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          新工科下太陽能技術及應用課程改革

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          新工科下太陽能技術及應用課程改革

          摘要:太陽能作為一種新興的清潔能源,受到了能源行業的普遍重視。在這種情況下,光伏類人才的培養也受到了人們的廣泛關注。針對創新型工程人才的培養需求及其課程的教學特點,從內容設置、教學方法和考核方式三個方面探討了太陽能技術及應用課程的改革,旨在優化課程內容之間的銜接,提高學生的邏輯思維能力以及分析問題和解決問題的能力,培養出更多符合社會需要的光伏類人才。

          關鍵詞:太陽能技術及應用;新工科;光伏類人才

          為主動應對新一輪的科技革命與產業變革,支撐“中國制造2025”等一系列國家戰略,2017年2月以來,教育部積極推進新工科建設,并連續下發通知,來探索領跑全球工程教育的中國模式、中國經驗。新工科建設倡導重實踐、跨學科,將創新創業教育貫穿于人才培養的全過程,通過產學合作,協同育人,持續改進創新人才的培養目標、培養方案、課程體系和教學要求[1]。為培養出更多具有創新精神和較強實踐能力的應用型技術人才,燕山大學信息科學與工程學院光電子工程系結合專業特色以及新工科建設要求,為燕山大學里仁學院2017級學生及之后的電子科學與技術專業學生開設了太陽能技術應用課程,將太陽能光伏作為主要的教學方向,以培養具有材料、半導體物理、光電子、光電信息等科學與工程方面基本知識和基本理論的綜合型技術人才。通過對該課程的學習,學生能夠掌握太陽能電池材料的基本制備技術、表征手段以及光伏系統的設計,了解光伏系統在國民經濟各個領域中的應用,并能夠進行基本的太陽能電池性能測試。

          一、太陽能技術及應用課程的內容設置

          由于燕山大學里仁學院電子科學與技術專業未開設半導體物理課程,其最終選擇將半導體物理基礎知識、太陽能電池的基本原理、光伏材料制備、電池片的制造工藝和性能測試評價、新型太陽能電池的原理和特點以及太陽能電池的應用六大模塊作為授課內容。太陽能電池的核心是半導體材料。由于電子科學與技術專業的學生較少接觸到固體物理、半導體物理方面的知識,教師可將其作為太陽能技術及應用課程理論部分的講述重點。在教學的過程中,教師可主要講述半導體的基本性質,如半導體晶體的結合方式、電子的共有化運動、半導體的能帶結構等。同時,教師還可重點分析半導體中的光吸收、載流子的產生和復合、半導體的電學性質、PN結等現象的形成及成因,并引出太陽能電池的工作原理。隨著高科技新材料的不斷發展,太陽能電池也由晶硅電池(單晶硅電池、多晶硅電池等)、薄膜太陽能電池(碲化鎘薄膜太陽能電池、銅銦鎵硒薄膜太陽能電池等)發展成第三代太陽能電池(染料敏化太陽能電池、鈣鈦礦型太陽能電池等)[2],但目前市場上的電池還是以晶硅電池為主。因此,太陽能技術及應用課程以晶硅電池為例,為學生介紹了晶硅的制備技術以及電池的結構、各部分的功能、生產技術和工藝,并以此為基礎對其進行擴展,讓學生分組討論和介紹其他的新型電池材料或電池結構。太陽能電池性能的優劣在于將光能轉為電能效率的高低,而其效率由工作時的電流、電壓等性能參數決定[3]。因此,太陽能技術及應用課程為學生介紹了短路電流、開路電壓、填充因子以及光電轉換效率的定義和基本公式,并通過等效電路和J-V曲線分析了光電轉換效率的影響因素及可能的解決方案,再借助視頻演示講述了電池效率的測試方法、測試設備和測試條件,同時介紹了電池性能的極限和損失分析。太陽能發電的形式主要有兩種,即熱發電和光生伏特效應發電。太陽能技術及應用課程主要向學生介紹了光伏發電的相關內容,包括光伏發電系統的組成、各組成部件的功能和特點等,同時介紹了并網光伏發電系統、獨立光伏發電系統和混合光伏發電系統。

          二、太陽能技術及應用課程的教學方法

          成果導向教育(OBE)理論倡導學生與教師合作,共同完成學習過程,一起分享學習成果,享受學習的樂趣。在基于OBE教育理念的教學活動中,學生最終能夠掌握什么遠比如何學習和何時學習更為重要。在進行基于OBE教育理念的課程教學設計時,教師需要對學生在完成課程學習后應達到的能力水平有著清晰的構想,并根據該專業學生的能力培養要求來設定相應的教學內容和采用相應的教學手段,以保證學生能夠達到預期的學習目標。可以說,學習產出變成了整個課程教學環節的驅動力[4]。2020年,受新冠肺炎疫情的影響,大多數高校都開展了網絡教學。根據實際情況,太陽能技術及應用課程被設置為:課堂教學(18學時)、討論教學(6學時)。并且整個學期的前后各12學時,中間空1個月,用于學生進行項目實踐。講解式課堂教學主要是對理論知識進行系統闡述,其內容更多為需要學生記憶、理解的知識;而項目式教學則強調培養學生對知識進行融會貫通的能力以及進行跨學科整合研究的能力。因此,太陽能技術及應用課程采用了“老師強基礎、學生重應用”的授課方式,即前16個學時,由教師進行相關理論知識的講解,并輔以大量的網絡教學資源(如西安電子科技大學柴常春等老師主講的半導體物理等內容)。利用和太陽能技術相關的視頻、多媒體課件等,將線上教學與傳統線下教學相結合,通過聲畫結合、圖文并茂的形式,多渠道地讓學生了解和接收與太陽能技術有關的知識。之后的8個學時,太陽能技術及應用課程采用了翻轉課堂教學模式,以學術會議的形式,開展學科前沿討論活動,讓學生根據自己的興趣和發展方向,選擇圍繞某一新型電池或傳統電池的新工藝來展開調查和論述。另外,太陽能技術及應用課程還讓學生針對國內外光伏企業進行調查并完成調查報告。要求調查報告的文章復制比低于30%,以提高學生的學術道德意識。在課后,太陽能技術及應用課程的授課教師可通過網絡學習空間來督促學生學習,并通過QQ群、電子郵件等,來及時地解答學生的問題。

          三、太陽能技術及應用課程的考核方式

          太陽能技術及應用課程采用的是過程考核方式,即學生的課程成績由若干個考核環節構成,包括學生的平時成績、課程項目成績以及個人報告成績。平時成績主要考察學生參與課堂教學的情況,由學生的出勤率和活躍度組成,占20分。課程項目成績主要考察學生查閱文獻的能力、對前沿方向的敏感度和捕捉能力、對技術文本的整理歸納和撰寫能力,占40分。學生可以3到6人的小組為單位來共同對項目文本進行構思、分析,最終再以小組的形式進行匯報、驗收。教師可根據學生個體以及小組的整體表現給出考核結果。個人報告成績主要考察學生對授課內容的整體把握情況,占40分。綜上所述,基于上述太陽能技術及應用課程的內容設置、教學方法以及考核方式,根據學生的反饋情況,燕山大學里仁學院電子科學與技術專業基本上算是達到了預期目標,形成了“以學生為主體,以教師為主導”的教學模式,有效地激勵了學生自主學習,主動參與教學過程,幫助學生實現了預期的學習目標。未來,燕山大學里仁學院電子科學與技術專業將逐步引進更好的虛擬實驗平臺,通過平臺操作來強化學生對工藝的認知,同時加強產學育人基地的建設,以實踐促學習,從而為國家培養出更多的光伏類人才。

          參考文獻:

          [1]張玲,何偉,林英撐,等.新工科建設和政產學研用協同育人模式的探索[J].大學教育,2020(3):27-30.

          [2]王健.基于TiO2球形納結構陣列的光伏器件設計及制備研究[D].秦皇島:燕山大學,2019.

          [3]利明.能源化工專業太陽能光伏電池基礎教學內容體系構建[J].教育教學論壇,2019(13):175-176.

          [4]謝平,林洪彬,李繼猛,等.OBE背景下研究生示范課程建設及改革:以“信號處理”類課程為例[J].教學研究,2019(4):73-78,101.

          作者:徐朝鵬 邊飛 田東升 高靜 單位:燕山大學信息科學與工程學院 燕山大學理學院實驗中心