新能源背景下《太陽(yáng)能電池》課程理論和實(shí)踐教學(xué)改革研究

羅 文，錢艷楠，王文廣*

（廣東工業(yè)大學(xué)材料與能源學(xué)院，廣東 廣州 510006）

能源是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和社會(huì)發(fā)展的主要?jiǎng)恿?lái)源和基礎(chǔ)。隨著傳統(tǒng)化石能源的逐漸枯竭及導(dǎo)致的環(huán)境污染，人們的環(huán)保呼聲日益高漲，大力開發(fā)新能源和節(jié)能減排已成為世界各國(guó)重點(diǎn)關(guān)注的戰(zhàn)略問題[1]。新能源作為新興產(chǎn)業(yè)，能夠影響一個(gè)國(guó)家高新技術(shù)發(fā)展的水平，也是未來(lái)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)的戰(zhàn)略制高點(diǎn)[2]。作為新能源中的重要組成部分，太陽(yáng)能是一種清潔、可再生的能源。人們?cè)陂_發(fā)和利用太陽(yáng)能時(shí)，不會(huì)污染環(huán)境和影響生態(tài)平衡。因此，研究和開發(fā)太陽(yáng)能的高效應(yīng)用，對(duì)于人類社會(huì)的生產(chǎn)、生活乃至生存，都具有十分重要的意義[3]。

目前，太陽(yáng)能的利用主要有太陽(yáng)能集熱、太陽(yáng)能光伏發(fā)電和太陽(yáng)能電池。其中，太陽(yáng)能電池由于其優(yōu)異的性能受到了廣泛關(guān)注和應(yīng)用。太陽(yáng)能電池是一種利用光電效應(yīng)或光化學(xué)效應(yīng)把光能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。基于太陽(yáng)能電池集成的太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)具有顯著的優(yōu)勢(shì)，如易增容、維護(hù)成本低、使用壽命長(zhǎng)、性能穩(wěn)定可靠、節(jié)省土地資源等[4]。

《太陽(yáng)能電池》是廣東工業(yè)大學(xué)新能源材料與器件專業(yè)的一門專業(yè)必修課，其目的是使該專業(yè)的學(xué)生掌握太陽(yáng)能光電轉(zhuǎn)換的基本原理、太陽(yáng)能電池材料的制備工藝以及太陽(yáng)能電池器件的組裝與性能測(cè)試方法，為學(xué)生以后從事太陽(yáng)能電池研究和光伏技術(shù)應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)的理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。以高素質(zhì)創(chuàng)新型人才為目標(biāo)，以提高學(xué)生全面素質(zhì)為宗旨，這是我們針對(duì)《太陽(yáng)能電池》的課程性質(zhì)以及新能源背景下提出的教學(xué)定位。因此，構(gòu)建《太陽(yáng)能電池》課程理論和實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)平臺(tái)，以培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)素質(zhì)，提高學(xué)生的思維能力，增加學(xué)生的就業(yè)機(jī)會(huì)，提高學(xué)生服務(wù)社會(huì)的能力為核心，進(jìn)行相關(guān)的教學(xué)改革具有十分重要的意義。

1 目前存在的問題

在新能源發(fā)展的大背景下，廣東工業(yè)大學(xué)材料與能源學(xué)院在2016年開設(shè)了新能源材料與器件專業(yè)。本專業(yè)主要系統(tǒng)地學(xué)習(xí)新能源技術(shù)和材料科學(xué)的相關(guān)知識(shí)。以新能源技術(shù)和材料科學(xué)為主，面向能源行業(yè)特別是太陽(yáng)能、光電、新能源電池等領(lǐng)域，培養(yǎng)從事新能源材料和器件設(shè)計(jì)、制備、表征、分析和管理等相關(guān)工作的高素質(zhì)創(chuàng)新型專業(yè)人才。《太陽(yáng)能電池》這門專業(yè)基礎(chǔ)課就是在這種情況下開設(shè)的，但我們?cè)谑谡n中也發(fā)現(xiàn)了傳統(tǒng)的教學(xué)過(guò)程中存在諸多問題。

1.1 教學(xué)理論性強(qiáng)，前期學(xué)科基礎(chǔ)要求高

《太陽(yáng)能電池》是一門相對(duì)理論性強(qiáng)的專業(yè)課程，一般包涵太陽(yáng)能領(lǐng)域的概況、太陽(yáng)能電池原理、太陽(yáng)電池組件、以及太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的種類、設(shè)計(jì)、應(yīng)用、安裝、檢查與測(cè)試等[5]。該課程的內(nèi)容涉及材料、物理、電化學(xué)、數(shù)學(xué)等多學(xué)科的知識(shí)。盡管學(xué)生在前期對(duì)電池內(nèi)容有所學(xué)習(xí)，但與太陽(yáng)能電池相關(guān)的知識(shí)了解不深，一些重要知識(shí)點(diǎn)與化學(xué)電池相差甚遠(yuǎn)，學(xué)生難以理解。例如，“光電轉(zhuǎn)化效率”是太陽(yáng)能電池中的重要概念，但很多學(xué)生在平時(shí)的學(xué)習(xí)中，只是記住了簡(jiǎn)單的計(jì)算公式，對(duì)里面的參數(shù)理解不深，還無(wú)法與太陽(yáng)能電池器件融會(huì)貫通。此外，太陽(yáng)能電池中涉及到許多復(fù)雜的概念和繁瑣的公式，都需要學(xué)生有一定知識(shí)儲(chǔ)備才能更好的消化和掌握。

1.2 教學(xué)過(guò)程缺乏實(shí)踐

前面提到本課程理論性強(qiáng)，一般的“講授式”教學(xué)以課堂講授為主，學(xué)生幾乎是被動(dòng)接受知識(shí)。教學(xué)過(guò)程不夠生動(dòng)，學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中感到無(wú)趣，導(dǎo)致學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性不高，教學(xué)效果不佳，不能很好地完成教學(xué)目標(biāo)。而且，現(xiàn)有的教學(xué)模式缺乏實(shí)踐教學(xué)，學(xué)生一方面難以理解和消化所學(xué)知識(shí)，另一方面學(xué)生也缺乏實(shí)踐動(dòng)手能力，無(wú)法理論聯(lián)系實(shí)踐。

1.3 教學(xué)內(nèi)容不能與時(shí)俱進(jìn)

太陽(yáng)能電池研究的發(fā)展日新月異，有些研究?jī)?nèi)容的發(fā)展甚至突破了現(xiàn)有理論的極限。但是，目前的教材和教學(xué)內(nèi)容相對(duì)陳舊，無(wú)法跟上太陽(yáng)能電池領(lǐng)域前沿的高速發(fā)展。如果花費(fèi)大量學(xué)時(shí)進(jìn)行陳舊內(nèi)容的講解，是不利于培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新型人才的，急需調(diào)整和優(yōu)化授課內(nèi)容和方式。

1.4 考核方式單一

目前的教學(xué)只要以課堂授課為主，最后的考核方式就是考試（閉卷或開卷）。考慮到現(xiàn)有的授課學(xué)時(shí)和教學(xué)內(nèi)容，學(xué)生很難在有限的時(shí)間內(nèi)學(xué)習(xí)到最重要和前沿的知識(shí)，同時(shí)在實(shí)踐和創(chuàng)新能力上得到鍛煉和考核。所以，現(xiàn)有的考核方式過(guò)于單一，需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整或優(yōu)化。

2 教學(xué)改革探索

針對(duì)《太陽(yáng)能電池》教學(xué)中存在的問題，結(jié)合本專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)，采用核心講授與拓展探討、線上學(xué)習(xí)與線下討論、理論學(xué)習(xí)與科研實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)方式，實(shí)現(xiàn)互動(dòng)型教學(xué)。經(jīng)過(guò)近幾年的教學(xué)改革和課程實(shí)踐，取得了良好的教學(xué)效果。

2.1 核心講授與拓展探討

《太陽(yáng)能電池》的核心是太陽(yáng)能電池的原理、組成、設(shè)計(jì)和應(yīng)用。根據(jù)教學(xué)目標(biāo)和授課學(xué)時(shí)，以尹建華、李志偉主編等的《半導(dǎo)體硅材料基礎(chǔ)》和楊德仁的《太陽(yáng)能電池材料》為基礎(chǔ)教材，適當(dāng)?shù)卣{(diào)整和優(yōu)化了教學(xué)內(nèi)容，突出了太陽(yáng)能電池領(lǐng)域的核心基礎(chǔ)知識(shí)，并結(jié)合最新的研究進(jìn)展[6]進(jìn)行拓展探討，鼓勵(lì)學(xué)生了解最新的前沿知識(shí)并進(jìn)行小組討論，同時(shí)增加拓展討論在考核中所占的比例。一方面可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，另一方面也能提高學(xué)生的理解能力，從而更好地培養(yǎng)學(xué)生的思維和創(chuàng)新能力。比如，在講到染料敏化太陽(yáng)能電池部分，首先講解染料敏化太陽(yáng)能電池的典型結(jié)構(gòu)、基本原理，以及最新的一些研究進(jìn)展，然后會(huì)將學(xué)生分組，鼓勵(lì)他們從光陽(yáng)極、敏化劑、電解質(zhì)、對(duì)電極這四部分查閱最新的研究論文，進(jìn)行分組討論。這樣不僅可以進(jìn)一步加深他們對(duì)染料敏化太陽(yáng)能電池的基本概念和結(jié)構(gòu)的理解，也能增加學(xué)生們的學(xué)習(xí)興趣，從而提高他們的思維能力。再比如，光陽(yáng)極是染料敏化太陽(yáng)能電池的重要組成部分，而目前光陽(yáng)極材料主要是二氧化鈦。材料的基本結(jié)構(gòu)決定了它的性能。因此，我們可以讓學(xué)生去思考怎樣的二氧化鈦結(jié)構(gòu)可以制備出具有高光電轉(zhuǎn)換效率的太陽(yáng)能電池，包括二氧化鈦的形貌、微結(jié)構(gòu)、晶粒尺寸等，而其微觀形貌又可以分為零維、一維、二維和三維的不同結(jié)構(gòu)。通過(guò)這樣的方式，讓學(xué)生的思維得到最大的拓展，不僅豐富了知識(shí)面，而且對(duì)太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)和性能有了更深入的理解。

2.2 線上學(xué)習(xí)與線下討論

傳統(tǒng)的“講授式”教學(xué)限制了學(xué)生們的學(xué)習(xí)積極性，不利于培養(yǎng)高素質(zhì)的創(chuàng)新型人才。因此，進(jìn)行了一定的教學(xué)方法的改革，以線上學(xué)習(xí)與線下討論為主體，增加與學(xué)生的互動(dòng)與交流，提高了學(xué)生們的學(xué)習(xí)興趣，變被動(dòng)為主動(dòng)，有效地提高了教學(xué)質(zhì)量。一方面構(gòu)建線上的教學(xué)庫(kù)，包括一些視頻、動(dòng)畫、文字說(shuō)明和核心練習(xí)題，以供學(xué)生提前預(yù)習(xí)或課后復(fù)習(xí)；另一方面，也會(huì)在一定時(shí)間內(nèi)安排線下討論，針對(duì)已學(xué)內(nèi)容提出問題或創(chuàng)新想法，進(jìn)一步鍛煉學(xué)生們的學(xué)習(xí)能力。比如，在講到染料敏化太陽(yáng)能電池的實(shí)際應(yīng)用時(shí)，除了通過(guò)動(dòng)畫或圖片舉例它們?cè)陔姵仡I(lǐng)域的應(yīng)用，也舉例它們?cè)谘b飾品、人工太陽(yáng)葉、在野外帳篷和幕墻等領(lǐng)域的應(yīng)用，然后鼓勵(lì)學(xué)生們課后搜索，發(fā)現(xiàn)更多的應(yīng)用領(lǐng)域，并在線下進(jìn)行討論，從而提高學(xué)生們的理解和認(rèn)知能力。再比如，敏化劑是染料敏化太陽(yáng)能電池的重要部分，現(xiàn)階段除了一些工業(yè)化的染料之外，自然界中也有很多染料，廣泛存在于各種植物的根、莖、葉中。可以讓學(xué)生去討論哪些天然染料可以用來(lái)敏化太陽(yáng)能電池，它們又要滿足什么樣的條件，從而把大自然跟課程知識(shí)聯(lián)系起來(lái)。

2.3 理論學(xué)習(xí)與科研實(shí)踐相結(jié)合

《太陽(yáng)能電池》這門課理論知識(shí)豐富，學(xué)科范圍廣泛，單純的理論學(xué)習(xí)不僅降低了學(xué)生們的學(xué)習(xí)興趣，也會(huì)限制他們對(duì)所學(xué)內(nèi)容的理解和運(yùn)用。結(jié)合本專業(yè)的優(yōu)勢(shì)，提出理論學(xué)習(xí)與科研實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)方式。針對(duì)不同的太陽(yáng)能電池，結(jié)合不同的科研團(tuán)隊(duì)，給學(xué)生們實(shí)際學(xué)習(xí)和動(dòng)手操作的機(jī)會(huì)，鍛煉他們的動(dòng)力能力，進(jìn)一步加強(qiáng)他們的理解和創(chuàng)新能力。比如，在講解染料敏化太陽(yáng)能電池部分，會(huì)讓學(xué)生們分組進(jìn)入相關(guān)科研課題組，實(shí)際演示和講解經(jīng)典染料敏化太陽(yáng)能電池的制備過(guò)程，然后讓他們自己動(dòng)手完成簡(jiǎn)單的電池制備，增強(qiáng)他們的感性認(rèn)識(shí)，提高實(shí)踐動(dòng)手能力。再比如，教會(huì)他們使用電化學(xué)工作站測(cè)試太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率，而電化學(xué)工作站又是其他電池如鋰離子電池、超級(jí)電容器的常用測(cè)試儀器，由此也促進(jìn)了他們對(duì)其他專業(yè)課程知識(shí)的掌握。

3 結(jié)論

《太陽(yáng)能電池材料》作為新能源材料與器件專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課，在前期課程和后續(xù)課程之間起到一個(gè)重要的橋梁作用。學(xué)生學(xué)習(xí)質(zhì)量的高低，直接影響他們對(duì)太陽(yáng)能電池和其他相關(guān)材料科學(xué)領(lǐng)域知識(shí)的掌握。本文在新能源背景下，研究《太陽(yáng)能電池》課程的理論和實(shí)踐教學(xué)改革，輔助以教學(xué)方法的改進(jìn)。經(jīng)過(guò)我們的教學(xué)改革，極大地提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，課堂教學(xué)質(zhì)量有了顯著提高，近幾年的教學(xué)評(píng)價(jià)都處于學(xué)院前列。此外，學(xué)生們的思維和動(dòng)手能力也得到了鍛煉，有助于培養(yǎng)高素質(zhì)的創(chuàng)新型人才。