新能源材料与器件新工科实践教学系统探索

宋 健 朱 磊 顾修全 赵宇龙

（中国矿业大学材料与物理学院 江苏·徐州 221116）

1 新能源材料与器件专业特点及实践教学重要性

面对当前新的经济形势、产业形势、教育形势，我国适时开展了新工科建设，这是持续深化我国工程教育改革的重大战略。[1,2]能源是社会发展的基础，新能源有别于煤、石油、天然气等化石能源，主要包括太阳能、风能、生物质能、水能等可再生能源形式。新能源的高效利用离不开材料科学的支持，但是，仅仅依靠材料学科无法支撑新能源材料与器件新工科的建设，需要物理、化学、生物、材料、电子、机械等多学科支撑。因此，新能源材料与器件专业具有交叉性、综合性与复杂性，在一定的学制下，专业知识体系需要依据专业特点进行重构。新能源材料与器件主要针对新一代高性能能源转化与存储技术，面向的是现实的复杂工程问题，所以实践教学环节至关重要。当前，实践教学主要包括实验课程、认识（生产）实习、课程设计、毕业设计等。《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020年）》强调要不断强化实践教学环节，支持学生参与科学研究，增强学生解决实际问题的能力。因此，有针对性改革新能源材料与器件专业实践教学，对于新工科建设有重要意义。

2 新能源材料与器件实践教学的难点

实践教学难不仅仅是新能源材料与器件专业的问题，而是普遍存在于实践性较强的理工科专业。[3-5]同时，实践教学涉及的也不仅是专业知识的问题，更多的是培养学生动手操作、应对复杂问题、安全意识、团队协作等需要长时间训练才能有显著效果的能力。新能源材料与器件实践教学有其独特的专业性质，而传统的实践教学无论在教学内容、教学方式，还是教学效果上都存在比较突出的问题，主要表现在以下几个方面：

（1）在实验内容上，主要借鉴材料科学、化学等相关学科的基础制备与表征实验，且内容较为死板，多为验证性实验。[6]学生按照实验课本开展实验，虽然可以锻炼动手能力，但由于实验参数、实验配方已固定，因而失去了对实验过程中复杂因素的独立判断和系统总结的机会。当然，这还与实验课时少有关，指导教师无法在既定时间内完成创新性实践任务，学生也无法在短时间内锻炼创新能力和团队协作精神。另外，对于有危险性的实验，指导教师从安全的角度出发，往往会选择避开，这也使得学生缺乏安全意识方面的实践机会。

（2）在教学方式上，主要传承基础学科实验方式，即任课教师复述或实操一遍实验，学生照此演练。以传统形式开展实验教学，学生失去了试错的机会，只知道正确的做法而不知其缘由，也不利于调动学生积极性，学生缺乏实验热情，只为完成任务或修满学分。因此，创新实践教学方式也是改革的重要一环。

（3）在实习方面，无论是认识实习还是生产实习，通常多以参观为主。从学校角度看，希望学生能够深入生产一线，深刻理解新能源材料与器件生产过程中涉及的设备、技术与管理。然而，高校实习经费有限，无法与实力雄厚的企业建立稳定的实习关系。从企业角度看，出于安全考虑或技术保密，同时考虑到学生实习周期有限，企业通常不愿意安排学生到具体工作岗位实操。另外，企业接待大学生实习部分原因是吸引优秀学生去工作，因此不会安排学生从事一线体力劳动。学生只能走马观花式地完成实习内容，表面上看参观了很多企业，听了很多现场讲解，但收获并不多。因此，如何协调学校与企业的关系，使得我们有一致的目标和利益，对于提高实习效果至关重要。

（4）在毕业设计方面，学生选题通常是基于指导教师的科研课题，偏重基础理论和实验室研究，无法真正培养出适应新经济发展要求的科学基础厚、工程能力强、综合素质高的人才。

3 新能源材料与器件实践教学探索

中国矿业大学材料与物理学院材料科学与工程(能源材料方向)被评为第七批国家特色专业建设点，早在制定2012 版培养方案时就提出设立能源材料课组课程，在2016 版培养方案中进一步明确了能源材料方向，并围绕能量转化与存储开设了相关实践教学课程。经过数年的努力和持续建设，学院于2019年获批新能源材料与器件新工科专业。长期以来，学院在新能源材料与器件专业发展方面始终贯彻以下策略，即依靠学院在太阳能光伏技术、锂离子电池、燃料电池技术与材料、超级电容器、光催化等相关领域形成的高效稳定的科研集体，利用已取得的若干新能源材料领域的教学科研成果，开展实践教学、学生学术科技活动与创新型人才培养模式紧密结合。结合近年来专业发展的经验，针对上述普遍存在的实践教学问题，我们的主要改革方法如下：

（1）在实验课程方面，开设了新能源材料基础实验与新能源材料课程设计，厘清了专业基础与综合应用的区别。新能源材料基础实验主要开设6 个化学、材料相关的基础制备与表征实验，侧重对学生基本实验能力培养，同时让学生加深对课本知识的理解。经过基础实验训练后，开展课程设计，即围绕太阳能电池技术、锂离子电池技术、超级电容器技术、燃料电池技术、光催化制氢技术5 个方面，让学生完成从原料选取、材料制备到器件组装的过程。课程设计共计10 天，学生有充足的时间查阅文献，设计实验方案，并完成器件组装。在此过程中，学生可以充分运用所学基础知识和基本实验技能，可充分发挥创新能力与团队协作精神，同时学习并通过实验室安全测试，培养安全意识。

（2）在科研能力训练方面，将学院本科生导师制、大学生创新项目与毕业设计有机结合，让学生有充足的时间接受系统科研训练。同时，鼓励指导教师根据自身科研成果开设开放实验课程供学生选择。将实践课程与科研训练结合起来，为学生提升创新能力、展示创新思维提供了广阔平台，当然也为学生提供了更多的试错机会。近年来，学科有多位本科生以第一作者发表了高水平研究论文，取得了不错的成绩。

（3）在实习方面，梳理了认识实习与生产实习的承接关系。选择行业标杆企业开展认识实习，以参观交流为主。实习企业涵盖了光伏、动力电池、铅酸电池、照明、半导体、传感等企业，范围较广，让学生对新能源材料与器件行业有初步了解。而对于生产实习，我们坚持顶岗与跟班的实习模式，努力寻找愿意接收学生实习的企业，并与其签订实习协议，共建实习基地。将学生分成若干个10 人左右的实习小组，以小组形式进入实习企业，在4 周的实习期内，小组成员在企业内部进行轮岗。另外，除了利用教师个人关系寻找合适实习企业外，我们还借助地方政府联系实习企业。比如，2019 年，我们联系了江苏省高邮市经济开发区管委会，在对方的帮助下，最终确定了五家与新能源密切相关的实习企业。在实习过程中，所有小组均采用顶岗与跟班实习模式，进入企业生产一线。企业还安排了专题讲座，工程师就某一工艺段或设备进行详细讲解。同时，学生在工艺工程师岗位、品质工程师岗位、设备工程师岗位、管理岗位进行轮岗实习，学生收获颇丰。

（4）在毕业设计方面，摆脱了单一的实验室基础研究，主动邀请企业参与本科毕业设计。一方面，每年与合作企业协商，由企业出具若干毕设题目，经学院审核后向学生开放申请通道。这部分学生的毕业设计由校内和校外双导师负责，校内导师要定期与企业导师及学生沟通进展情况，并指导学生凝练生产实际中的科学问题。比如，我们与时代上汽合作开发动力电池方面的毕设题目，使得学生的毕设选题更贴近生产实际，解决实际问题。另一方面，我们邀请企业专家参加本科毕业答辩，专家从企业生产和工程实践方面来点评毕设内容，可以再次强化学生工程实践意识。例如，我们先后邀请了江苏中宇光伏、江苏华恒新能源等企业专家参与毕业答辩，取得了很好的效果。

4 总结

新能源材料与器件实践教学是一个系统工程，包含了众多实践项目，而各个环节间又密切联系。为了实现新工科对人才的培养目标，我们需要构建一个厚基础、重创新、近工程、有深度的实践教学体系。即通过基础实验课程使学生打牢领域内基本的实验技能，通过科研训练培养学生创新能力和创新意识，通过实习过程拉近学生与生产一线的距离，通过校企合作的毕业设计培养学生解决实际工程问题、凝练科学问题的能力。我相信，围绕这一目标努力建设新能源材料与器件实践教学体系，必然能够培养出适应我国工程技术发展的新工科人才。