新能源材料與器件專業實驗課程設置探討

周 瑩，謝 娟，張 騫，武元鵬，莊 稼

（西南石油大學 材料科學與工程學院，四川 成都 610500）

隨著經濟社會的快速發展，能源和環境問題成為關系國民經濟可持續發展的突出問題，引起了國際社會的普遍關注，新能源材料與器件成為了關乎國家發展和安全的戰略性問題［1－3］。為此，2010年，教育部批準在全國15所高校設置“新能源材料與器件”國家戰略性新興產業專業，我校以良好的能源學科建設和科學研究為依托，成功申報獲批建設全國首批新能源材料與器件本科新專業。由于我國專門的新能源專業開設較晚，新能源材料與器件專業的建設正處于起步階段，尚無現成經驗可以借鑒［4］，雖然已分別于2011年和2012年在華東理工大學、西南石油大學、華北電力大學召開了3次全國新能源材料與器件專業建設研討會，深入探討了該專業的培養方案、課程設計、實驗課程建設等，但是由于各高校尚未完整培養出新能源材料與器件專業的首屆應屆畢業生，在專業建設的實踐過程中仍有許多值得研究和探討的問題。本文結合西南石油大學3年來在新能源材料與器件專業建設方面的經驗和積累，圍繞實驗課程設置進行探討。

1 新能源材料與器件的課程體系

西南石油大學是新中國創建的第2所石油本科院校，建有油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室，在石油天然氣等傳統能源領域優勢突出、特色鮮明，在國家加快對新能源的開發和利用的背景下，結合國家和四川省中長期科技發展規劃和能源戰略，我校于2010年成立了新能源研究中心，并開始建設新能源材料與器件專業。我校高度重視新能源材料與器件專業及相關學科發展，大力支持該專業建設，并從全校2010級理工科學生中選拔了30名優秀學生作為新能源材料與器件專業的首批學生。經過3年的專業建設，已逐步完善了該專業的培養方案、課程設計、教學大綱等。課程體系設置突出厚基礎、寬口徑的思想，反映特色和適應國民經濟社會發展需要等原則，重視工程實踐和科學創新思維的培養［5］。

新能源材料與器件相對于傳統的材料科學與工程一級學科目錄下的材料類專業有其自身鮮明的特點，特別是如何處理和平衡材料與器件的關系成為課程體系設置的難點。我校在課程體系設置方面，注重夯實學生的化學、物理、材料基礎，提出建設能量轉換材料與器件，儲能材料與器件2門核心課程，其中《能量轉換材料與器件》已于今年被科學出版社作為“十二五”規劃教材出版，具體的課程體系如圖1所示。因此，我們在課程設置上并不突出和強調單一的材料和器件，而是以能量的轉換和儲存為核心，建設能量儲存和能量轉換課程模塊。以能量儲存模塊為例，學生在學習材料物理化學、無機及分析化學、應用電化學等基礎課程的基礎上，以儲能材料與器件為橋梁（見圖1），在此基礎上學生可根據自己的興趣選擇相應的側重器件和工藝方面的選修課程，在工程實踐過程中，鞏固所修的專業知識。

圖1 新能源材料與器件專業課程體系

2 新能源材料與器件實驗課程的設置

根據已構建的專業課程體系，在實驗課程設置上也是以能量的轉換和儲存為核心，在強調與材料科學相關的物理、化學知識的基礎上［6］，注重提高學生在器件方面的設計和動手能力。圍繞上述培養目標制定了具有專業特色的實踐教學體系，包括專業基礎實驗、專業綜合實驗和工程實踐3個層次［7－8］，見圖2。

（1）專業基礎實驗?，F階段主要包括電化學和光電化學測試實驗，一方面因為這是能量轉換和儲存的基礎性實驗，另一方面可有效銜接前期學過的應用電化學、半導體物理等課程，有助于在提高學生動手能力的同時，溫習和鞏固理論知識［9］。

（2）專業綜合實驗。主要是在專業基礎實驗的基礎上，使學生對部分新能源材料的制備、表征以及器件的組裝和性能測試有初步的了解和認識［10］，形成材料研究的意識和具備初步參與材料與器件研究的能力。目前專業綜合實驗設置了染料敏化太陽能電池組裝與測試，鋰電池電極材料的制備及性能表征，可見光光催化材料的制備及催化性能測試和薄膜太陽能電池的制備及性能4個模塊（見圖2）。這主要是在兼顧能量轉換與儲存、材料與器件的基礎上，根據現有師資隊伍的研究方向和內容選定的。這一方面有利于打破實驗內容陳舊不能與最新研究成果銜接的問題［11］。以筆者學習工作過的瑞士蘇黎世大學為例，為本科高年級學生開設的化學綜合實驗課，每年并無固定的實驗內容，而是由各個研究課題組根據自身的研究進展，擬定相應的實驗課題和內容，有利于激發學生的學習熱情和創新思維。另一方面有利于將實驗教學和科研資源進行有機的整合。我校在2000年就開設了針對本科生的開放實驗基金，自2012年起，在企業的資助下，材料學院每年出資20萬元用于設置本科生創新基金，因此，可以很好地將本科生開放實驗融入到專業綜合實驗中［12］。目前已有本專業學生申報的項目得到國家級大學生創新創業訓練計劃資助，并在四川省第十二屆“挑戰杯”大學生課外學術科技作品競賽中獲獎。

圖2 新能源材料與器件專業實踐教學體系圖

（3）工程實踐。這一階段主要通過課程設計和生產實習培養學生的工程實踐能力，并已規劃了“風－光轉換一體”和“光伏器件生產”2個實訓平臺，通過實訓平臺促進校企合作實驗基地的建設。此外，學生在經過專業基礎實驗，專業綜合實驗及開放基金的訓練后，具備了查找資料的能力［13］，為畢業論文的選題、文獻綜述和實驗方案設計做好了準備。如果能把專業實驗、開放基金和畢業設計有機地結合起來，非常有利于學生進行系統的科學鍛煉，培養學生的創新思維，增強學生文獻調研、實驗設計、實驗操作及實驗結果分析等綜合實驗能力。

3 存在的主要問題和建議

經過3年專業建設，發現在實驗課程設置和建設上也存在一些問題：

（1）專業基礎實驗過于偏重于電化學。這主要是受現有的儀器設備所限，在后期的建設中將增加半導體物理性能相關的測試實驗，并且建議在專業基礎課程中，除了半導體物理外，還應當增設半導體工藝學，增強學生在器件設計和工藝方面的理論知識。

（2）實訓平臺尚未建立。由于專業建設時間短，規劃的實訓平臺尚未能建立，在現有條件下，建議建設新能源材料與器件虛擬實驗平臺，可以打破實體實驗資源局限，共享優質教學資源，有效降低教學設備成本［14］。

（3）實習基地建設困難。當前新能源行業面臨很多挑戰，特別是去年美國和歐洲對中國光伏企業征收高額的反傾銷稅以來，加劇了行業的困難，一批企業面臨停產甚至倒閉的風險，這為建立合適的實習基地帶來了很大困難。如果實習企業選擇不當，將嚴重影響學生的學習熱情和積極性。

4 結束語

為了培養出國家和地方急需的新能源材料與器件專業技術人才，西南石油大學依據學校發展定位和“十二五”規劃加快了新能源相關專業及學科的建設，在3年的新專業建設中，圍繞能量轉換和儲存初步建立了階梯式的3層實驗體系，加強學生工程實踐，致力于培養學生的獨立思考能力和創新意識，為國內開設同類專業的高校提供了可參考的實驗課程設置體系。

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