基于专创融合的课程设计与实施<br/>——以《太阳能光伏发电技术应用与创新创业》课程为例

基于专创融合的课程设计与实施
——以《太阳能光伏发电技术应用与创新创业》课程为例

2020-10-22颜鲁薪李明澈高蕊

文化创新比较研究 2020年20期

颜鲁薪，李明澈，高蕊

（兰州交通大学，甘肃兰州 733000）

专创融合课程作为大学生创新创业教育的组成部分，承担着培养大学生创新能力和创业意识的重要使命。因为它特殊的课程性质，使得其课程建设质量的高低直接影响各专业学生在创新创业方面的培养质量。新能源科学与工程专业作为近年来教育部设置的新专业之一，面临师资不足、学科交叉、专业积累不足等诸多困难，为人才培养带来了一定挑战。这个新设专业如何开展创新创业教育，建设符合专业特点的专创融合课程，显得尤为重要。该文以“太阳能光伏发电技术应用与创新创业”专创融合课程建设为例，详细介绍其设计内容和实施方法，以期为其他同类课程提供有益借鉴。

1 课程设计的背景

2010年3月，国务院发布了《国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》加快培育和发展战略性新兴产业。2010年教育部开始在高校设置战略性新兴产业相关专业，为国家战略新兴相关产业发展提供人才保障和智力支撑。为服务国家重大战略，为西部乃至全国培养新能源专业相关人才，在整合原风能与动力工程专业的基础上，兰州交通大学于2013年开设了新能源科学与工程专业。2015年随着大学生创新创业专业教育的深入，新能源科学与工程专业拟开设一门专创融合课程。根据专业内各新能源的特点，选择太阳能光伏发电课程作为先期探索专创融合课程的突破口。太阳能属于主流新能源品种，是可供人类利用的储量最丰富的清洁能源之一，也是最有可能在成本和大规模商业应用规模上与传统能源竞争的清洁能源之一。与其他新能源相比，选择光伏发电领域作为专创融合课程开发有三大优势：一是太阳能分布广泛，学生对太阳能的接触、认知较多；二是光伏发电融入度高，太阳能光伏发电形式多样，与其他能源的融入度高，可为众多设备提供能源供给；三是太阳能作为创新性新能源，能够给学生创新发挥提供较大的空间。这些优点给该课程开发提供了创新内容，在培养大学生创新能力和创业意识的同时，为他们将来解决复杂工程问题打下了坚实基础。

2 教学模式

该课程采用CDIO 的工程教育模式。CDIO 工程教育模式是近年来国际工程教育改革的最新成果，代表构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）和运作（Operate），如图1 所示[1-2]。它以产品研发到产品运行的生命周期为载体，让学生以主动的、实践的、课程之间有机联系的方式学习工程。CDIO教学将工程毕业生的能力分为工程基础知识、个人能力、人际团队能力和工程系统能力4个层面，要求以综合的培养方式使学生在这4个层面达到预定目标[3]。CDIO 有利于将课程中的创新创业内容与课程专业内容融为一体，从而更好地服务于课堂教育本身。

图1 基于CDIO 的复合教学模式

对于工科类的专创融合课程而言，CDIO 教学模式非常契合课程实施要求，以“太阳能光伏发电技术应用与创新创业”课程为例，该门课程的对应的创新内容，一是工艺的创新，二是产品的创新。对于工艺的创新，一般需要学生在进入企业后有一定生产技术经验积累之后才具备创新的可能，在课程内容的设计上一般为对原有创新的讲解，就其创新过程也有教师分解为CDIO 的过程讲解，使学生能够对于该类工艺创新有本质的理解提高，在学生进入企业后，可以短时间适应企业工艺生产，为工艺创新打下坚实基础。对于产品的创新是课程采用CDIO 模式的主要原因，光伏产业发展至今是不同光伏系统产品的持续创新的结果，如光伏逆变器，早期为适应大规模地面光伏电站设计开发了MW 级别的集中式光伏逆变器，为提高其效率，提高使用寿命，研发了高级别的IGBT 器件，随着分布式电站的兴起，逆变器的关注点又转移到组串式光伏逆变器，阳光、华为等大品牌根据电站需求不同，及时更新产品，如华为组串式逆变器初期为强制风冷，虽然散热效率得到提高，但是由于风沙经常灌入箱体内部对内部电子元器件稳定性造成极大的干扰，为解决这一问题，在华为第三代组串式逆变器开始采用自然冷却技术同时加载蓝牙自检等功能。通过此例可以看出，将CDIO 的产品开发模式用于教学，将教学过程与产品开发过程统一起来，有利于培养学生的工程师思维，同时融入国际元素、家国情怀等内容，可以从整体上在课程模式的顶端设计中将课程开发为具有很强创新意识的综合课程，将专业知识与创新创业知识等融会贯通。

3 教学内容

课程设计小组首先对课程内容做了详细分析。按照光伏产业链从上游到下游的顺序，分别包括硅料、铸锭（拉棒）、切片、电池片、电池组件和应用系统6个环节，其中上游为硅料、硅片环节，中游为电池片、电池组件环节，下游为应用系统环节。从全球范围来看，产业链6个环节涉及企业数量依次增加，光伏市场产业链呈金字塔形结构。在设计行业企业方面，主要表现为国家产业政策支持行业发展，光伏政策体系建设逐步完善，光伏发电规模快速扩大，市场区域和结构逐步转换，光伏制造和技术能力不断提高。光伏行业在未来表现出以下趋势：一是分布式光伏发电将作为首要发展对象，具有广阔的市场前景；二是产品标准提升，行业门槛提高，促进行业有序竞争和优胜劣汰；三是光伏发电补贴调整促进行业健康发展；四是技术进步促进平价上网；五是光伏扶贫规模不断扩大。

针对以上产业内容和行业发展分析，结合工程教育和创新创业内容，课程设计小组将教学内容确定为单晶硅多晶硅制备、太阳能电池工艺与技术、太阳能光伏组件工艺与技术、太阳能光伏发电工程、光伏综合应用以及工程案例6 部分内容。内容按照单元设计，每个单元在讲授的过程中加入创新点举例、创新创业案例，以更好地启发学生思考问题。例如，在单晶硅多晶硅制备教学单元，引入改良西门子法的创新内容，讲解单晶多晶制备工艺改进；在太阳能电池工艺与技术内容单元，安排气敏传感器的相关创新内容，引导学生在太阳能电池制备尤其是钙钛矿太阳电池制备方面研究气敏传感器；在太阳能光伏组件工艺与技术单元，讲授太阳能光伏组件回收方面的最近进展；在太阳能光伏发电工程单元，加入沼气—太阳能多能互补能源系统的设计内容；在光伏综合应用单元，加入基于太阳能空气源热泵的建筑节能技术的讲解，在工程案例中讲解一个家庭分布式太阳能光伏系统的设计与安装工程项目，引导学生创新。

为了有效发将产业链与课程链、产品链结合起来，改变课程设计中按照产业链设计课程内容的割裂感，教学内容在最后内容中加入综合性内容。综合部分以教会学生如何做人为核心，以“一体五通”为主线，让学生懂做人，会听、会说、会写、会做、会管理，成为符合行业需求的专业技术人才。通过对如何做人和如何做事两个方面对即将进入社会的大学生进行强化培养。如何做人方面，将围绕实用商务礼仪、为人处事之道、面试技巧等内容进行培训；如何做事方面，则重点围绕分布式光伏电站设计、施工、运维等内容开展实操训练。

教学内容根据当代大学生的心智特点和认知规律，针对工作过程的环节构建学习情节和设计学习单元，重新融合工程为中心的单元项目课程。学生在专业课学习中，通过一系列相对独立又有机结合的子项目学习和实验，完成与行业相对应的学习和培养，从而实现课程的工程属性和创新创业属性[4]。

4 教学方法

教学中注意实现两个重要转变：一是从“教”向“学”转变；二是从“知识授受”向“问题解决”转变。无论如何实施课程教学，始终保证学生为第一参与人，牢牢把握以学生为中心的理念。大学是一个开放性学习的地方，教师尤其应该培养学生的发散式学习思维。在讲述专业课内容时，不应该照本宣科，应该强调开放式教学，注意运用多种教学方法。该课程主要使用了以下教学方法。一是观察法。在教授过程中可以将实物带入课堂，通过真实的产品了解其原理。例如，在讲解晶硅组件的异同时，可以让学生通过实物观察的方法找到多晶硅单晶硅的区别。二是演示法。在教授过程中对于某些现象采用演示的方法。三是互动法。教师可以多给学生讲课的机会，让学生自己制作PPT、查找资料、学习课程内容，使学生们更好地掌握学习内容，同时锻炼学生的表达和交往能力。四是实验法。对于光伏系统中的控制器作用，可用实验的方法进行讲解，以加深影响[5-6]。

5 课程考核

该课程的考核主要采用百分制形成性考核，即课程形成性考核成绩占该课程总成绩的100%。形成性考核主要由4 次平时作业（每次占10%，共40%）和学习行为（指3 次实时活动的综合考查，占60%）组成。

（1）平时作业。4 次平时作业要求学生按教学进度及时完成，教师应及时批改、讲评。

（2）学习行为。学习行为考核包括参加3 类（全国大学生“互联网+”创新创业大赛、全国大学生可再生能源学术竞赛、全国大学生“挑战杯”课外学术竞赛）竞赛活动的考核。

（3）形成性考核成绩评定。

①平时作业成绩评定。平时作业成绩由辅导教师根据学员平时作业完成的次数和质量按百分制评定，平时作业成绩占形成性考核成绩比例为40%。

②学习行为成绩评定。学习行为成绩由教师根据学员作品按百分制评定，学习行为成绩占形成性考核成绩比例为60%。

6 教学效果及反馈

自课程改革以来，有62 名学生选修了该课程。学生以3～5 人为一组，自愿组成了学习团队，以学习岛的形式全过程参与该课程的实施。课堂上，教与学穿插进行，学生能一直保持良好的学习状态。全部团队均参加了2019年度学校组织的首届可再生能源科技竞赛及第五届中国“互联网+”大学生创新创业大赛初赛，获得奖项的学生参加了当年度全国比赛，其中在第二届全国大学生可再生能源科技竞赛全国赛中获全国一等奖1 项，二等奖1 项，三等奖2 项。在第五届中国“互联网+”大学生创新创业大赛甘肃赛区获金奖1 项，铜奖1 项，全国赛获铜奖1 项。在结课讨论会上，学生表达了对该门课程的喜爱。可见，通过该门课程的实施，可以很好地激发学生的学习兴趣。