新能源材料創新實驗設計分析

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摘要：隨著新能源產業的不斷發展，新能源材料與器件這一新興專業也正受到社會各界的廣泛認可和接受。越來越多的行業和領域迫切需要這一專業人才。如何針對這一專業的本科學生，在其大學就讀期間進行創新性思維培養，是很多大學實驗負責教師面臨的必須解決的問題之一。本文就這一問題，將展開一系列研究和討論，力求尋找到一種切實可行的創新實驗模式，應用于新能源材料與器件的本科實驗教學中。

關鍵詞：新能源材料與器件；創新思維；實驗教學；實驗設計

當今社會，隨著資源的日益枯竭，人們對于新能源材料的開發愿望日益迫切[1]。目前，我國大力倡導新能源產業的發展，對于新能源材料與器件專業的人才需求日益增長。然而，新能源材料與器件專業目前還屬于一個新興專業，專業的課程體系和專業特色正在日趨完善中。針對新能源材料與器件專業的學生，如何激發他們的原創動力，如何引導他們在未來的科研和工作中展現創新能力，是新能源材料與器件專業實驗設計的短板。

一、現狀分析

全國第一批開設新能源材料與器件專業的高校大概有十余所，但是該專業普遍開設均不滿十年，各個高校對于該專業的課程設置正日趨完善[2]。對于專業課程的設置，其實驗課程教學相對還不太完善。雖然開設的實驗名為新能源材料與器件專業綜合實驗或者專業綜合設計，但在實際教學中往往還是教師給出實驗步驟，學生照樣子操作。其并沒有給學生任何發揮創造的空間，很難在教學過程中培養學生的創造性思維和創新性動手能力[3]。學生在實驗環節做出的實驗結果，很多是經典實驗結果，對于實際生產或者目前的研究科研都過時已久。這完全沒有辦法培養學生的創新意識，提高學生的創新能力。

二、優化措施

針對這些新能源材料與器件專業的實驗教學弊端，華東理工大學新能源材料與器件專業，結合課堂教學“太陽能電池設計原理及制造”“化學電源設計原理及制造”兩門專業核心課程，將太陽能電池和化學電源中的主要組件、設計原理和設計基本工藝，讓學生在課堂教學過程中進行具體學習。教師在課堂教學中注重電池和電源的結構設計、轉換效率影響因素、組件的制造工藝、性能的表征方法等知識點的融會貫通，利用專業實驗從真正意義上檢測學生對于這些知識點的掌握情況。教師讓學生自主設計實驗，提出實驗方案，分小組進行實驗論證，僅僅在實驗可行性論證中給予必要指導，讓學生在獨立設計分析實驗、提出解決方案的過程中逐步實現創新性思辨思維意識的培養。這一過程允許學生在實驗中出現失誤，其是培養學生客服困難，在失敗實驗中尋求突破的實驗新模式。實驗教學評分不完全取決于學生的實驗結果，而是從學生設計實驗創新性、實驗論證科學性、實驗操作規范性、實驗改進合理性等多個方面、多個角度對學生專業實驗進行綜合評價。這就使得學生的創新能力能夠在專業實驗和專業設計中得到充分培養。在學生進行專業實驗和設計的過程中，如果涉及產業化放大生產的設計，學校就可為學生提供校企合作的機會，支持學生將想法和實驗結果與企業對接。學校可以讓學生利用暑假時間直接到企業中去，通過畢業實習等方法，在企業中對一些原創的技術和器件進行進一步優化。學校根據企業中的實際環境進一步優化實驗方案，以期得到一些好的創新電子或者優質技術，鼓勵學生在畢業設計等環節，進一步優化實驗設計方案。這樣就可以實現理論教學、實驗教學、畢業實習、畢業論文一體化的創新意識培養路徑。學生在進行專業實驗的學習中，不再是單純地進行重復性實驗，而是在實驗中對科學原理深入理解，對實驗過程進行分析。這樣既能考察學生對于文獻的調研和理解能力，又能培養學生在實驗設計中結合自己對專業理論進行實踐的創新思維。這樣的實驗不限制學生完成實驗的路線，而是重點考察和強調學生在操作過程中的規范性；不對實驗結果的唯一性進行考察，而是考察學生設計和處理實驗數據的合理性。學生的實驗報告不再是千篇一律的，而是具有自身的實驗設計特色。這樣的實驗報告不再是單純的實驗原理、實驗設備與材料、實驗過程、實驗結論的堆砌，而是包含實驗研究背景、實驗方案設計調研、實驗原理分析、實驗儀器與材料設計、實驗過程合理性論證、實驗數據記錄、實驗數據分析、實驗結果評價等幾個部分。學生操作的實驗結果可能是成功的、也可能是失敗的。這樣可以培養學生如何正確面對失敗，允許學生進行調研分析后提出改進方案，然后進一步進行實驗論證，從根本上杜絕了學生隨意修改實驗結果和實驗數據的現象。個性化的實驗報告也給予了學生在實驗報告撰寫過程中進行發揮的空間。教師利用本科的實驗教學環節培養學生的科研素養，提升學生分析問題和解決問題的能力，進而極大地提升了學生的創新能力。

三、實施案例

以太陽能電池電極制備實驗為例，首先，我們在“太陽能電池設計原理及制造”課程中分析了太陽能電池中電極的作用，給出了太陽能電池電極目前主要的制備方法，電極性能的評價指標及檢測方法，了解了各種雜質對于電極性能的主要影響，以及影響的機理。其次，在新能源材料與器件專業實驗中，我們要求學生分組根據所學自行設計一種太陽能電極的制備方案，包括所需的原材料，測試所需要的設備清單。每組根據自己的實驗方案，準備實驗可行性論證ppt，然后在全班進行討論。在討論的過程中，學生逐步完善自己的實驗方案。教師負責引導學生找出方案中的錯漏，并啟發學生尋求解決方案。最后，根據學生設計的實驗方案，教師集中購置實驗所需的實驗耗材，讓學生根據自己制定的實驗方案進行操作實施，并撰寫實驗報告。無論實驗成功還是失敗，學生都需要在實驗報告中進行分析。針對失敗的實驗，如果學生能夠提出解決方案，就允許學生進行二次嘗試。但是，在學生的每次嘗試中，教師都要要求學生提交相應的實驗報告，以培養學生在綜合實驗中分析解決問題的能力和素養，在常規實驗中培養學生的創新意識。對于學生獲得較好性能的一些實驗結果，其項目還可以與我校產學研實習基地進行橫向合作，讓學生在本科階段就可以與社會和企業密切接觸，讓科技落地從本科教學中真正實現。學生在完成太陽能電極制備實驗過程中，要做的不再是一份單純的實驗報告，而是首先要在“太陽能電池設計原理及制造”理論課上，完成相關太陽能電極背景的調研，并撰寫太陽能電極制備方法的調研報告。在新能源材料與器件專業實驗中，學生根據前期調研報告，完成對應的實驗報告的撰寫。其實驗報告分四個階段：第一階段設計實驗方案；第二階段分組討論實驗方案可行性；第三階段實施實驗完成實驗報告；第四階段進行實驗優化及反思。這樣的分段可以在專業實驗環節中將學生各項能力指標的達成做得更加明晰和深化，讓學生在專業理論課的學習中，完成了對基本原理和技術方法的識別表達，并利用文獻對相應項目的影響因素進行調研。在此基礎上，教師借助專業實驗課對項目實驗方案進行多樣性優化，并在設計實驗時，綜合考察安全、環境、法律法規等相關要求，設計合理且綠色環保的實驗解決方案，讓學生在進行實驗的過程中培養安全的實驗操作規范，掌握收集、分析整理數據的能力，并能根據數據進行分析獲得結果。這樣，學生可以靈活運用實驗室先進的測試加工儀器對實驗材料進行分析，甚至可以針對某些實驗項目運用軟件先進行理論模擬，以預測實驗結果。實驗設計可以充分考量學生可持續發展的專業思想和理念，培養學生遵循科學發展的思想，并在小組的分工合作中，培養學生的團隊精神，讓學生掌握如何進行文獻綜述、調研報告的撰寫，并且明確文獻綜述與調研報告在實際研究中的重要意義和作用。在實驗報告論證階段，其可以培養學生就專業問題與他人進行有效的溝通和交流，讓學生了解與實驗相關的前沿學術進展。教師利用這種理論課程與實驗課程一體化的培養模式，可以實現對本科學生多種能力全方位的培養，在教學過程中真正做到了培養學生的創新能力。

四、小結

這種專業綜合實驗的培養過程，能極大地培養學生的創新能力和創新意識。然而，一個實驗的準備往往需要實驗教師投入大量的時間和精力，華東理工大學實驗教學中心的教師對此付出了極大的精力。這項對學生創新性實驗能力培養的教學方案，也獲得了實驗教學中心領導的大力支持。

參考文獻：

[1]羅文,錢艷楠,王文廣.新能源背景下《太陽能電池》課程理論和實踐教學改革研究[J].云南化工,2020,47(5):178-180.

[2]趙春霞,周靜,顧少軒,楊爽.基于OBE理念的新能源材料與器件專業實驗教學探索與實踐[J].高教學刊,2019(18):83-85.

[3]曾榮華,潘俊賢,耿忠,葉銳添,錢素惠,羅一帆.培養新能源材料與器件本科專業創新人才的教育實踐[J].實驗室研究與探索,2019,38(7):164-166.

作者：孫金煜 楊曉玲 潘鏞宇 張小凡 曹詩雅 胡金龍 單位：華東理工大學材料科學與工程學院