新能源材料與器件新工科實踐教學系統探索

宋 健 朱 磊 顧修全 趙宇龍

（中國礦業大學材料與物理學院 江蘇·徐州 221116）

1 新能源材料與器件專業特點及實踐教學重要性

面對當前新的經濟形勢、產業形勢、教育形勢，我國適時開展了新工科建設，這是持續深化我國工程教育改革的重大戰略。[1,2]能源是社會發展的基礎，新能源有別于煤、石油、天然氣等化石能源，主要包括太陽能、風能、生物質能、水能等可再生能源形式。新能源的高效利用離不開材料科學的支持，但是，僅僅依靠材料學科無法支撐新能源材料與器件新工科的建設，需要物理、化學、生物、材料、電子、機械等多學科支撐。因此，新能源材料與器件專業具有交叉性、綜合性與復雜性，在一定的學制下，專業知識體系需要依據專業特點進行重構。新能源材料與器件主要針對新一代高性能能源轉化與存儲技術，面向的是現實的復雜工程問題，所以實踐教學環節至關重要。當前，實踐教學主要包括實驗課程、認識（生產）實習、課程設計、畢業設計等。《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010-2020年）》強調要不斷強化實踐教學環節，支持學生參與科學研究，增強學生解決實際問題的能力。因此，有針對性改革新能源材料與器件專業實踐教學，對于新工科建設有重要意義。

2 新能源材料與器件實踐教學的難點

實踐教學難不僅僅是新能源材料與器件專業的問題，而是普遍存在于實踐性較強的理工科專業。[3-5]同時，實踐教學涉及的也不僅是專業知識的問題，更多的是培養學生動手操作、應對復雜問題、安全意識、團隊協作等需要長時間訓練才能有顯著效果的能力。新能源材料與器件實踐教學有其獨特的專業性質，而傳統的實踐教學無論在教學內容、教學方式，還是教學效果上都存在比較突出的問題，主要表現在以下幾個方面：

（1）在實驗內容上，主要借鑒材料科學、化學等相關學科的基礎制備與表征實驗，且內容較為死板，多為驗證性實驗。[6]學生按照實驗課本開展實驗，雖然可以鍛煉動手能力，但由于實驗參數、實驗配方已固定，因而失去了對實驗過程中復雜因素的獨立判斷和系統總結的機會。當然，這還與實驗課時少有關，指導教師無法在既定時間內完成創新性實踐任務，學生也無法在短時間內鍛煉創新能力和團隊協作精神。另外，對于有危險性的實驗，指導教師從安全的角度出發，往往會選擇避開，這也使得學生缺乏安全意識方面的實踐機會。

（2）在教學方式上，主要傳承基礎學科實驗方式，即任課教師復述或實操一遍實驗，學生照此演練。以傳統形式開展實驗教學，學生失去了試錯的機會，只知道正確的做法而不知其緣由，也不利于調動學生積極性，學生缺乏實驗熱情，只為完成任務或修滿學分。因此，創新實踐教學方式也是改革的重要一環。

（3）在實習方面，無論是認識實習還是生產實習，通常多以參觀為主。從學校角度看，希望學生能夠深入生產一線，深刻理解新能源材料與器件生產過程中涉及的設備、技術與管理。然而，高校實習經費有限，無法與實力雄厚的企業建立穩定的實習關系。從企業角度看，出于安全考慮或技術保密，同時考慮到學生實習周期有限，企業通常不愿意安排學生到具體工作崗位實操。另外，企業接待大學生實習部分原因是吸引優秀學生去工作，因此不會安排學生從事一線體力勞動。學生只能走馬觀花式地完成實習內容，表面上看參觀了很多企業，聽了很多現場講解，但收獲并不多。因此，如何協調學校與企業的關系，使得我們有一致的目標和利益，對于提高實習效果至關重要。

（4）在畢業設計方面，學生選題通常是基于指導教師的科研課題，偏重基礎理論和實驗室研究，無法真正培養出適應新經濟發展要求的科學基礎厚、工程能力強、綜合素質高的人才。

3 新能源材料與器件實踐教學探索

中國礦業大學材料與物理學院材料科學與工程(能源材料方向)被評為第七批國家特色專業建設點，早在制定2012 版培養方案時就提出設立能源材料課組課程，在2016 版培養方案中進一步明確了能源材料方向，并圍繞能量轉化與存儲開設了相關實踐教學課程。經過數年的努力和持續建設，學院于2019年獲批新能源材料與器件新工科專業。長期以來，學院在新能源材料與器件專業發展方面始終貫徹以下策略，即依靠學院在太陽能光伏技術、鋰離子電池、燃料電池技術與材料、超級電容器、光催化等相關領域形成的高效穩定的科研集體，利用已取得的若干新能源材料領域的教學科研成果，開展實踐教學、學生學術科技活動與創新型人才培養模式緊密結合。結合近年來專業發展的經驗，針對上述普遍存在的實踐教學問題，我們的主要改革方法如下：

（1）在實驗課程方面，開設了新能源材料基礎實驗與新能源材料課程設計，厘清了專業基礎與綜合應用的區別。新能源材料基礎實驗主要開設6 個化學、材料相關的基礎制備與表征實驗，側重對學生基本實驗能力培養，同時讓學生加深對課本知識的理解。經過基礎實驗訓練后，開展課程設計，即圍繞太陽能電池技術、鋰離子電池技術、超級電容器技術、燃料電池技術、光催化制氫技術5 個方面，讓學生完成從原料選取、材料制備到器件組裝的過程。課程設計共計10 天，學生有充足的時間查閱文獻，設計實驗方案，并完成器件組裝。在此過程中，學生可以充分運用所學基礎知識和基本實驗技能，可充分發揮創新能力與團隊協作精神，同時學習并通過實驗室安全測試，培養安全意識。

（2）在科研能力訓練方面，將學院本科生導師制、大學生創新項目與畢業設計有機結合，讓學生有充足的時間接受系統科研訓練。同時，鼓勵指導教師根據自身科研成果開設開放實驗課程供學生選擇。將實踐課程與科研訓練結合起來，為學生提升創新能力、展示創新思維提供了廣闊平臺，當然也為學生提供了更多的試錯機會。近年來，學科有多位本科生以第一作者發表了高水平研究論文，取得了不錯的成績。

（3）在實習方面，梳理了認識實習與生產實習的承接關系。選擇行業標桿企業開展認識實習，以參觀交流為主。實習企業涵蓋了光伏、動力電池、鉛酸電池、照明、半導體、傳感等企業，范圍較廣，讓學生對新能源材料與器件行業有初步了解。而對于生產實習，我們堅持頂崗與跟班的實習模式，努力尋找愿意接收學生實習的企業，并與其簽訂實習協議，共建實習基地。將學生分成若干個10 人左右的實習小組，以小組形式進入實習企業，在4 周的實習期內，小組成員在企業內部進行輪崗。另外，除了利用教師個人關系尋找合適實習企業外，我們還借助地方政府聯系實習企業。比如，2019 年，我們聯系了江蘇省高郵市經濟開發區管委會，在對方的幫助下，最終確定了五家與新能源密切相關的實習企業。在實習過程中，所有小組均采用頂崗與跟班實習模式，進入企業生產一線。企業還安排了專題講座，工程師就某一工藝段或設備進行詳細講解。同時，學生在工藝工程師崗位、品質工程師崗位、設備工程師崗位、管理崗位進行輪崗實習，學生收獲頗豐。

（4）在畢業設計方面，擺脫了單一的實驗室基礎研究，主動邀請企業參與本科畢業設計。一方面，每年與合作企業協商，由企業出具若干畢設題目，經學院審核后向學生開放申請通道。這部分學生的畢業設計由校內和校外雙導師負責，校內導師要定期與企業導師及學生溝通進展情況，并指導學生凝練生產實際中的科學問題。比如，我們與時代上汽合作開發動力電池方面的畢設題目，使得學生的畢設選題更貼近生產實際，解決實際問題。另一方面，我們邀請企業專家參加本科畢業答辯，專家從企業生產和工程實踐方面來點評畢設內容，可以再次強化學生工程實踐意識。例如，我們先后邀請了江蘇中宇光伏、江蘇華恒新能源等企業專家參與畢業答辯，取得了很好的效果。

4 總結

新能源材料與器件實踐教學是一個系統工程，包含了眾多實踐項目，而各個環節間又密切聯系。為了實現新工科對人才的培養目標，我們需要構建一個厚基礎、重創新、近工程、有深度的實踐教學體系。即通過基礎實驗課程使學生打牢領域內基本的實驗技能，通過科研訓練培養學生創新能力和創新意識，通過實習過程拉近學生與生產一線的距離，通過校企合作的畢業設計培養學生解決實際工程問題、凝練科學問題的能力。我相信，圍繞這一目標努力建設新能源材料與器件實踐教學體系，必然能夠培養出適應我國工程技術發展的新工科人才。