浅析《新能源材料与器件》研究生课程学习与能力培养

郝惠莲 李文尧 顾 文

（上海工程技术大学材料工程学院 上海 201601）

自21世纪以来，“能源”问题俨然已经成为世界各个国家之间竞争的焦点问题之一。如今，能源缺少、资源争夺以及过度开发使用能源造成的环境污染等严重问题，正威胁着现代人类的生存与发展。探索开发新能源，是人类面对已经到来的能源危机时，寻求可持续发展迫在眉睫的事情。培养新能源领域的高新技术人才，已经成为我国高校教育的重要目标之一。我国在2010年将“新能源材料与器件专业”确定为战略性新兴产业相关专业之一。随着石油、煤炭、天然气等常规能源的日益减少以及所引起的环境恶化问题逐渐突出，以具有环境保护和清洁可持续再生等优点为特点的绿色新能源越来越受到全世界的重视。新能源一般被定义为在新型技术的基础上加以开发利用的绿色、清洁无污染的可再生能源，主要包括太阳能、水能、生物质能、风能能和甲醇等。2006年颁发的《国家中长期科学和技术发展规划纲要》报告中明确提出，一定要把发展绿色清洁能源和水资源技术等新型技术放在优先位置，尽最大努力解决制约目前社会经济发展的重大瓶颈问题。同时并提出2020年可再生能源总量比重将提高到15%，2035年～2040年，可再生能源将占到我国一次能源总量的25%以上的目标。在此背景下，发展环境友好、地域分布相对均衡的新能源成为各国努力的主要方向。新能源材料和技术是新能源发展的重要核心和基础，近年来我国在太阳能电池（如晶体硅电池、染料敏化电池、钙钛矿电池等）和高性能锂电池材料和器件制作方面已取得了重大进展和突破。一方面晶体硅太阳电池的研发和利用目前已位居世界各国之首，另一方面锂电池动力电池的发展创造了有利条件，成为世界第二生产大国。基于市场需求和政策的利好形势，《新能源材料与器件》课程的开设是当代经济社会发展的必然需求。

新型材料的研发与探究，高效率器件的探索和研制，无一不需要创新。培养创新型、实践能力强的人才刻不容缓。《新能源材料与器件》课程是建立在材料科学基础、大学物理、半导体物理与器件、材料物理化学等基础课和专业课之上的，交叉性强、覆盖面广的综合性学科。目前我国一些高校（如电子科技大学、中南大学和东南大学）等已经开设了新能源材料与器件本科专业，并取得了长足的进步。但我校目前本科专业中还未设置该专业。而且对于我校材料物理与化学系的硕士导师和研究生，大多数老师和同学的研究方向主要涉及超级电容器、锂电池、光催化等新能源材料及器件方面的课题研究，因此《新能源材料与器件》课程在我校材料物理与化学专业硕士教育中的开设势在必行。

作为一个新兴专业和一门新开设课程，目前还未对其进行相关的课程建设。本文结合我校在硕士研究生教育教学中的《新能源材料与器件》授课情况和实践环节的问题和经验，并对其进行了相应的总结。近五年来，我系专业教师结合学院（系）里的实际教学资源对国内外高校培养方案进行了充分地调研，然后在此基础上不断地进行修订与完善本专业的教学培养方案：以镍氢金属电池、新型超级电容器、锂离子电池技术材料、新型光伏太阳能电池材料等为专业特色，注重基础理论知识和实践技能相结合，加强学生对基础理论知识的学习，并同时拓宽学生的知识面、培养学生的动手实践与创新意识和能力，为培养新时代能够从事新能源科学与技术的人才奠定良好的基础。

众所周知，作为新能源的转化利用以及开发发展新能源技术的核心关键，新能源材料的开发及利用则成为了国家大力发展新能源的战略性重大问题，而《新能源材料与器件》这门课程也成为研究新能源材料与器件的硕士课程核心必修课程之一。掌握《新能源材料与器件》课程将为学生今后从事新能源材料及器件的研发和工作奠定坚固的基础。《新能源材料与器件》课程的内容涵盖范围非常广，所以需要较多的基础理论课来作为支撑，主要包括大学物理（力热光电）、大学化学（有机，无机，分析和物理化学）、半导体物理及器件、材料科学基础等基础和专业课等多学科知识交叉的综合课程。尽管目前我国已经有一些高校已经开设了新能源材料与器件专业及相应的专业课，但作为一个新兴专业及一门新课程，其相关课程建设比较滞后。作者根据几年来讲授《新能源材料及器件》课程的总结和体会，对该课程的教学内容、教学方法和考试方式的优化和改革等相关教学内容进行了初步的探讨，以期更进一步提高该课程的教学质量和教学效果。

1 重视教材和教学内容选取

《新能源材料与器件》这门课程内容丰富，知识点涵盖面广，并且专业知识领域跨度较大。我们所选用的《新能源材料与器件》教材是由华东理工大学出版的，吴其胜老师编著的《新能源材料》。主要包括金属-镍氢电池，锂离子电池，新型发光材料，太阳能电池等章节，其中每一章节所涉及到的内容涵盖范围非常广，每一章的内容都是一个单独的研究领域。但对于任课老师来说，其专长一般只涉及到某一个或两个领域，往往在其他领域方面的研究是有限的。因此，《新能源材料与器件》丰富的课程内容对于主讲任课教师来讲是一个巨大的挑战。

研究生教学要充分发挥研究生的主观能动性，一定要参与到课堂中。我们所使用的《新能源材料与器件》教材主要包括镍氢电池、锂离子电池、燃料电池、太阳能电池、照明发光材料和相变储能材料等先进能源材料与器件。上课时不仅仅局限于书本上的章节内容，老师和同学都要去下载一些比较新的高档次的科研论文，实时掌握新能源、新材料和新技术的发展趋势和前沿。这样才能更好地培养和提高学生的分析和解决问题的能力。

目前教学当中面临的另外一个问题是：《新能源材料与器件》是目前国内外关于能源领域研究的热点问题，所以知识更新速度较快。《新能源材料与器件》目前作为全世界的研究热点，其知识的更新速度非常快。再者，新能源作为全新的技术，很多技术环节并不是很成熟，其中很多基础的理论，原理以及材料器件技术目前国际上仍处于开发研究阶段，而绝大部分书本上的知识均是已经很成熟或比较成熟的基础理论，所以书本知识相对于新能源的材料及技术研发相对落后。鉴于以上问题，我们在教学过程中采取将科研引入课堂的教学模式。将科研引入课堂，是培养大学生尤其是硕士生创新能力非常有效的方法，也是目前高等教育最显著的特点之一。通过老师向学生介绍相关研究课题组正在进行的研究项目，并引导学生自己积极进行调研，通过查阅文献的方式鼓励学生去了解关于新能源材料与器件技术等方面的最新研究进展，以实时把握相关的研究热点，研究动态和研究前沿。

2 立足理论，重视实践

新能源材料与器件技术中涉及的不同的材料与器件的工作机理通常各不相同。故，牢固掌握材料的结构和性能、器件的工作原理和主要性能参数是能够开发出高质量新材料和器件的基础，尤其对于研究生来说，也是他们能够进行高质量研发的根基。对于晶体硅太阳能电池而言，它由正极(Ag-Al)、PN结(p-Si硅和n-Si硅)和负极（镀有SiNx薄膜面）组成，其工作原理为：P-N结中的电子吸收光子能量后形成电子-空穴对，电子被迅速传递到半导体中具有高能级的导带中并进一步经外电路传递。显然，该电路的开路电压、短路电流，转换效率就是非常重要的性能表征参数。在教学过程中组织学生对电池进行不同光强下进行I-V特性测试，并让学生利用数据处理软件（如origin，excel等）对结果进行处理分析，从而可以让学生学以致用，并调动其积极性。

3 基于实践开展学术前沿

《新能源材料与器件》是一门交叉性广、综合性和实践性均非常强的课程。在实践教学中，通过提出或引导学生自己提出问题，充分发挥学生的主观能动性，通过学生亲自动手操作，结合讨论和讲解等多种形式，使学生能够高质量完成老师布置的任务，从而学会掌握相关的理论或实践技能。这种方法授课方式可以为研究生的课题开展起到启发作用。在科研方面，老师们积极引导学生阅读与课程内容相关的最新进展文献，以保证学生可以及时了解学科最新前沿动态。考虑到新能源材料与器件涵盖面广，结合我院（系）老师们的研究课题方向，我们专业目前基本确定了三大类特色方向：（1）能量储存材料与器件：如超级电容器；（2）发光材料：如石墨烯量子点和硅纳米晶量子点；（3）能量转化材料与器件：燃料敏化电池，锂离子电池等。我们根据以上三大类特色方向为同学们开设实验课，充分利用我们系的一些制备和测试仪器和设备，如拉曼光谱，荧光光谱仪，X-射线衍射仪，电化学工作站等。通过学生亲自动手实验，可让学生系统地掌握新能源材料及相关器件的制备、组装和性能测试方法，促使他们在实验中发现问题、分析问题并通过讨论、调研等手段达到解决问题，从而可以满足出具有应用型、创新型人才的培养要求。

4 创新性教育

在硕士研究生的授课过程中，除了在课堂上讲解基本知识，学生查阅文献并以PPT形式讨论交流外，我们系专业老师每学期都会不定期地开展有关新能源材料与器件系列学术报告，与学生分享新能源方面的研究动态，密切跟进新能源的新的研究成果。每年还会鼓励学生参加一些上海市级或者校级的创新材料大赛和创新实验等创新活动。通过文献调研，亲自动手实验等方式，让学生在新能源材料与器件技术方面得以学以致用，从而激发学生的学习兴趣。

综上所述，根据材料物理与化学的专业培养目标，并针对材料物理与化学课堂和实践教学方面所存在的问题，结合硕士研究生的科研优势，提出新能源材料与器件课程教学的改进措施。教师在教学过程中应充分以学生为主体，并实现“以教为中心”向“教学相长”模式的转变，加强对学生进行创造性思维和创新能力的培养训练，使学生更快地吸收理论知识，从而使得学生具备分析问题和解决问题的能力，以期达到培养学生的创新意识和创新能力。