以创新能力培养为导向的太阳能电池精品实验项目建设

2015-05-03周小岩张亚萍马红章韩立立

实验技术与管理 2015年11期

周小岩，张亚萍，马红章，韩立立

（中国石油大学（华东）理学院物理实验中心，山东青岛 266580）

中国石油大学（华东）理学院物理实验教学中心（以下简称中心），2006年被评为山东省省级物理实验教学示范中心，2007年“大学物理实验”被评为省级精品课程。中心面向全校理工科学生开设多类物理实验系列课程，年均教学工作量超过20万人时。在中国石油大学（华东）培养高素质创新性拔尖人才的目标下［1］，中心在物理实验教学模式优化和规范化、考核机制及系列课程建设方面进行了积极的探索和实践［2－6］。

在教育部提出建设精品课程战略背景下，中国石油大学（华东）开展了3年的精品实验建设工作。希望通过精品实验项目的示范和引领作用来推动其他实验项目和实验课程的系统建设，提高本科实验教学水平、教学质量和教学效果。物理实验是学生进入大学后系统地接受科学实验方法和实验技能训练的开端［7］，是培养各专业人才的重要实践环节，其课程建设和教学改革是理工类学校教改工作的重要内容。在光伏产业迅猛发展，新概念、新技术日新月异的今天，提高实验教学质量，培养创新型人才越发重要［8－10］。本文在太阳能电池精品实验项目建设工作中，通过构建3个阶段实验培养体系、更新实验教学内容和改进实验教学方法来提升学生的创新能力和实验教学效果，赋予精品实验教学生动的内涵。

1 项目建设的目的和意义

1.1 与时俱进，丰富实验教学内容

太阳能电池精品实验依托山东省物理实验教学示范中心和新能源新材料科研平台，紧扣社会热点问题，联系工业生产实际，合理安排不同阶段的实验教学内容。实验内容涉及纳米材料、纳米薄膜的制备，电池的制作工艺、微结构表征技术、光电性能测试、仪器多功能化和智能测量等，是学生将所学的基础和专业知识综合应用的体现。教学过程中太阳能电池的制备可以采用磁控溅射、真空镀膜和湿化学方法等，可以改变工艺参数，可以测试光伏性能或光谱性能。微结构表征可以采用拉曼光谱、X射线衍射和扫描电镜等其他科研技术手段。因此，该精品实验的教学内容设计是灵活多样的，大大拓展了实验教学的广度和深度。新颖的实验内容激发了学生浓厚的兴趣，网上预约该实验的人数最多，几乎每个开放日期都是全部约满。

1.2 渐进式培养学生的实践创新能力

学生对问题的认知，对一门课程的学习是一个由浅入深的过程。学生实验能力、创新能力和科学思维的提升是一个循序渐进的过程。一个科学合理的实验教学体系，对学生自主学习能力、实践能力和创新能力的培养将具有深远的意义。依据知识的认知过程和能力培养的梯形结构，建立从基础到综合设计再到研究课题训练阶段的实践过程。基础阶段注重实验的启发性，强调理论知识与实验内容的有机联系。综合设计阶段倡导学生自主设计、自行搭建、自主管理实验，培养学生独立实验的能力和运用所学知识解决问题的能力。研究阶段采用科研课题的形式训练学生，注重培养学生提出问题和解决问题的能力，培养学生科学研究的能力。学生经过3个阶段的训练，其实验技能、实验综合能力、实验创新能力将得到逐步提升。

2 项目的特色和创新

2.1 分专业的模块化教学方法

太阳能电池实验是面向全校工科“大学物理实验”、理科“普通物理实验”和实验班“基础物理实验”课程中的一个实验项目。该实验的授课对象是全校理工科学生，专业的覆盖面广，层次和水平存在一定的差异，并且授课学时也不同。原实验项目未采用分专业教学，其教学内容、教学方法及应用的教学手段区分不大，导致实验教学层次性不明显，教学效果并不理想。例如对自动化和计算机类的学生，教师在实验教学中讲述太阳能电池的制备工艺和半导体技术。该专业的学生因为没有相关方面的知识背景和储备，对实验原理理解不太透彻，在一定程度上影响了这部分学生学习的积极性。鉴于此，我们将太阳能电池实验项目划分为4个教学模块，其内容涉及材料、计算机、通信以及物理等学科多个领域的知识和应用。每个实验教学模块都配套相应的教学大纲、教学内容、考核及评分标准。针对不同学科、不同专业学生的培养方向和后续专业课程，实施不同的实验教学模块，使学生最大限度地接受优质教学。

2.2 溶入科研素材的研究型课题训练

在研究型课题训练阶段引入太阳能电池光伏性能测试系统、单色光电转换效率IPCE测试系统、半导体测试仪、太阳光模拟器、X射线衍射仪等科研仪器，结合教师的科研项目和科研成果开设研究性小课题，构建教学与科研相互融合的实验教学模式［11－13］。研究型课题与时俱进，内容新颖，贴近实际工业生产，使所涉及到的理论知识变得形象生动，加深了学生对理论知识的理解和掌握。此外，研究型课题使学生在本科阶段就接触到先进的科研仪器，进一步提高科研仪器设备的利用率，有利于高校资源设备的有效利用，扩大其应用范围。

3 项目的教学实施

太阳能电池实验项目针对本科生的物理实验教学划分为基础实验、综合设计实验和课题研究3个训练阶段，如图1所示。每个阶段采用不同的教学内容、教学方法和教学设计理念。

图1 太阳能电池精品实验项目教学体系示意图

3.1 基础阶段：分专业模块化教学模式

将原先“太阳能电池的基本特性研究”实验，通过LB－SC实验仪测量单晶硅和多晶硅太阳能电池特性，记录分析数据，拓展为4个教学模块。第一模块为太阳能电池制备；第二模块为半导体工艺技术；第三模块为太阳能电池光伏性能和光谱响应测试；第四模块为智能测试和仪器功能化。针对不同专业的学生，采用不同的实验教学模块，其结构如图2所示。

图2 分专业模块化教学结构示意图

工科专业学生的“大学物理实验”课程，每个实验项目的授课为2.5学时，完成不了4个实验教学模块。教学中从学生的专业背景和专业特点出发，教学内容具有一定的区分度，进行分类教学尝试。将化学、材料化学、化工和材料物理等专业作为复合专业一采用模块1和2，教学侧重点放在纳米薄膜的物理化学方法制备，包括前驱体溶液的配制、纳米粉体的制备、纳米薄膜的电化学制备、成膜方法等；将自动化、电气、机械和计算机类等专业作为复合专业二，采用模块3和4，教学侧重点主要以光电信号的转换、电信号的采集和处理、光谱的自动滤波和特性参数的自动测量，包括工作电路、控制单元的方案设计，以及各部分的连接和通信、驱动程序和通信协议、上位机界面的程序编写等。

理科专业学生的“普通物理实验”课程，每个实验项目的授课为4学时，拟采用实验教学模块2、3和4。教学侧重点主要以太阳能电池原理、电池的伏安特性、光照特性、负载特性及温度特性，以及光电转换效率的影响因素和半导体技术，包括电池的封装、电极的制备、电极的焊接等，要求掌握1～2个数据处理软件，掌握图形的绘制和实验数据的分析总结等。

实验班学生的“基础物理实验”课程，每个实验项目的授课为4学时，拟采用4个实验教学模块中的部分内容。教学侧重点在强化实验理论和实验技能的基础上，凝练实验的思想和方法，提升教学深度和高度，体现精英教育理念，为优秀人才提供较高的实验创新平台。

3.2 综合设计阶段：以学生为主体、教师为主导的教学方法

该阶段的教学实施时间为1～2个教学周，由指导教师提出问题，例如太阳能电池负载与输出功率的匹配方案、光电转换效率的影响因素和提高方式、设计光路系统克服太阳光线角度的变化等，让学生综合运用所学的知识，自己设计实验方案、搭建实验装置、自己管理实验。为充分调动学生的学习兴趣，组织学生进行实验方案的科学性和可行性论证，提出修改意见，指导实验过程，总结归纳实验结果等。该阶段强调学生的自主性和教师的指导性，注重实验的启发性和综合性，培养学生运用所学到的知识和技能解决实际问题的能力。

3.3 研究课题训练阶段：培养科研思维，全面提升学生创新能力

该阶段的教学实施周期为4个教学周，采用先进的科研技术和方法，引入教师的科研项目和成果，学生以2～3人为1个研究小团队，每个研究团队配1名科研导师。科研导师结合自身科研课题，组织学生开展系列研究性课题训练。教学案例有二氧化钛基染料敏化太阳能电池（DSSC）的制备及光伏性能实验研究，探讨散射层的厚度对DSSC光电转化效率的影响、DSSC光阳极的改进及优化、天然染料应用于DSSC的研究等课题。研究型课题训练具体着重以下几方面内容：文献的检索、英文文献的阅读、实验方案的制定、实验的实施、样品的制备流程、性能的测试、仪器的使用、实验数据的整理和分析、论文的撰写。该阶段重在培养学生的科学研究思维，建立良好的科学素质。

4 阶段性多元化的定量考核机制

精品实验中，我们采用了多元化的定量评定方式。培养体系的3个实验阶段根据教学目标的不同，实施不同的考核方法。基础阶段采用三段式考核模式，其中预习20%，操作40%，实验报告40%。预习和操作成绩在实验教学实施过程中直接由任课教师给出。实验报告包含实验数据的整理、处理过程，结果分析和问题讨论部分，要求学生在课后一周之内完成。综合设计阶段针对实验中的方案设计，实验过程和课程论文3个环节考核。研究课题阶段采用五段式考核模式，包含文献调研、开题、实验过程、结果分析和PPT答辩5个环节，由科研导师评定。

5 结束语

针对太阳能电池精品实验项目建设，构建了以3个实验阶段前后衔接的培养体系，使不同专业不同层次的学生，掌握扎实的实验基础理论和基本实验技能，学生实验综合能力、实验创新能力得到逐步提升，为培养学生良好的科研素质奠定了坚实的基础。学生经过这3个实验阶段的训练，开阔了实验研究视野，拓展了知识面，其自主学习能力、实践能力、创新能力和科学研究思维得到了极大的提升，并涌现出许多优秀的成果。

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［1］中国石油大学（华东）简介［EB/OL］.http：//www.upc.edu.cn/new＿sec/xxjj.html.

［2］张亚萍，黄柳宾，聂士忠，等.优化大学物理实验教学模式的探析［J］.中国石油大学学报：社会科学版，2009（增刊）：174－176.

［3］马红章，王龙，张亚萍，等.依托多元化定量考核机制促创新人才培养［J］.实验技术与管理，2014，31（9）：201－205.

［4］张亚萍，马红章，王殿生，等.建设物理实验系列课程培养学生创新能力［J］.实验室研究与探索，2014，33（6）：214－218.

［5］朱海丰，张亚萍，凌翠翠，等.留学生大学物理实验规范化教学的探索与实践［J］.教育教学论坛，2014（41）：158－160.

［6］杨新建，黄柳宾，王殿生.物理实验大平台建设实践与思考［J］.大学物理实验，2013，26（2）：110－112.

［7］李书光，张亚萍，朱海丰.大学物理实验［M］.北京：科学出版社，2012.

［8］柳卸林，高伟，吕萍，等.从光伏产业看中国战略性新兴产业的发展模式［J］.科学与科学技术管理，2012，33（1）：116－125.

［9］李雷，杨春.我国光伏产业现状与可持续发展策略研究［J］.中外能源，2012，17（4）：28－37.

［10］国家发改委.可再生能源发展“十二五”规划：国发改［2012］1207号［Z］.2012.