以《光伏技術與應用》為例的“金課”課堂教學模式研究

王娜，楊秋云，樊曉宇，左緒忠，章毛連

（安徽科技學院電氣與電子工程學院，蚌埠233000）

0 引言

上個世紀90 年代以后，教學研究從課堂教學的規(guī)范性轉向課堂教學的實踐性；研究主題則從關注課堂教學過程的實效性轉向關注課堂教學過程的合理性[1-2]。進入本世紀以后，發(fā)達國家和新興國家不斷加強對教育體系的反思和關注，其研究內(nèi)容轉向關注學習和學習者。

2018 年8 月份，教育部專門印發(fā)了《關于狠抓新時代全國高等學校本科教育工作會議精神落實的通知》，教育部部長陳寶生提出“各高校要全面梳理各門課程的教學內(nèi)容，淘汰‘水課’、打造‘金課’，合理提升學業(yè)挑戰(zhàn)度、增加課程難度、拓展課程深度，切實提高課程教學質(zhì)量”[3-5]。課程作為教育最微觀部分，其改革卻是一項復雜而細致的系統(tǒng)工程。課程實施的基本途徑是課堂教學，所以，課堂教學改革是課程改革的重要環(huán)節(jié)。但是，對于課堂教學改革應該改什么、怎么改、以及誰來改等問題還需要進行深入思考，才能使課堂教學改革的思路更加清晰。

太陽能資源分布廣泛而且取之不盡、用之不竭。光伏發(fā)電是目前最具可持續(xù)發(fā)展的能源，目前我國的光伏產(chǎn)業(yè)位居世界第一。《光伏技術及應用》是介紹光伏技術基礎知識及其應用的重要課程，是光電專業(yè)的專業(yè)拓展課程，但是關于其“金課”課堂教學模式改革未見報道。

1 “金課”課堂教學模式轉型研究思路

目前，我校光電專業(yè)開設的專業(yè)基礎課有8 門，其中《通信原理》為省級智慧課堂試點項目；專業(yè)核心課程有6 門，其中《工程光學》為省級精品開放課程，《光電探測與信號處理》為省級精品資源共享課程。這為我們開展《光伏技術及應用》課程課堂教學改革打下了堅實的基礎，為此開展以下研究內(nèi)容：推進教師的“金課”課程意識的培養(yǎng)。因為不同教師不同的教育認知對應不同的教育實踐，所以在推動“金課”課堂教學改革時，必須培養(yǎng)教師在課堂中的“金課”教學思維。如何追求生命課堂、課堂教學如何有靈魂和如何讓學生身心在課堂改革中成長都是教師要考慮的問題。推進有關課程的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革實踐活動。革新教育教學理念，將創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育的基本要素深度融入專業(yè)課程教學全過程，加強產(chǎn)學研合作，并將產(chǎn)學研合作成果作用于專業(yè)課程的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)改革。推進智慧學習空間建設。基于長江雨課堂、超星泛雅和QQ 屏幕分享大平臺建構開放服務模式；利用學習工具、協(xié)作交流工具等教育軟件，構建本專業(yè)課程資源；基于大數(shù)據(jù)進行學習分析與評估；基于大數(shù)據(jù)進行學習分析，可以描述和解釋過去的現(xiàn)象、預警和干預正在發(fā)生的學習、推斷發(fā)展趨勢和預測將來；精準地向學習者推送符合其特征的學習資源，激發(fā)學習者的學習熱情、提高學習效率。

2 《光伏技術與應用》“金課”課堂教學模式轉型研究內(nèi)容

2.1 “金課”課堂教學模式轉型研究基礎

在首屆（2019 屆）安徽省電子類專業(yè)水平測試賽，我專業(yè)學生表現(xiàn)突出，5 名同學全部獲獎，其中二等獎1 名，三等獎4 名。我校獲獎率遠遠高于省平均水平。我院一直重視學生的創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，目前校內(nèi)外創(chuàng)新基地有8 個，以我院精英大舞臺為載體，指導學生積極開展創(chuàng)新實踐活動。光電信息科學與工程專業(yè)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育成效顯著，學生參加創(chuàng)新活動積極性高，近三年來，報名參加互聯(lián)網(wǎng)+活動和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)活動的同學的年均比例分別為60%和63%。目前，光電信息科學與工程專業(yè)學大生共主持省級及以上大學生創(chuàng)新基金項目18 項（其中國家級4 項、省級14 項）；各級各類大學生競賽是提升學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力、培育學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)精神的優(yōu)質(zhì)載體。學校、學院和光電工程系以學科競賽為持續(xù)抓手，積極穩(wěn)步推進大學生電子設計競賽、安徽省機器人大賽、單片機與嵌入式系統(tǒng)應用技能競賽、飛思卡爾智能車競賽、“互聯(lián)網(wǎng)+”等各級各類競賽，同事注重競賽對學生創(chuàng)新能力和創(chuàng)業(yè)精神的過程性影響。近三年來，在各種技能及科技競賽活動中獲省部級以上獎勵22 項（其中國家級英語競賽獎2 項，全國管理模擬大賽2 項，全國大學生電子設計競賽3 項，大學生環(huán)保知識競賽1 項，全國大學生智能汽車競賽1 項）；包含安徽省單片機與嵌入式應用競賽一等獎在內(nèi)的各類省級獎項13 項。因此，以培養(yǎng)高層次應用型人才教育為目標，結合本校光電信息科學與工程專業(yè)實際情況，探究《光伏技術及應用》課程課堂教學如何優(yōu)化，以實現(xiàn)打造具有示范作用的“互聯(lián)網(wǎng)+光電”的“金課”是切實可行的。

2.2 “金課”課堂教學模式轉型研究內(nèi)容

最新科研前沿的介紹。我系目前博士教師9 名，比如我系教師楊秋云博士2018 年畢業(yè)于中國科學技術大學凝聚態(tài)物理專業(yè)。楊秋云博士以國產(chǎn)銅箔為襯底，通過化學氣相沉積(CVD)法成功制備大面積單層石墨烯。實驗發(fā)現(xiàn)在進行石墨烯生長之前，對銅箔進行正壓退火可以顯著拓寬大面積單層石墨烯的生長窗口，進而提高國產(chǎn)商業(yè)銅箔上生長的大面積單層石墨烯的質(zhì)量，并通過制備石墨烯-硅太陽能電池對石墨烯的品質(zhì)進行了驗證。實驗制備的大面積石墨烯單層率達到95%以上，面電阻約500Ω/sq，載流子遷移率為2000-3000cm2/V·s，光透過率達到97.24%。以此制作的石墨烯-硅(Gr/Si)太陽能電池的光電轉換效率為4.99%-5.62%。如圖1 所示，國產(chǎn)銅箔上生長石墨烯的光學圖片，在上面隨機選取一些地方剪裁出一定面積的小塊，然后將銅箔刻蝕掉，把石墨烯薄膜轉移到目標Si 襯底上，制造了六個Gr/Si 太陽能電池。圖2 顯示了制備的Gr/Si 太陽能電池的電流密度J-電壓V 特性曲線。從圖中可以看出，六個Gr/Si 太陽能電池的曲線彼此相似。曲線與水平/垂直坐標的交點數(shù)據(jù)浮動在一個很小的范圍內(nèi)，封閉區(qū)域幾乎相同。說明制備的石墨烯薄膜的性質(zhì)相對均勻，且層數(shù)相對均一。楊秋云博士的工作一方面與本課程教學內(nèi)容密切相關，另一方面也可以讓學生了解課程相關的科研熱點。太陽能光伏發(fā)電是利用半導體材料的光生伏特效應將光能直接轉變?yōu)殡娔艿囊环N發(fā)電技術。核心器件是太陽能光伏電池，即將光能轉化為電能的器件，其效率決定了整個系統(tǒng)的性能。有關光伏發(fā)電的薄膜材料的制備和表征是現(xiàn)在研究的熱點，也是廣大研究生研究的熱門課題。如果將薄膜技術、發(fā)光技術和異質(zhì)結等技術介紹給同學，一方面擴展了課程內(nèi)容緊密聯(lián)系實際，另一方面為學生將來的就業(yè)指明方向。科研工具的運用插入實際教學過程。光伏電池的伏安特性曲線類似二極管，即指數(shù)關系。普通實驗要求同學們測量伏安數(shù)據(jù)，但是缺乏直觀的曲線圖像表征。科學工具的運用，在實驗數(shù)據(jù)的基礎上擬合出指數(shù)曲線，科學直觀地表征光伏電池的伏安特性，學生印象深刻，能學以致用。有關課程創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目的申請。《光伏技術及應用》課程的內(nèi)容涉及電路、數(shù)電、模電和單片機技術等，是一門綜合性課程。結合課程特點，指導學生申報有關的大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目，例如光伏路燈、光伏玩具小車、光伏電動車等。在創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目的實踐過程中學以致用。

2.3 “金課”課堂教學模式轉型研究的預期效果

在“金課”和“智慧教學”建設背景下，認真分析光電專業(yè)課程教學現(xiàn)狀及問題，給出專業(yè)課程定位和改革思路，從教學理念、教學內(nèi)容、教學方法/手段、考核方式、教學資源、師資隊伍、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實踐等7 個方面設計課程改革方案并在安徽科技學院電氣學院進行教育改革實踐。以安徽科技學院為例，給出“以學為中心”背景下光電專業(yè)課堂教學模式轉型實踐并申報校級以上大規(guī)模在線開放課程（MOOC）示范項目1-2 項；申報校級以上高水平教學團隊1 項；申報校級以上校企合作實踐教育基地項目1 項；申報校級以上智慧課堂1-2項；組建1-2 個教師團隊參加2020 年的聯(lián)盟高校第四屆移動教學大賽；積極參報校級以上教師水平教學競賽。指導學生參加安徽省大學生物理實驗設計與創(chuàng)新競賽2-6 人次；指導學生申請省級以上創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目3-7 項；指導學生參加校級以上“互聯(lián)網(wǎng)+”大賽2-5項；積極組織學生參加全國大學生智能汽車競賽、安徽省大學生電子設計大賽和安徽省單片機與嵌入式應用競賽。

圖1 生長有石墨烯薄膜的無氧銅箔

圖2 六個太陽能電池的J-V 特性曲線圖

3 結語

根據(jù)當前“金課”和“以學為中心”建設要求，進行《光伏技術及應用》課堂教學改革，通過科研熱點介紹、教師科研工作內(nèi)容介紹、科研工具運用和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目申報等提升課堂教學質(zhì)量，借助大數(shù)據(jù)平臺分析學生的學習特點，最終創(chuàng)造適合學生學習程度《光伏技術及應用》“金課”場域。