雙碳理念下新能源材料與器件專業實驗教學實踐

張學亮，羅大軍，劉儀柯

（貴州理工學院 材料與能源工程學院，貴州 貴陽 550003）

隨著我國“碳達峰、碳中和”目標的提出和實施，一場廣泛而深刻的經濟社會系統性變革勢在必行。作為高等教育和科學研究的前沿陣地，高校應該在這場變革中起到帶頭示范作用，為培養新一代具有低碳思維的主力軍出謀出力[1]。同時，高校應以此為契機，立足新發展階段，貫徹新發展理念，主動服務和融入新發展格局，并在各個社會領域強化節能減排意識[2]；在相關課程的教學中，主動將課程內涵與低碳理念相融合，為實現“碳達峰和碳中和”的宏偉目標主動擔當作為[3]。

高校要想培養具有碳中和意識的新時代創新型人才，必須有意識地增加碳中和理念的相關教學模塊，使學生潛移默化地受到熏陶。新能源材料與器件專業的人才培養目標同“碳達峰、碳中和”目標高度契合，旨在為國家培養適應國家新能源戰略需求，熟練掌握新能源材料與工程領域的基本理論和知識，具備新能源材料與器件設計、制造與應用能力的復合型人才。

1 新能源材料與器件專業實驗教學現存的問題

隨著國家以及教育部對碳中和理論進校園的引導，雙碳知識已經逐步走進理工科類教科書，進入理論課程體系。然而，新能源材料與器件專業實驗教學仍存在一些問題，具體體現為以下兩個方面。

1.1 教學經驗不足

作為2010年全國各高校新設立的新能源材料與器件專業，大多數高校設置該專業的時間不長，無論是專業課程體系的設置還是教師的教授方式，都缺乏專業經驗，無法在教學內容中有機引入雙碳理念。對用人單位的調查顯示，新能源材料與器件專業的學生在基礎知識的掌握程度與實際應用能力方面無法達到用人單位的要求，尤其是學生對新能源材料與器件專業常用設備的操作極為生疏。

造成這種現象的主要原因有兩個：一是在制定培養方案時缺乏對創新型實驗模塊的設置；二是學生沒有深刻認識到參與實驗教學的重要性。大多數學生認為實驗課內容過于單調，缺乏創新性和綜合性，無法調動學習興趣，最終導致實驗教學課程無法達到預期效果。

1.2 實驗經費緊張

受限于人均經費緊張，大多數高校的實驗設備臺套數不足，無法滿足每個學生都能實際操作的需求。隨著鋰電池行業的蓬勃發展以及需求量的大幅增長，鋰電耗材的采購成本激增，導致“鋰電池制備與測試”等實驗課程開設的成本超過計劃安排。大多數高校的新能源材料與器件專業的演示性和驗證性實驗偏多，學生實際動手操作的機會較少。此外，專業實驗教材欠缺也是專業實驗教學的短板，現有的教材缺乏對新材料的合成、表征和性能檢測的及時更新，在日新月異的新能源材料與器件行業發展背景下，畢業生所學知識體系落伍，無法深入理解雙碳理念。

創新能力的培養是應用型本科教學的一個重點，而實驗是培養學生動手能力、創新能力、分析問題和解決問題能力的重要環節，有助于學生將所學理論知識和實際相結合，在實驗中有所發現和創造[4-5]。為了培養具有創新型思維和碳中和思維的畢業生，必須對現有的實驗教學內容進行改革。

2 雙碳理念融入實驗教學可采取的措施

2.1 加強學校層面的引導

雙碳理念在學校的貫徹離不開資金、師資、實驗設備等諸多方面的支持。以筆者所在的貴州理工學院為例，學院從2016年開始招收本專業本科生，通過近幾年的教學實踐，并結合自己的特色和優勢，提出以應用型人才培養為基礎，將創新能力培養作為學生專業學習的目標，逐步完善并制定了適合本專業學生發展的實驗課程，涵蓋實踐能力、適應能力、人際交往能力、表達能力和自我約束能力的培養，以強責任、精技術、善管理、重實踐、求創新為原則，著力培養和鍛煉學生理論聯系實際的能力，增強學生的獨立思考能力，最終培養學生創造性解決復雜工程問題的能力。為了推動“碳達峰、碳中和”目標的實現，作為貴州唯一的理工科大學，貴州理工學院主動承擔使命任務。2021年9月27日，貴州理工學院舉辦“新型工業化進程中的碳中和技術論壇”，并成立了“貴州理工學院碳中和研究院”，來自全國各地的權威專家和行業企業齊聚貴州理工學院，共同探討如何在國家及貴州省“雙碳”政策背景下助推新型工業化，構建高質量發展工業產業體系。學校和學院在物力和人力方面都加大了對雙碳方向教科研的投入，也引起了學校教師教研對該方向的側重。

2.2 培養方案要有所體現

貴州理工學院新能源材料與器件專業旨在培養德、智、體、美、勞全面發展，掌握能源、材料、機械、冶金、化工等行業需要的自然科學基礎、新能源材料與器件專業基礎和人文社會科學基礎等基本理論知識的高素質應用型人才。畢業生應該具有愛國情懷、良好的職業道德和職業素養、強烈的社會責任感，堅持正確的政治方向，踐行社會主義核心價值觀；具有創新意識，掌握創新方法；具備較強的實踐能力和動手操作能力，并能對出現的問題進行分析和總結；具備扎實的“碳中和”及能源相關學科知識背景，掌握新能源材料與器件相關的理論知識、基本技能和實踐經驗；熟悉鋰離子電池、太陽能電池、化學儲能、氫能等新能源材料與器件產業方向的前沿技術和發展趨勢。本專業的畢業要求如表1所示。

表1 貴州理工學院新能源材料與器件專業畢業要求

2.3 增加教科書內容

目前，國內外尚無針對新能源材料與器件專業實驗的教材，主要采用新編和借鑒的方式，整合化學、材料、能源等專業方向的實驗內容，編寫了新能源材料與器件專業《專業實驗一》，目前設置的教學內容如表2所示，主要目的在于培養學生從事新能源材料與器件相關職業的能力。

表2 新能源材料與器件專業《專業實驗一》實驗內容

在原來《專業實驗》教學內容的基礎上，將碳中和理念全面融入教學文件，在原有的實驗原理、實驗目的、注意事項中貫徹碳中和理念，營造學習“碳達峰、碳中和”相關知識的濃厚氛圍，鼓勵大學生主動為低碳生活代言；引入全新的實驗內容“CO2的光化學轉換”，基于碳中和理念編制實驗指導書，以開放性的實驗設計鍛煉學生的創新思維。

依托新能源材料與器件專業的光電催化分解水裝置，搭建“CO2的光化學轉化”測試平臺，設計光催化氣相反應裝置，將異相催化、CO2的能源化轉化、碳循環等知識點融入此教學章節，使學生對碳中和概念有更深層次的理解，提升其運用所學知識分析問題和解決問題的能力，同時也為學生從事相關科研工作奠定良好的基礎。

2.4 課程負責人的有效引導

新能源材料與器件專業課程內容廣泛，包括鋰離子電池、太陽能電池、儲能材料、生物質材料和光催化材料等相關理論知識。很多課程需要完成材料的制備、化學物的合成和器件的組裝等過程的教學，難免涉及化工原材料的使用、能源的消耗、設備的運行等。如果教師在理論教學或者實驗教學中向學生傳授節能降耗的思想，使學生能在實驗過程中節約化學試劑，減少設備使用中的能源浪費，可以極大地減少這類實驗的碳排放。同時，學生可以養成低碳生活的習慣，將其帶入今后的工作和生活中。對新能源材料與器件行業而言，不管畢業生從事生產還是研究工作，都能對本行業踐行低碳理念產生深遠的影響。

3 結語

2060“碳中和”目標的實現需要一批能站在新能源材料與器件領域尖端的科學與工程技術人才。新能源材料與器件專業的開設正是面向國家重大需求，培養新能源方向戰略性人才，契合雙碳理念。新能源產業的發展日新月異，高校教師要緊跟國家戰略需求，實時更新教材內容和課程設置，及時將前沿科技與研究成果融入本科教學中，通過引入科研實例培養學生的創新思維和雙碳意識，為建設中國特色社會主義培養合格的建設者和可靠的接班人。