“雙碳”目標下新能源材料與器件專業項目式教學模式的創新與實踐

田園園，高 芳，金 巍，曹俊斌

（山西工學院 山西 朔州 036000）

工業革命后，溫室效應及環境污染現象隨著全球一次能源消費量的增加而不斷惡化。為此，我國出臺了“雙碳”發展戰略，旨在推動我國能源轉型快速發展。穩步推進以煤炭為主體型能源向兜底保障型能源轉變[1-2]，加速發展風、光、氫等清潔能源，是未來我國乃至世界能源革命的重要方向。在我國相關新能源政策的扶持下，光伏等新能源產業飛速發展，在產能方面已處于世界各國的前列，但其原始創新及關鍵技術仍面臨著“卡脖子”風險。某些高精尖行業技術仍處于被封鎖的困境，新興能源產業所需的戰略科學家匱乏，復合型人才稀缺，產業人才稀少問題日趨嚴重[3]。

新能源材料與器件專業是為適應我國新能源、新材料、節能環保等國家戰略性新興產業發展需要而設立的專業。而在傳統工科教育模式中，出現的“教學同質化”“實踐脫離工程實際”等問題[4]，無法滿足新能源產業快速發展的需求。所以新能源材料與器件專業的人才培養方案建設必須緊扣地方能源轉型發展需求，基于“新工科”理念和“雙碳”政策，優化專業培養目標和課程體系建設，為產業發展提供原始創新和關鍵技術支撐，以期改變傳統工科教育產出落后實際需求的現狀。基于此，筆者介紹了結合項目式教學設計理念，對專業的人才培養模式進行了初步探索，并對過程中的實踐進行思考與總結，以期為新能源材料與器件專業的教學改革提供新的借鑒。

1 地方高校新能源材料與器件專業的項目式教學實踐探索

為進一步推動產教融合深度發展，2021 年我省教育廳頒發了《山西省教育廳關于推進應用型本科高校建設的指導意見》。隨即山西省內多所應用型本科高校應運而生，山西工學院便是山西省首批轉設高校之一。山西工學院緊密結合地方發展現狀，將辦學定位錨定于“立足山西，面向全國，做好朔州事情”。新能源材料與器件專業便是依據山西省尤為朔州市能源轉型發展迫切需要而申辦的應用型本科專業。如圖1 所示，筆者依據地方能源企業轉型發展而產生大量新能源應用型人才需求的空缺現狀，設置專業動態化方向。結合校政企三方面人才構建師資隊伍，共同參與學生培養。課程教學體系深度融入高校以學生為中心的培養理念，并有效結合政府、企業的產業導向共同參與制定。在課程教學體系的實施過程中，有效推動教學體系改革、教學內容重構，按照項目式教學理念對課程體系進行整合，分為：通識課程模塊、項目鏈式課程模塊、項目鏈式實驗教學模塊。進一步深化產教融合基地的建設，實現校政企三方共享共建、共同發展的初衷。校政企三方根據實際發展難題和地方能源轉型面臨的困境共同參與研究方向的制定，擬定項目式課題。高校骨干教師及企業技術人員依托產教融合基地，發揮科研創新優勢帶領并培育學生進行技術難題攻關和科研前沿探索，開展以項目成果為導向的教學研究。

圖1 新能源材料與器件專業人才培養實踐示意圖

1.1 項目式教學設計的必要性

“雙碳”目標驅動下，倒逼企業轉型發展。碳稅政策的下達致使一次化石能源的使用成本急劇增加，環保要求不斷提高，傳統高污染、高能耗的生產模式必然“轟塌”[5]。地方企業的轉型發展必然產生大量的新技術、新崗位、新人才需求。企業將轉型發展所面臨的技術難題交予高校合作，融入學生培養過程中設定為項目式成果要求，一方面可為企業轉型發展提供解題之策，另一方面，在此過程中所產生的“訂單式”培養人才可直達企業解決用工之需。

新能源材料與器件專業培養目標之一是培養學生具備開發新能源材料、研究新工藝、提高和改善材料性能的基本能力的新能源材料專門人才。在新能源材料與器件專業培養方案設計中融入項目式教學理念對培養方案、教學大綱、評價體系等環節進行綜合設計，使學生以項目成果為導向，通過“構想—驗證—完善—制造出某種東西”的路徑，使學生轉變傳統被動學習模式，提升學生的主觀能動性，以主動探索學科專業知識，提升創新及實操動手能力。

學生在對專業導論等基礎專業課程的初識過程中，產生強烈的求知欲。在此階段學生的思維開闊、天馬行空而不受傳統慣性思維約束，學生們主動參加科研探索的熱情高漲。以項目鏈式教學理念對專業課程進行重構，科學引導學生興趣向專業培養方向深化，據不同學生的興趣方向，輔以高校教師科研項目、企業工程項目為題，融入專業學習過程。以“大學生創新創業大賽”“全國大學生化工設計競賽”等活動賽事為項目式教學依托背景，為學生營造科研創新儀式感，提升成就感。

1.2 項目式課程的構建

山西省能源轉型過程中伴隨新技術、新產業、新業態、新模式的產生而必將出現大量的應用型人才缺口。《山西省光伏產業鏈2023 年行動方案》指出，到2023 年底，力爭省內光伏產業綜合產能穩定在20 GW以上，產業鏈“延鏈”“補鏈”取得實效。據此，新能源材料與器件專業擬定了四個動態方向，能量轉換材料與器件方向，培育光伏發電、風力發電等卓越工程師，助力光伏產業、風電產業發展；儲能材料與器件方向，培育儲能器件設計與制備人才，推動地方電力系統安全穩定運行；特殊功能材料與器件專業方向，儲備電解水、燃料電池等技術相關人才，補充新能源多方位發展；廢舊電池回收與資源化方向，培養新能源材料與器件資源化再利用后備軍，布局未來綠色儲能發展。

以特殊功能材料與器件方向（電解水）為例，構建項目式教學模塊化課程。氫能的開發應用是破解環境污染和能源危機的有效途徑之一，研究表明電解水制氫是高效綠色可持續的制氫途徑[6]。然而電解水制氫產業發展受限于其高成本、高能耗的生產過程。以研發低成本、高效率的制氫工藝為成果需求，通過項目鏈式課程模塊和實驗教學模塊的學習，使學生了解氫能等新能源行業的發展背景，學習新能源材料與器件的理論知識，培育學生的動手操作能力，以期在企業行業難題中實現學生創新能力培養的同時達到畢業要求。

如圖2 所示，在新能源材料與器件專業學生完成通識課程模塊的學習后，暨大二學年，實施項目式課程模塊教學。開設專業導入課程模塊，使學生在專業初識過程中對新能源材料與器件專業具有初步的了解。專業導入課程模塊中，改變傳統專業導論課程模式，以邀請報告的形式開展專業導論教學，使學生們可以近距離接觸專業“大牛”專家，了解專業方向中的前沿進展，國際國內行業形勢變化，從而拓寬學生的知識面。高校與當地某能源企業建立合作，通過結合校企合作項目，教師科研項目等建立項目課題庫，學生可組隊在項目庫中自由選擇至少一個項目課題，開展后期的項目式學習。項目式教學過程中，依據材料類專業方向特點，項目式課程模塊分為“材料合成與制備”模塊、“材料分析與表征”模塊、“器件組裝與測試”模塊，依次分布在該專業學生的大三、大四學年。在項目式課程模塊的實施過程中，同時進行項目式實驗教學模塊。項目式實驗教學高度引入企業生產過程示范，使學生真正在企業生產過程中學習新能源材料與器件的工程技術。

圖2 新能源材料與器件項目鏈式課程模塊化實踐流程圖

1.3 課程思政元素導入項目式教學

“雙碳”目標及國家相關政策的鼓勵下，我國在全球新能源產業格局中占據著重要的地位。以光伏發電為例，我國引領全球光伏產業鏈，2021 年我國多晶硅、硅片、電池片、組件的產量在全球占比分別高達76%、96.2%、82.5%、76.1%。然而在某些制造、檢測等高端設備上均強烈依賴進口，面臨著“卡脖子”風險。因此，課程思政元素導入項目式教學勢在必行。在項目式課程體系設置中，深入開展情懷教育。講解經典案例，分析國內外大型環境污染及保護的事件或事故；探討國內外發展史上重大科學技術突破的建設案例；分析比對國內外科學技術的發展現狀等。將這些內容作為思政元素導入項目式教學，激發學生創新活力、強化愛國情懷、樹立正確的世界觀、人生觀、價值觀。結合國家政策、地方發展，力求在專業的學習實踐過程中秉承工匠精神、厚積薄發以破解技術難題，擔當國之大任。

1.4 創新性考評貫穿項目式實驗教學

傳統的工科專業實驗教學過程中，學生成績的認定一般主要為兩個部分：其一是實驗過程中的動手能力考核，主要考查學生的實驗操作能力；其二是學生的分析總結能力，主要考查學生的數據處理和實驗報告撰寫能力[7]。傳統的實驗教學過程中并沒有重點體現學生創新能力的培養與考核。在新能源材料與器件專業的項目式教學過程中，高校教師與地方企業負責出題，設定符合專業方向的課題。學生在以項目成果為導向的模塊化實驗教學課程學習過程中，結合查閱科技論文、技術報告等資料，設計擬定實驗方案，在教師的指導下開展實驗，最終完成目標成果。另一方面，任課教師需要根據不斷變化的企業難題分析、拆解、設計項目式課題，不斷吸收國內外先進技術與時俱進，與學生共同參與完成實驗學習。在新能源材料與器件專業的實踐教學環節中增加創新能力的培養與考評占比，構建適應于項目式教學的考評機制，與此同時培養和提升學生及教師的創新實踐能力。

1.5 注重項目式教學過程性評價

傳統工科教學模式下，學生成績認定一般為學生考試成績和課堂表現成績兩部分構成，且學生考試成績占比較大。這種傳統模式教育下的評定方式更加注重結果性評價，而忽略了學生在學習過程中的思維養成過程及創新能力提升過程。因此，建立與項目式教學模式相匹配的課程評價體系，才能使學生高效地獲取知識和提升能力。

項目式教學過程性評價，其主體由傳統教學模式下任課教師的單一主體改變為參與項目式教學當中的多元化主體（專業教師+企業工程師+學生互評）；其評價內容，以項目式教學過程中的多維度構成，分別為學生的從事項目學習的態度責任、動手能力、學習動機、團隊間的交流情況、項目的執行進度及質量、知識領悟程度、思維技巧等方面；其評價依據由傳統教學模式下的卷面成績改變為考察項目執行過程中的多元化成果，包含項目式成果要求的完成度、項目匯報情況以及隨項目式教學過程所產生的過程性考查等。

2 新能源材料與器件專業項目式教學的實踐總結

項目式教學模式在筆者所負責的新能源材料與器件專業中已開展實施并初見成效。筆者在專業導論課程中結合自身科研與橫向課題經歷，向同學們介紹專業背景和企業所面臨的重大機遇與挑戰。筆者依據學生群體不同的興趣方向，進行分組和項目課題的雙向選擇，以開展后續的項目式學習。在學習過程中，要求學生分工明確并相互交流。不同組之間除日常理論課程的學習外，還定期以“組會”形式召開討論，相互交流學習成果心得，相互促進。隨著項目式教學過程的推進，要求學生團隊參加大學生創新創業活動，并取得了良好的成績。

值得注意的是，在整個項目式教學過程中，教師已不再占據主導地位，所做工作更多是引導與答疑解惑。學生獲得課題后，則是遇到問題—師生討論—主動探索—提出方案—實驗論證。通過這種目標導向的項目式學習模式，學生學習變被動為主動，學習效率得到了有效的提升。并且，構建項目鏈式課程模塊的方式打破了不同課程之間的壁壘，實現了更高效的教與學。

3 結語

在國家“雙碳”目標和應用型本科高校建設的背景下，為提升新能源材料與器件專業的教學質量，培育出更多優秀人才，新能源材料與器件專業的人才培養方案需在教改實踐中不斷創新與完善。筆者緊扣地方能源企業發展需求并基于項目式教學理念，對新能源材料與器件專業的教學改革開展了初步的探索與實踐，并取得了一定的成效。在新能源材料與器件專業的人才培養模式優化與完善過程中，仍需融合項目式教學理念進行長期而持久的改革與創新，以不斷適應社會發展需求，為地方發展提供堅實支撐。