以創(chuàng)新能力培養(yǎng)為導(dǎo)向的太陽能電池精品實驗項目建設(shè)

周小巖，張亞萍，馬紅章，韓立立

（中國石油大學(xué)（華東）理學(xué)院物理實驗中心，山東 青島 266580）

中國石油大學(xué)（華東）理學(xué)院物理實驗教學(xué)中心（以下簡稱中心），2006年被評為山東省省級物理實驗教學(xué)示范中心，2007年“大學(xué)物理實驗”被評為省級精品課程。中心面向全校理工科學(xué)生開設(shè)多類物理實驗系列課程，年均教學(xué)工作量超過20萬人時。在中國石油大學(xué)（華東）培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新性拔尖人才的目標(biāo)下［1］，中心在物理實驗教學(xué)模式優(yōu)化和規(guī)范化、考核機制及系列課程建設(shè)方面進(jìn)行了積極的探索和實踐［2－6］。

在教育部提出建設(shè)精品課程戰(zhàn)略背景下，中國石油大學(xué)（華東）開展了3年的精品實驗建設(shè)工作。希望通過精品實驗項目的示范和引領(lǐng)作用來推動其他實驗項目和實驗課程的系統(tǒng)建設(shè)，提高本科實驗教學(xué)水平、教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果。物理實驗是學(xué)生進(jìn)入大學(xué)后系統(tǒng)地接受科學(xué)實驗方法和實驗技能訓(xùn)練的開端［7］，是培養(yǎng)各專業(yè)人才的重要實踐環(huán)節(jié)，其課程建設(shè)和教學(xué)改革是理工類學(xué)校教改工作的重要內(nèi)容。在光伏產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展，新概念、新技術(shù)日新月異的今天，提高實驗教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)創(chuàng)新型人才越發(fā)重要［8－10］。本文在太陽能電池精品實驗項目建設(shè)工作中，通過構(gòu)建3個階段實驗培養(yǎng)體系、更新實驗教學(xué)內(nèi)容和改進(jìn)實驗教學(xué)方法來提升學(xué)生的創(chuàng)新能力和實驗教學(xué)效果，賦予精品實驗教學(xué)生動的內(nèi)涵。

1 項目建設(shè)的目的和意義

1.1 與時俱進(jìn)，豐富實驗教學(xué)內(nèi)容

太陽能電池精品實驗依托山東省物理實驗教學(xué)示范中心和新能源新材料科研平臺，緊扣社會熱點問題，聯(lián)系工業(yè)生產(chǎn)實際，合理安排不同階段的實驗教學(xué)內(nèi)容。實驗內(nèi)容涉及納米材料、納米薄膜的制備，電池的制作工藝、微結(jié)構(gòu)表征技術(shù)、光電性能測試、儀器多功能化和智能測量等，是學(xué)生將所學(xué)的基礎(chǔ)和專業(yè)知識綜合應(yīng)用的體現(xiàn)。教學(xué)過程中太陽能電池的制備可以采用磁控濺射、真空鍍膜和濕化學(xué)方法等，可以改變工藝參數(shù)，可以測試光伏性能或光譜性能。微結(jié)構(gòu)表征可以采用拉曼光譜、X射線衍射和掃描電鏡等其他科研技術(shù)手段。因此，該精品實驗的教學(xué)內(nèi)容設(shè)計是靈活多樣的，大大拓展了實驗教學(xué)的廣度和深度。新穎的實驗內(nèi)容激發(fā)了學(xué)生濃厚的興趣，網(wǎng)上預(yù)約該實驗的人數(shù)最多，幾乎每個開放日期都是全部約滿。

1.2 漸進(jìn)式培養(yǎng)學(xué)生的實踐創(chuàng)新能力

學(xué)生對問題的認(rèn)知，對一門課程的學(xué)習(xí)是一個由淺入深的過程。學(xué)生實驗?zāi)芰Α?chuàng)新能力和科學(xué)思維的提升是一個循序漸進(jìn)的過程。一個科學(xué)合理的實驗教學(xué)體系，對學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力、實踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)將具有深遠(yuǎn)的意義。依據(jù)知識的認(rèn)知過程和能力培養(yǎng)的梯形結(jié)構(gòu)，建立從基礎(chǔ)到綜合設(shè)計再到研究課題訓(xùn)練階段的實踐過程。基礎(chǔ)階段注重實驗的啟發(fā)性，強調(diào)理論知識與實驗內(nèi)容的有機聯(lián)系。綜合設(shè)計階段倡導(dǎo)學(xué)生自主設(shè)計、自行搭建、自主管理實驗，培養(yǎng)學(xué)生獨立實驗的能力和運用所學(xué)知識解決問題的能力。研究階段采用科研課題的形式訓(xùn)練學(xué)生，注重培養(yǎng)學(xué)生提出問題和解決問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)研究的能力。學(xué)生經(jīng)過3個階段的訓(xùn)練，其實驗技能、實驗綜合能力、實驗創(chuàng)新能力將得到逐步提升。

2 項目的特色和創(chuàng)新

2.1 分專業(yè)的模塊化教學(xué)方法

太陽能電池實驗是面向全校工科“大學(xué)物理實驗”、理科“普通物理實驗”和實驗班“基礎(chǔ)物理實驗”課程中的一個實驗項目。該實驗的授課對象是全校理工科學(xué)生，專業(yè)的覆蓋面廣，層次和水平存在一定的差異，并且授課學(xué)時也不同。原實驗項目未采用分專業(yè)教學(xué)，其教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法及應(yīng)用的教學(xué)手段區(qū)分不大，導(dǎo)致實驗教學(xué)層次性不明顯，教學(xué)效果并不理想。例如對自動化和計算機類的學(xué)生，教師在實驗教學(xué)中講述太陽能電池的制備工藝和半導(dǎo)體技術(shù)。該專業(yè)的學(xué)生因為沒有相關(guān)方面的知識背景和儲備，對實驗原理理解不太透徹，在一定程度上影響了這部分學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。鑒于此，我們將太陽能電池實驗項目劃分為4個教學(xué)模塊，其內(nèi)容涉及材料、計算機、通信以及物理等學(xué)科多個領(lǐng)域的知識和應(yīng)用。每個實驗教學(xué)模塊都配套相應(yīng)的教學(xué)大綱、教學(xué)內(nèi)容、考核及評分標(biāo)準(zhǔn)。針對不同學(xué)科、不同專業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)方向和后續(xù)專業(yè)課程，實施不同的實驗教學(xué)模塊，使學(xué)生最大限度地接受優(yōu)質(zhì)教學(xué)。

2.2 溶入科研素材的研究型課題訓(xùn)練

在研究型課題訓(xùn)練階段引入太陽能電池光伏性能測試系統(tǒng)、單色光電轉(zhuǎn)換效率IPCE測試系統(tǒng)、半導(dǎo)體測試儀、太陽光模擬器、X射線衍射儀等科研儀器，結(jié)合教師的科研項目和科研成果開設(shè)研究性小課題，構(gòu)建教學(xué)與科研相互融合的實驗教學(xué)模式［11－13］。研究型課題與時俱進(jìn)，內(nèi)容新穎，貼近實際工業(yè)生產(chǎn)，使所涉及到的理論知識變得形象生動，加深了學(xué)生對理論知識的理解和掌握。此外，研究型課題使學(xué)生在本科階段就接觸到先進(jìn)的科研儀器，進(jìn)一步提高科研儀器設(shè)備的利用率，有利于高校資源設(shè)備的有效利用，擴大其應(yīng)用范圍。

3 項目的教學(xué)實施

太陽能電池實驗項目針對本科生的物理實驗教學(xué)劃分為基礎(chǔ)實驗、綜合設(shè)計實驗和課題研究3個訓(xùn)練階段，如圖1所示。每個階段采用不同的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和教學(xué)設(shè)計理念。

圖1 太陽能電池精品實驗項目教學(xué)體系示意圖

3.1 基礎(chǔ)階段：分專業(yè)模塊化教學(xué)模式

將原先“太陽能電池的基本特性研究”實驗，通過LB－SC實驗儀測量單晶硅和多晶硅太陽能電池特性，記錄分析數(shù)據(jù)，拓展為4個教學(xué)模塊。第一模塊為太陽能電池制備；第二模塊為半導(dǎo)體工藝技術(shù)；第三模塊為太陽能電池光伏性能和光譜響應(yīng)測試；第四模塊為智能測試和儀器功能化。針對不同專業(yè)的學(xué)生，采用不同的實驗教學(xué)模塊，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 分專業(yè)模塊化教學(xué)結(jié)構(gòu)示意圖

工科專業(yè)學(xué)生的“大學(xué)物理實驗”課程，每個實驗項目的授課為2.5學(xué)時，完成不了4個實驗教學(xué)模塊。教學(xué)中從學(xué)生的專業(yè)背景和專業(yè)特點出發(fā)，教學(xué)內(nèi)容具有一定的區(qū)分度，進(jìn)行分類教學(xué)嘗試。將化學(xué)、材料化學(xué)、化工和材料物理等專業(yè)作為復(fù)合專業(yè)一采用模塊1和2，教學(xué)側(cè)重點放在納米薄膜的物理化學(xué)方法制備，包括前驅(qū)體溶液的配制、納米粉體的制備、納米薄膜的電化學(xué)制備、成膜方法等；將自動化、電氣、機械和計算機類等專業(yè)作為復(fù)合專業(yè)二，采用模塊3和4，教學(xué)側(cè)重點主要以光電信號的轉(zhuǎn)換、電信號的采集和處理、光譜的自動濾波和特性參數(shù)的自動測量，包括工作電路、控制單元的方案設(shè)計，以及各部分的連接和通信、驅(qū)動程序和通信協(xié)議、上位機界面的程序編寫等。

理科專業(yè)學(xué)生的“普通物理實驗”課程，每個實驗項目的授課為4學(xué)時，擬采用實驗教學(xué)模塊2、3和4。教學(xué)側(cè)重點主要以太陽能電池原理、電池的伏安特性、光照特性、負(fù)載特性及溫度特性，以及光電轉(zhuǎn)換效率的影響因素和半導(dǎo)體技術(shù)，包括電池的封裝、電極的制備、電極的焊接等，要求掌握1～2個數(shù)據(jù)處理軟件，掌握圖形的繪制和實驗數(shù)據(jù)的分析總結(jié)等。

實驗班學(xué)生的“基礎(chǔ)物理實驗”課程，每個實驗項目的授課為4學(xué)時，擬采用4個實驗教學(xué)模塊中的部分內(nèi)容。教學(xué)側(cè)重點在強化實驗理論和實驗技能的基礎(chǔ)上，凝練實驗的思想和方法，提升教學(xué)深度和高度，體現(xiàn)精英教育理念，為優(yōu)秀人才提供較高的實驗創(chuàng)新平臺。

3.2 綜合設(shè)計階段：以學(xué)生為主體、教師為主導(dǎo)的教學(xué)方法

該階段的教學(xué)實施時間為1～2個教學(xué)周，由指導(dǎo)教師提出問題，例如太陽能電池負(fù)載與輸出功率的匹配方案、光電轉(zhuǎn)換效率的影響因素和提高方式、設(shè)計光路系統(tǒng)克服太陽光線角度的變化等，讓學(xué)生綜合運用所學(xué)的知識，自己設(shè)計實驗方案、搭建實驗裝置、自己管理實驗。為充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，組織學(xué)生進(jìn)行實驗方案的科學(xué)性和可行性論證，提出修改意見，指導(dǎo)實驗過程，總結(jié)歸納實驗結(jié)果等。該階段強調(diào)學(xué)生的自主性和教師的指導(dǎo)性，注重實驗的啟發(fā)性和綜合性，培養(yǎng)學(xué)生運用所學(xué)到的知識和技能解決實際問題的能力。

3.3 研究課題訓(xùn)練階段：培養(yǎng)科研思維，全面提升學(xué)生創(chuàng)新能力

該階段的教學(xué)實施周期為4個教學(xué)周，采用先進(jìn)的科研技術(shù)和方法，引入教師的科研項目和成果，學(xué)生以2～3人為1個研究小團(tuán)隊，每個研究團(tuán)隊配1名科研導(dǎo)師。科研導(dǎo)師結(jié)合自身科研課題，組織學(xué)生開展系列研究性課題訓(xùn)練。教學(xué)案例有二氧化鈦基染料敏化太陽能電池（DSSC）的制備及光伏性能實驗研究，探討散射層的厚度對DSSC光電轉(zhuǎn)化效率的影響、DSSC光陽極的改進(jìn)及優(yōu)化、天然染料應(yīng)用于DSSC的研究等課題。研究型課題訓(xùn)練具體著重以下幾方面內(nèi)容：文獻(xiàn)的檢索、英文文獻(xiàn)的閱讀、實驗方案的制定、實驗的實施、樣品的制備流程、性能的測試、儀器的使用、實驗數(shù)據(jù)的整理和分析、論文的撰寫。該階段重在培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)研究思維，建立良好的科學(xué)素質(zhì)。

4 階段性多元化的定量考核機制

精品實驗中，我們采用了多元化的定量評定方式。培養(yǎng)體系的3個實驗階段根據(jù)教學(xué)目標(biāo)的不同，實施不同的考核方法。基礎(chǔ)階段采用三段式考核模式，其中預(yù)習(xí)20%，操作40%，實驗報告40%。預(yù)習(xí)和操作成績在實驗教學(xué)實施過程中直接由任課教師給出。實驗報告包含實驗數(shù)據(jù)的整理、處理過程，結(jié)果分析和問題討論部分，要求學(xué)生在課后一周之內(nèi)完成。綜合設(shè)計階段針對實驗中的方案設(shè)計，實驗過程和課程論文3個環(huán)節(jié)考核。研究課題階段采用五段式考核模式，包含文獻(xiàn)調(diào)研、開題、實驗過程、結(jié)果分析和PPT答辯5個環(huán)節(jié)，由科研導(dǎo)師評定。

5 結(jié)束語

針對太陽能電池精品實驗項目建設(shè)，構(gòu)建了以3個實驗階段前后銜接的培養(yǎng)體系，使不同專業(yè)不同層次的學(xué)生，掌握扎實的實驗基礎(chǔ)理論和基本實驗技能，學(xué)生實驗綜合能力、實驗創(chuàng)新能力得到逐步提升，為培養(yǎng)學(xué)生良好的科研素質(zhì)奠定了堅實的基礎(chǔ)。學(xué)生經(jīng)過這3個實驗階段的訓(xùn)練，開闊了實驗研究視野，拓展了知識面，其自主學(xué)習(xí)能力、實踐能力、創(chuàng)新能力和科學(xué)研究思維得到了極大的提升，并涌現(xiàn)出許多優(yōu)秀的成果。

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