單位：華東理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院