新能源材料專業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實驗課程改革探索

張蕾　王曉剛　劉清華　段曉波　華小虎　陸樹河　樊子民　鄧麗榮

摘要：新能源材料作為新興產(chǎn)業(yè)，其發(fā)展需要大批專業(yè)人才，而國內(nèi)新能源材料專業(yè)剛剛起步，實驗課程體系設(shè)置及設(shè)備都尚未跟進，互聯(lián)網(wǎng)實驗室可以根據(jù)建設(shè)背景與學(xué)科特點建設(shè)與之相適應(yīng)的實驗平臺，本文在現(xiàn)有新能源材料實驗室基礎(chǔ)上，通過互聯(lián)網(wǎng)的加入對新能源材料專業(yè)的實驗教學(xué)體系建設(shè)進行探討。

關(guān)鍵詞：互聯(lián)網(wǎng)；新能源材料；實驗課程

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）12-0247-02

一、引言

隨著信息技術(shù)，互聯(lián)網(wǎng)+時代的到來，傳統(tǒng)意義上的大學(xué)功能被部分取代，而實驗課程體系作為傳統(tǒng)大學(xué)教育中不可或缺的部分，在此背景下也受到了很大的沖擊。既然如此，實驗課程如何重新定位自己的未來發(fā)展方向并且重新審視自己在大學(xué)教育中的價值所在？其次，實驗課程體系如何適應(yīng)及更好地應(yīng)用互聯(lián)網(wǎng)模式來實現(xiàn)更大的價值呢？在互聯(lián)網(wǎng)模式引導(dǎo)下，應(yīng)用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，新一代實驗室和實訓(xùn)基地在此背景下因用而生，并通過新專業(yè)、新方向等形式的設(shè)置，實現(xiàn)專業(yè)領(lǐng)域的拓展，培養(yǎng)更貼近社會需求的大學(xué)生，從而促進大學(xué)的長遠發(fā)展。

全球經(jīng)濟發(fā)展引起一系列資源環(huán)境問題[1]，石油危機、環(huán)境污染和溫室效應(yīng)等已成為現(xiàn)階段制約經(jīng)濟社會發(fā)展的主要因素。面臨如此嚴峻的挑戰(zhàn)，世界各國紛紛進行新能源、節(jié)能技術(shù)及環(huán)境技術(shù)的綜合高效開發(fā)和利用，以期實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，因此，新能源材料作為新興的課程體系，在互聯(lián)網(wǎng)+的模式下必將引起更大關(guān)注。

目前，新能源材料課程體系的建設(shè)正處于起步階段，作為一個多學(xué)科交叉專業(yè)，其建設(shè)并無現(xiàn)成經(jīng)驗可以借鑒，必須經(jīng)過認真的研討和長遠的規(guī)劃。本文圍繞新能源專業(yè)實驗課程體系，結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)+模式探討其實驗教學(xué)的發(fā)展方向。

二、新能源材料互聯(lián)網(wǎng)實驗室的教學(xué)目標

自上世紀90年代起，世界各地一些具有前瞻性的名校校長就開始探索信息技術(shù)與教學(xué)的融合，如早在2001年由麻省理工學(xué)院啟動的OCW（Open Course Ware）網(wǎng)絡(luò)開放課程，就計劃10年內(nèi)把MIT所有的課程內(nèi)容放到網(wǎng)上，供全世界所有的人免費使用。MIT前校長維斯特（Charles Vest）作為該項目的倡導(dǎo)者和實施者，希望能推動課程資源的共建共享，促進教授之間的相互學(xué)習(xí)與合作，創(chuàng)造一個全新的學(xué)習(xí)時空。緊跟其后的“媒體聯(lián)合體”是由詹姆斯·杜德斯達特（James Duderstadt）在擔(dān)任美國密歇根大學(xué)校長時推動和實施的一項研究型大學(xué)創(chuàng)新發(fā)展實驗。它通過把所有的信息技術(shù)集成在一個物理空間，從而創(chuàng)造一個“全數(shù)字化”（all-digital）的環(huán)境，為研究型大學(xué)日益增長的跨學(xué)科學(xué)習(xí)與研究活動提供了一個統(tǒng)一且通用的平臺。

在此背景下，網(wǎng)絡(luò)實驗室應(yīng)運而生。銳捷網(wǎng)絡(luò)早在2004年就在業(yè)內(nèi)首次提出了高校網(wǎng)絡(luò)實驗室方案的理念。網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)，解決了高新技術(shù)的實驗難以獨立操作及展示的問題，同時通過互聯(lián)網(wǎng)的加入，建成新型的開放實驗室，在實驗內(nèi)容做到開放性的同時還可以實現(xiàn)實驗方式的開放性。在實驗室中，教師和學(xué)生可以根據(jù)自己的需要來設(shè)計實驗內(nèi)容，同時可以隨時隨地通過遠程登陸的方式進行預(yù)約和做網(wǎng)絡(luò)實驗。這種新型的互聯(lián)網(wǎng)實驗室一般由客戶端、網(wǎng)頁服務(wù)器端、應(yīng)用服務(wù)器端及實驗儀器設(shè)備四部分組成。網(wǎng)頁服務(wù)器主要作用是提供Web接入服務(wù)、用戶認證管理、開放式交互實驗環(huán)境以及網(wǎng)頁的生成；應(yīng)用服務(wù)器主要作用是控制和管理實驗儀器、采集和處理實驗數(shù)據(jù)，學(xué)習(xí)過程中學(xué)生只需登錄瀏覽器即可通過互聯(lián)網(wǎng)訪問網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室，進行實驗。

實時測量過程中，通過儀器共享、遠程控制來完成實驗過程。學(xué)生在進入實時測量模塊之前，通過一個多媒體輔助模塊來實現(xiàn)實驗平臺界面的虛擬呈現(xiàn)，檢驗學(xué)生的預(yù)習(xí)程度，讓學(xué)生預(yù)先了解實驗內(nèi)容，熟悉具體的實驗步驟；然后通過測量模塊，實現(xiàn)本地實驗數(shù)據(jù)的采集，根據(jù)學(xué)生的課程安排進行分析、存儲以及顯示，完成實驗過程。

這種新型的互聯(lián)網(wǎng)實驗室有三種實現(xiàn)模式：（1）軟件共享網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室：僅通過模擬軟件平臺，接受學(xué)生或教師發(fā)送的實驗請求，分析和處理實驗參數(shù)，經(jīng)過計算模擬最終將結(jié)果返回。整個測試過程不涉及具體的實驗儀器硬件設(shè)備，利用軟件模擬即可完成。（2）儀器共享網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室：服務(wù)端接收學(xué)生或老師的實驗請求，使用實驗參數(shù)與相應(yīng)的實驗儀器硬件設(shè)備相配置，實驗后將實驗結(jié)果返回，實現(xiàn)實驗儀器及實驗數(shù)據(jù)的共享。（3）遠程控制網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室：與儀器共享網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室最大的區(qū)別在于可以實現(xiàn)客戶端對實驗儀器設(shè)備的遠程控制。

通過互聯(lián)網(wǎng)實驗室的建立可以實現(xiàn)對實驗室的高效管理，學(xué)生可實現(xiàn)在不同功能的實驗臺之間輕松切換，教師在教師機上即可登陸到學(xué)生實驗的設(shè)備上，指導(dǎo)、檢查學(xué)生實驗的過程和結(jié)果，可以輕松管理多組實驗；不僅如此，互聯(lián)網(wǎng)實驗室也是安全管理的實驗室，由于網(wǎng)絡(luò)實驗被局限在實驗臺內(nèi)，任何兩組實驗設(shè)備之間沒有網(wǎng)絡(luò)連接，實驗過程互不干擾，實驗結(jié)果清晰可信。

三、新能源材料互聯(lián)網(wǎng)實驗室的發(fā)展方向

西安科技大學(xué)新能源材料方向立足于當(dāng)?shù)匦虏牧袭a(chǎn)業(yè)技術(shù)落后、能源資源浪費大、污染大、裝備水平低的現(xiàn)狀，旨在解決技術(shù)水平落后，專業(yè)技術(shù)人員不足等問題，推進研發(fā)成果產(chǎn)品化、工程化和產(chǎn)業(yè)化，形成能源材料專門人才培養(yǎng)基地。目前主要開展多晶硅、多晶薄膜、太陽能光熱轉(zhuǎn)換儲運器材料、電極材料、負極材料、電熱轉(zhuǎn)換陶瓷以及低載能工業(yè)硅、單/多晶碳化硅和金屬鎂材料等新能源新材料方面的研究和開發(fā)已初具規(guī)模，在師資、實驗室建設(shè)等方面都積累了一定的基礎(chǔ)。

與傳統(tǒng)的材料專業(yè)相比，新能源材料專業(yè)教學(xué)內(nèi)容更為抽象，新能源材料與器件專業(yè)與以往的工程類材料專業(yè)相比，更強調(diào)與材料科學(xué)相關(guān)的物理、化學(xué)基礎(chǔ)，學(xué)生將接受更為嚴格和堅實的基礎(chǔ)理論教育和實驗技能訓(xùn)練[2，3]。其中實驗部分主要由基礎(chǔ)實驗、專業(yè)基礎(chǔ)實驗、專業(yè)實驗和科學(xué)訓(xùn)練、創(chuàng)新實驗等多部分組成，從而培養(yǎng)學(xué)生的實驗設(shè)計、實驗操作、實驗結(jié)果分析等綜合實驗?zāi)芰ΑＦ渲谢A(chǔ)實驗主要包括大學(xué)物理實驗、基礎(chǔ)化學(xué)實驗等，讓學(xué)生通過接觸多學(xué)科、綜合性的知識和技能，理解基礎(chǔ)理論知識，掌握基本的實驗操作技能，這部分實驗在傳統(tǒng)的實驗室即可完成。而對于新能源材料的專業(yè)性實驗則需通過不同的方式呈現(xiàn)給學(xué)生，由于其專業(yè)的新穎性及特殊性，很多新材料的制備及表征過程無法完全由學(xué)生自己動手完成，實驗設(shè)備的局限性限制了學(xué)生對新能源材料的進一步深入探究。計算機和多媒體技術(shù)的廣泛應(yīng)用，在這一方面將會迅速、高效地根據(jù)學(xué)生需求提供所需信息，提高教學(xué)效率和教學(xué)質(zhì)量。互聯(lián)網(wǎng)實驗室可以完全滿足新能源專業(yè)的教學(xué)需求，完成新材料制備研究、材料性能測定、材料應(yīng)用分析等的實驗系列，幫助學(xué)生理解常用的新能源材料制備方法、性能表征測試方法的原理，熟悉常用的實驗儀器及其使用方法，為后續(xù)相關(guān)實驗以及科學(xué)研究打好基礎(chǔ)。同時在每個網(wǎng)絡(luò)實驗室均配套相關(guān)專業(yè)的實驗手冊，以供教學(xué)參考。作為教材使用的實驗手冊包括：教學(xué)目的、真實實驗環(huán)境描述、實驗設(shè)備、實驗設(shè)備間相連的網(wǎng)絡(luò)拓撲、操作步驟、實驗結(jié)果及驗證等內(nèi)容。

以儲能材料與器件及性能綜合實驗為例，主要包含了包括鋰離子電池正極材料制備、結(jié)構(gòu)與性能表征，電極制備與表征[4]，電池組裝過程與工藝及電化學(xué)性能和安全性測試等過程。學(xué)生在實驗過程中主要學(xué)習(xí)鋰離子電池系列相關(guān)的正、負材料的合成、器件組裝以及器件的整體存儲性能測試，目的是讓學(xué)生掌握目前廣泛研究和應(yīng)用的高性能化學(xué)電源（如鋰離子電池）的工作原理、制備及測量方法。在實驗課程設(shè)置時，必須考慮學(xué)生的實際操作問題，讓其針對實驗內(nèi)容的某一部分設(shè)計自己的方案，并在實驗平臺上進行驗證。但目前實驗室無法滿足學(xué)生對整個過程的直接了解，通過互聯(lián)網(wǎng)實驗室可以實現(xiàn)虛擬流程、虛擬工藝、虛擬生產(chǎn)等數(shù)字化教學(xué)資源，為數(shù)字化課堂建設(shè)提供翔實的資源保障。可以將鋰離子電池的生產(chǎn)過程、工作流程等信息實時傳送到課堂，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神，拓寬學(xué)生的學(xué)習(xí)空間，激發(fā)學(xué)生發(fā)散性思維。

實驗前先讓學(xué)生查閱相關(guān)文獻，了解鋰離子電池的電化學(xué)工作機理，在基礎(chǔ)實驗部分讓學(xué)生自主設(shè)計、制備不同電極的材料、完成電解液的選擇過程。后續(xù)的電池的組裝及性能檢測過程可通過網(wǎng)絡(luò)實驗室完成，讓學(xué)生對鋰離子電池的構(gòu)造有了感性的認識，對其主要的性能指標參數(shù)有更深的理解，更可以通過互聯(lián)網(wǎng)實驗室實現(xiàn)學(xué)生對鋰離子電池生產(chǎn)工藝流程的直觀學(xué)習(xí)，培養(yǎng)培養(yǎng)學(xué)生的綜合職業(yè)能力，推動新能源材料的后續(xù)發(fā)展。

四、結(jié)語

作為新型戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，新能源材料專業(yè)在未來的很長的時間內(nèi)必會有廣闊的發(fā)展前景，專業(yè)人才的培養(yǎng)，教學(xué)質(zhì)量的全面提高將會是高等院校發(fā)展的重點和熱點。同時通過互聯(lián)網(wǎng)的加入讓學(xué)生了解新能源材料的最新生產(chǎn)工藝，及時地跟進最新的生產(chǎn)技術(shù)，加強學(xué)生工程實踐能力和專業(yè)實驗技能訓(xùn)練，促進學(xué)生的職業(yè)成長，為解決國內(nèi)高校開設(shè)新能源材料專業(yè)實驗課暫無經(jīng)驗借鑒的現(xiàn)狀，提出一種可參考的實驗教學(xué)模式。

參考文獻：

[1]Zhang G.Q，Zheng J.P，Liang R，et al. J Electrochem Soc. J，2010，157（8）：A953-A956.

[2]劉德波，張保豐.材料成型及控制工程專業(yè)實踐教學(xué)體系研究[J].實驗科學(xué)與技術(shù)，2011，9（2）：131-132.

[3]王子賢，馬國富.基于應(yīng)用型人才培養(yǎng)的創(chuàng)新實踐教學(xué)體系研究[J].科技信息，2009，（34）：116-117.

[4]吳輝煌.應(yīng)用電化學(xué)基礎(chǔ)[M].廈門大學(xué)出版社，2006：337-340.