新能源材料與器件專業(yè)實驗課程設置與實踐教學探討

陶華超 孫盼盼 肖婷 張露露 楊學林

摘要：本文根據(jù)三峽大學近幾年在新能源材料與器件專業(yè)建設方面的經(jīng)驗與積累，提出以新能源材料制備、新能源材料性能測試為主的綜合實驗課程。該課程主要圍繞鋰離子電池、超級電容器、太陽能電池、光催化等新型能源材料的合成與測試。依據(jù)綜合實驗課程的教學經(jīng)驗，對新能源材料與器件專業(yè)的實驗課程設置與實踐教學模式進行了探討。

關(guān)鍵詞：新能源材料與器件；實驗課程；實踐教學

中圖分類號：G642.41 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）11-0267-02

新能源材料與器件專業(yè)是2010年教育部為適應我國新能源、新材料、新能源汽車、節(jié)能環(huán)保、高端裝備制造等國家戰(zhàn)略性新型產(chǎn)業(yè)發(fā)展需要而設立，是由物理、化學、材料、電子、機械等多學科交叉，以能量轉(zhuǎn)換與存儲材料及其器件設計、制備工程技術(shù)為培養(yǎng)特色的戰(zhàn)略性新興專業(yè)。三峽大學從2012年開始招收本專業(yè)本科生，通過近幾年的教學實踐，逐步完善并制定了適合本專業(yè)學生發(fā)展的實驗課程，以材料性能綜合實驗和材料制備綜合實驗為基礎(chǔ)，較詳細地介紹新能源材料、器件設計與制造的基礎(chǔ)知識、基本理論，同時使學生掌握太陽能電池、鋰離子電池、超級電容器、光催化等新型能源材料的合成與測試。

一、實驗課程設置

三峽大學材料與化工學院依托材料科學與工程和化學工程與工藝兩個學科建設新能源材料與器件專業(yè)，在光伏材料和儲能材料方面的相關(guān)研究已初具規(guī)模。以學院現(xiàn)有的師資力量和實驗設備為基礎(chǔ)，開設了材料性能和材料制備兩門綜合實驗課程，使學生對新能源材料和器件有感性的認識，同時也鍛煉學生的動手能力，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神，激發(fā)學生的發(fā)散性思維，培養(yǎng)學生的團隊協(xié)作精神。

材料性能綜合實驗和材料制備綜合實驗均為48學時，其中材料性能綜合實驗課程理論課安排16個學時，材料性能綜合實驗實驗課安排32學時。理論課主要在課堂上講解實驗步驟，實驗原理，實驗注意事項，實驗方案的設計以及相關(guān)的實驗背景知識，加深學生對實驗的理解與掌握。實驗課主要在實驗室進行，學生進行分組實驗，根據(jù)相應的實驗方案，進行相關(guān)材料的制備與性能測試，以及組裝器件等。材料性能綜合實驗共開設16個實驗，主要包括石墨負極的循環(huán)伏安測試、改性石墨的充放電測試、超級電容器的循環(huán)伏安測試及分析、超級電容器的容量測試、稀土晶態(tài)材料的熒光性能、多孔材料的吸附性能測試、染料敏化太陽能電池對電極電催化性能研究、硅片表面氧化物薄膜的減反射性能測試等。材料性能綜合實驗主要涉及到鋰離子電池、超級電容器、太陽能電池以及光催化等新型能源材料的測試方法。材料制備綜合實驗課程理論課安排16學時，實驗課安排32學時，共開設16個制備實驗，主要包括TiO2納米線陣列的水熱法制備、噴霧熱解發(fā)制備薄膜、機械球磨法制備氧化銅、提拉法制備TiO2薄膜、SiO2納米微球的制備、高溫固相法制備LiCoO2、溶膠凝膠法制備透明氧化物薄膜等（具體實驗內(nèi)容設置如圖1所示）。通過材料制備與材料性能綜合實驗的學習，要求學生掌握無機材料、薄膜的基本合成方法以及掌握光伏、氣敏、光催化、超級電容器和鋰電池材料的性能表征方法以及檢測技術(shù)。增進學生觀察記錄、分析歸納、方案設計、撰寫報告等能力的培養(yǎng)，提高學生動手能力和解決問題的能力。

二、新能源材料與器件實驗課程設置對學生能力的培養(yǎng)

（一）培養(yǎng)學生查閱文獻能力、分析問題能力

為了培養(yǎng)學生的自學能力，可將學生分成幾組，提前將每次實驗課的內(nèi)容告知學生，給各小組充足的自學時間，學生可查閱相關(guān)實驗文獻。針對實驗的某一個部分自己制定一個比較安全、合理的實驗方案，在老師的指導和監(jiān)督下利用現(xiàn)有的實驗平臺進行驗證。

其次，在實驗課堂上，老師通過講解實驗方案、實驗步驟和實驗注意事項，使學生更深入地了解實驗過程。在具體的實驗操作過程中，學生可比較自己制定的實驗方案和老師的實驗方案有無差別，并去分析可能產(chǎn)生的結(jié)果。

（二）培養(yǎng)學生的數(shù)據(jù)處理能力

學生在做完實驗之后，要進行相應的數(shù)據(jù)分析與處理，使用較多的軟件有Word、Excel、Origin、Photoshop等，學生在進行數(shù)據(jù)作圖和數(shù)據(jù)分析時，可以加強對相關(guān)軟件的學習。本科生在一般的課堂教學中很少接觸到專業(yè)的數(shù)據(jù)分析軟件，通過這些實驗數(shù)據(jù)的分析與處理，可以使本科生掌握本專業(yè)相關(guān)的軟件，對其以后的畢業(yè)設計打下堅實的基礎(chǔ)。

學生通過獨立地完成實驗，并分析處理實驗數(shù)據(jù)，撰寫實驗報告。這樣的實驗教學方法既鍛煉了學生的動手能力，又提升了學生查找文獻的能力及數(shù)據(jù)處理能力，還鍛煉了學生歸納總結(jié)的能力。

三、實驗教學存在的主要問題和建議

三峽大學新能源材料與器件專業(yè)雖然經(jīng)過多年的積累，建立了相應的實驗平臺，對學生實踐能力的培養(yǎng)起到至關(guān)重要的作用，但仍然存在一些不容忽視的問題。

1.實驗課程設置上過于偏重鋰離子電池、超級電容器、太陽能電池等電化學方向，對其他新型能源材料的制備及性能測試設置較少。這些課程的設置主要與本學院相關(guān)老師的研究方向有關(guān)，后期希望開設諸如燃料電池、儲氫材料、光催化等方面的實驗課程。

2.實驗設備儀器有限，一些性能測試實驗分組進行時學生較多，部分學生只能進行部分實驗，通常情況下，一個實驗需要幾個學生共同完成，這雖然鍛煉了學生的團隊協(xié)作能力，但是對學生的動手能力以及掌握相關(guān)實驗技能的能力沒有得到堅實充分的鍛煉。

3.由于同一個實驗的理論課在課堂上講解，而實驗課需要在實驗室進行實驗操作，部分學生不能較好地將實驗背景、實驗原理與具體的實驗步驟以及實驗結(jié)果分析有機結(jié)合在一起。從相關(guān)的實驗報告中發(fā)現(xiàn)，部分學生在撰寫實驗報告時，雖然數(shù)據(jù)的整理以及分析結(jié)果較好，但其實驗的原理和實驗目的不是特別明確。后續(xù)實驗課程的設置上，建議理論課與實驗室都在實驗室進行，實驗教學老師在實驗室講解完實驗原理、實驗方案、實驗步驟后，學生在實驗室直接動手做實驗，可以較好地將理論與具體的實驗過程相結(jié)合，加深學生對該實驗的理解。

四、結(jié)束語

三峽大學新能源材料與器件專業(yè)根據(jù)學院教學老師的研究方向和實驗平臺，建立了以材料制備綜合實驗和材料性能綜合實驗為主的實踐教學課程，該實驗課程的設置對同類高校新能源材料與器件專業(yè)實踐課程的設置具有重要的借鑒意義。根據(jù)科研發(fā)展的方向與進展，實驗課程的內(nèi)容需要不斷更新，與時俱進。實踐課程的教學方式也需要在不斷發(fā)展，能夠激發(fā)學生的學習興趣，培養(yǎng)學生查閱文獻、思考問題、解決問題的能力。

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