專業學位研究生“材料物理”課程案例教學實踐
——以“高效低成本硅基太陽能電池的開發應用”為例

蘇進步，伍媛婷，朱建鋒

（陜西科技大學 材料科學與工程學院，陜西 西安 710021）

一、材料類專業學位研究生案例教學的背景

隨著新一輪科技革命和產業變革蓬勃興起，全球科技創新進入密集活躍期。目前，我國在很多領域都有尚待突破的關鍵技術，成為制約我國創新發展的瓶頸，因此，培養大量創新型、復合型、應用型人才至關重要。2020年，教育部出臺《專業學位研究生教育發展方案（2020—2025）》，對推進新時代專業學位研究生教育改革與發展提出了深化產教融合、完善評價機制等要求，但是目前研究生教育還存在重學術學位、輕專業學位，重理論、輕實踐等問題［1-3］。

大部分院校在專業型碩士研究生培養過程中沿用學術研究生培養方案，在教學過程中忽視行業企業對人才的實際需求，沒有貫徹落實以產出為導向的教育理念，不能真正地把握在產業發展的實際應用過程中所出現的問題，導致理論和實踐脫節。

材料產業是國民經濟發展的重要支柱產業之一，與人民生活息息相關。從材料學科應用型人才培養的角度來看，本學科專業學位研究生最突出的特點是強調實踐出真知，注重理論聯系實際，傾向于在實踐中進行應用研究和開發創新，致力于解決行業間的實際問題。

為了產業需求，要求材料類專業學位研究生具有堅實的材料工程理論基礎和專業知識，了解材料工程行業發展動向，掌握材料化學成分和組織結構的分析方法、材料制造過程的質量監控、材料的改進技術等，熟悉材料獲得、材料質量改進、材料制造技術、工程規劃、質量監督等整個過程。

傳統工科專業課程的講授以教師為主體，學生處于被動聽課狀態，案例教學過程仍偏重口頭講解，注入式多，啟發式、討論式少，材料學科教學案例庫仍不完善。因此，建立和完善案例庫教學在材料類專業學位研究生培養過程中顯得尤為重要［4-10］。

二、“高效低成本硅基太陽能電池的開發應用”案例介紹

本教學案例依托“材料物理”課程，主要利用物理學理論知識闡明材料中的變化過程和規律，培養學生利用理論指導材料性能設計、產品開發等實踐過程的能力。學生在以往的課堂中，僅了解了能帶理論、PN結等基礎理論知識，難以將其與實際工程實踐問題結合，更不能將該理論知識用于解決工程實踐中遇到的問題。

為解決上述問題，我們引入了“高效低成本硅基太陽能電池的開發應用”教學案例。該教學案例主要以某光伏企業為例，展示了其從太陽能硅片、電池、組件及電池封裝測試等關鍵環節出發，突破性地提升了單晶技術路線，優化了半片組件、雙面組件等關鍵技術，顯著降低了企業生產成本并提高了光伏發電效率，探索出一條從產品創新改變行業到技術創新改變世界能源格局的創變之路，引領了光伏行業的快速發展。該案例包括講義、課件、教案、調查問卷、相關視頻等，具體內容介紹見表1，極大地豐富了教學內容。

表1 高效低成本硅基太陽能電池的開發應用案例組成

本教學案例創新性地提出了課內外雙循環教學模式和多層次評價反饋和持續改進體系教學方式，通過介紹坎坷發展的中國光伏產業——從零到世界第一，引導學生發現光伏效率低、成本高是阻礙光伏產業發展的主要原因，通過教師引導、分組討論等課內循環和企業實踐、專家講堂等課外循環等形式，使學生更深入理解所學理論知識，并能運用于實踐中解決遇到的工程問題。該案例教學對專業碩士研究生培養起到很好的示范效應，也對教學案例庫的豐富具有重要的推動作用。

三、“高效低成本硅基太陽能電池的開發應用”案例教學實踐過程

教案是本案例實施教學過程的重要依據，一般包括章節信息、教學目標、教學內容、教學重難點及處理措施、教學過程設計、思考題等，相關示例見圖1。本小節以案例第一部分“1.2光伏產業龍頭企業——××股份的發展之路”為例，說明該案例教學的具體實施過程。

1.課前。任課教師根據情況將學生分成5～8組，根據××股份的業務范圍發布每個小組學習和討論主題，要求各個小組重點討論××股份在各個業務板塊的科技創新能力，發掘與本課程相關的知識點。此過程能夠培養學生的自主學習、團隊協助能力及積極的科學探索精神。

2.課中。首先，任課教師總結我國光伏產業的主要公司，從而引出目前光伏產業的龍頭企業——××股份，講解××股份的發展歷程。在此過程中，可聯系××股份相關企業導師，以現場連線或錄制視頻的形式，講解××股份發展過程中的故事。然后，組織學生以小組的形式討論課前任務，小組代表圍繞討論內容和要點進行發言，其他學生進行提問。與此同時，任課教師對參與成果展示的小組進行評價，并深入分析科研投入和科技創新等對××股份發展的影響，根據點評內容，總結小組討論結果的不足和存在問題。

在此過程中，培養學生自主探索的學習能力，激發學生的求知欲，使學生變被動學習為主動探索；培養學生利用所學知識分析和解決工程問題的能力，提高其工程實踐能力。最后，任課教師幫助學生梳理本節課的知識要點和邏輯結構，總結本節課主要內容，提高歸納總結能力。

3.課后。任課教師對學生進行合理引導，布置課后思考題“假如你是一家光伏企業的負責人，為保持或追趕行業領先地位，你會在哪些方面努力？”通過教師引導、學生互評及小組合作探討，做到查漏補缺、鞏固提高、拓展提升。

4.實踐教學。任課教師帶領學生前往實踐單位參觀實習，通過參觀生產線、企業專家座談等，學生分析課堂中所提解決方法和工程實踐中實際解決方法的優缺點，從而分析總結最優方法。此外，專業學位碩士需要參加8～10個月的工程實踐，部分學生會參與工程實踐，將課堂所學理論知識與工程實踐問題相結合，進而對后續課程案例進行改進和更新。

5.總結反饋。每次課程和工程實踐結束后，對上課學生、工程實踐學生和用人單位進行問卷調查，反饋案例教學效果，用于案例庫和課程教學目標的改進和更新。

四、案例教學實施效果及評價

在傳統的理論教學模式中，教師作為教學活動的中心，憑借口頭表達、板書、手勢及身體語言等完成教學活動，“填鴨式”要求學生精心傾聽、詳細記錄，具有很大的局限性，缺乏師生之間、學生之間的交流。

因此，這種教學模式對于學生的能力培養難以奏效，尤其是對于“材料物理”等以理論為主的專業基礎課程。學生雖然掌握了能帶理論等基礎知識，但是難以將其應用于工程實踐中解決遇到的具體問題。

本案例教學則完全不同，教學活動的素材主要是基于生產實際，將抽象的理論知識融入企業生產實踐，在學生自學基礎理論知識的基礎上，通過小組討論、辯論和個人演講完成教學，教師只是啟發和幫助學生，引導學生自己或集體做分析和判斷，通過工程實踐，經過討論后達成共識。

教師僅僅提出學習要求，最后進行概括總結，絕大部分時間和內容交由學生自己主動地進行和完成。通過本工程案例教學，學生在以下方面具有明顯的提升。

1.學生分析、解決問題和利用理論解決工程實踐問題的能力大幅度提升。本教學案例均來源于生產實踐，是書本理論知識在企業生產過程中的具體實踐。通過工程案例可將抽象的專業理論具體化，如半導體能帶理論。學生在教師的引導下應用所學的理論知識，通過對具體的工程案例分析，體驗生產或工程實踐中的具體問題，達到理論與實踐相結合，學生在獲得知識的同時獲得了相應的經驗，有效地培養了學生綜合運用知識、獨立工作和實踐的能力，有利于塑造學生的創新精神。

2.學生學習的積極性和主動性大幅度提升。在工程案例教學中，教師通過介紹企業生產過程中的難題引出具體工程問題，鼓勵學生通過對案例分析討論，互相提問和解答，尋找蘊含在案例背景材料中的相關知識，應用所學的基礎理論知識和分析方法，對工程案例進行理論聯系實際的思考、分析和研究，充分體現了學生在學習中的主體地位，有效地提高了學生學習的積極性和主動性。

3.學生團結協作精神顯著增強。工程案例教學鼓勵學生以辯證思維的方法，從不同角度觀察、探討同一問題的不同側面，提倡交流、討論、啟發和批評；幫助學生串聯知識要點、解答疑難，通過討論、集思廣益，共同完成最終的方案。這一過程培養了學生敢于質疑權威的能力、敢于發表個人觀點的能力、分析個案的能力和團隊協作精神。

結語

傳統課堂難以滿足生產實際對高級應用型人才的基本要求。課程團隊以太陽能光伏器件生產實踐為教學實例，與××建立了產學研用合作創新機制，將“材料物理”等基礎課程中涉及的光電效應、能帶理論、摻雜改性等理論知識與企業生產實踐相結合，整理編制此教學案例。通過該案例教學，將工程案例引入材料類工程碩士研究生教學中，豐富學生受訓內容，縮短理論教學與生產實際的距離，以滿足工程教育面向工業企業的要求，體現培養面向材料工程技術領域的高層次復合型應用技術和工程管理人才的辦學理念和培養目標。該案例教學方式和教學內容可推廣應用于化工、機械、電子信息等相關專業學位研究生培養中。