双碳理念下新能源材料与器件专业实验教学实践

张学亮，罗大军，刘仪柯

（贵州理工学院 材料与能源工程学院，贵州 贵阳 550003）

随着我国“碳达峰、碳中和”目标的提出和实施，一场广泛而深刻的经济社会系统性变革势在必行。作为高等教育和科学研究的前沿阵地，高校应该在这场变革中起到带头示范作用，为培养新一代具有低碳思维的主力军出谋出力[1]。同时，高校应以此为契机，立足新发展阶段，贯彻新发展理念，主动服务和融入新发展格局，并在各个社会领域强化节能减排意识[2]；在相关课程的教学中，主动将课程内涵与低碳理念相融合，为实现“碳达峰和碳中和”的宏伟目标主动担当作为[3]。

高校要想培养具有碳中和意识的新时代创新型人才，必须有意识地增加碳中和理念的相关教学模块，使学生潜移默化地受到熏陶。新能源材料与器件专业的人才培养目标同“碳达峰、碳中和”目标高度契合，旨在为国家培养适应国家新能源战略需求，熟练掌握新能源材料与工程领域的基本理论和知识，具备新能源材料与器件设计、制造与应用能力的复合型人才。

1 新能源材料与器件专业实验教学现存的问题

随着国家以及教育部对碳中和理论进校园的引导，双碳知识已经逐步走进理工科类教科书，进入理论课程体系。然而，新能源材料与器件专业实验教学仍存在一些问题，具体体现为以下两个方面。

1.1 教学经验不足

作为2010年全国各高校新设立的新能源材料与器件专业，大多数高校设置该专业的时间不长，无论是专业课程体系的设置还是教师的教授方式，都缺乏专业经验，无法在教学内容中有机引入双碳理念。对用人单位的调查显示，新能源材料与器件专业的学生在基础知识的掌握程度与实际应用能力方面无法达到用人单位的要求，尤其是学生对新能源材料与器件专业常用设备的操作极为生疏。

造成这种现象的主要原因有两个：一是在制定培养方案时缺乏对创新型实验模块的设置；二是学生没有深刻认识到参与实验教学的重要性。大多数学生认为实验课内容过于单调，缺乏创新性和综合性，无法调动学习兴趣，最终导致实验教学课程无法达到预期效果。

1.2 实验经费紧张

受限于人均经费紧张，大多数高校的实验设备台套数不足，无法满足每个学生都能实际操作的需求。随着锂电池行业的蓬勃发展以及需求量的大幅增长，锂电耗材的采购成本激增，导致“锂电池制备与测试”等实验课程开设的成本超过计划安排。大多数高校的新能源材料与器件专业的演示性和验证性实验偏多，学生实际动手操作的机会较少。此外，专业实验教材欠缺也是专业实验教学的短板，现有的教材缺乏对新材料的合成、表征和性能检测的及时更新，在日新月异的新能源材料与器件行业发展背景下，毕业生所学知识体系落伍，无法深入理解双碳理念。

创新能力的培养是应用型本科教学的一个重点，而实验是培养学生动手能力、创新能力、分析问题和解决问题能力的重要环节，有助于学生将所学理论知识和实际相结合，在实验中有所发现和创造[4-5]。为了培养具有创新型思维和碳中和思维的毕业生，必须对现有的实验教学内容进行改革。

2 双碳理念融入实验教学可采取的措施

2.1 加强学校层面的引导

双碳理念在学校的贯彻离不开资金、师资、实验设备等诸多方面的支持。以笔者所在的贵州理工学院为例，学院从2016年开始招收本专业本科生，通过近几年的教学实践，并结合自己的特色和优势，提出以应用型人才培养为基础，将创新能力培养作为学生专业学习的目标，逐步完善并制定了适合本专业学生发展的实验课程，涵盖实践能力、适应能力、人际交往能力、表达能力和自我约束能力的培养，以强责任、精技术、善管理、重实践、求创新为原则，着力培养和锻炼学生理论联系实际的能力，增强学生的独立思考能力，最终培养学生创造性解决复杂工程问题的能力。为了推动“碳达峰、碳中和”目标的实现，作为贵州唯一的理工科大学，贵州理工学院主动承担使命任务。2021年9月27日，贵州理工学院举办“新型工业化进程中的碳中和技术论坛”，并成立了“贵州理工学院碳中和研究院”，来自全国各地的权威专家和行业企业齐聚贵州理工学院，共同探讨如何在国家及贵州省“双碳”政策背景下助推新型工业化，构建高质量发展工业产业体系。学校和学院在物力和人力方面都加大了对双碳方向教科研的投入，也引起了学校教师教研对该方向的侧重。

2.2 培养方案要有所体现

贵州理工学院新能源材料与器件专业旨在培养德、智、体、美、劳全面发展，掌握能源、材料、机械、冶金、化工等行业需要的自然科学基础、新能源材料与器件专业基础和人文社会科学基础等基本理论知识的高素质应用型人才。毕业生应该具有爱国情怀、良好的职业道德和职业素养、强烈的社会责任感，坚持正确的政治方向，践行社会主义核心价值观；具有创新意识，掌握创新方法；具备较强的实践能力和动手操作能力，并能对出现的问题进行分析和总结；具备扎实的“碳中和”及能源相关学科知识背景，掌握新能源材料与器件相关的理论知识、基本技能和实践经验；熟悉锂离子电池、太阳能电池、化学储能、氢能等新能源材料与器件产业方向的前沿技术和发展趋势。本专业的毕业要求如表1所示。

表1 贵州理工学院新能源材料与器件专业毕业要求

2.3 增加教科书内容

目前，国内外尚无针对新能源材料与器件专业实验的教材，主要采用新编和借鉴的方式，整合化学、材料、能源等专业方向的实验内容，编写了新能源材料与器件专业《专业实验一》，目前设置的教学内容如表2所示，主要目的在于培养学生从事新能源材料与器件相关职业的能力。

表2 新能源材料与器件专业《专业实验一》实验内容

在原来《专业实验》教学内容的基础上，将碳中和理念全面融入教学文件，在原有的实验原理、实验目的、注意事项中贯彻碳中和理念，营造学习“碳达峰、碳中和”相关知识的浓厚氛围，鼓励大学生主动为低碳生活代言；引入全新的实验内容“CO2的光化学转换”，基于碳中和理念编制实验指导书，以开放性的实验设计锻炼学生的创新思维。

依托新能源材料与器件专业的光电催化分解水装置，搭建“CO2的光化学转化”测试平台，设计光催化气相反应装置，将异相催化、CO2的能源化转化、碳循环等知识点融入此教学章节，使学生对碳中和概念有更深层次的理解，提升其运用所学知识分析问题和解决问题的能力，同时也为学生从事相关科研工作奠定良好的基础。

2.4 课程负责人的有效引导

新能源材料与器件专业课程内容广泛，包括锂离子电池、太阳能电池、储能材料、生物质材料和光催化材料等相关理论知识。很多课程需要完成材料的制备、化学物的合成和器件的组装等过程的教学，难免涉及化工原材料的使用、能源的消耗、设备的运行等。如果教师在理论教学或者实验教学中向学生传授节能降耗的思想，使学生能在实验过程中节约化学试剂，减少设备使用中的能源浪费，可以极大地减少这类实验的碳排放。同时，学生可以养成低碳生活的习惯，将其带入今后的工作和生活中。对新能源材料与器件行业而言，不管毕业生从事生产还是研究工作，都能对本行业践行低碳理念产生深远的影响。

3 结语

2060“碳中和”目标的实现需要一批能站在新能源材料与器件领域尖端的科学与工程技术人才。新能源材料与器件专业的开设正是面向国家重大需求，培养新能源方向战略性人才，契合双碳理念。新能源产业的发展日新月异，高校教师要紧跟国家战略需求，实时更新教材内容和课程设置，及时将前沿科技与研究成果融入本科教学中，通过引入科研实例培养学生的创新思维和双碳意识，为建设中国特色社会主义培养合格的建设者和可靠的接班人。