新能源材料科学基础课程教学探讨

陈新

[摘 要]新能源材料科学基础是前沿交叉领域的一门专业基础必修课，在培养适应国家新能源战略需求的高级科学研究与工程技术的复合型人才方面发挥着重要作用。该研究发现新能源材料科学基础课程改革通过教材的合理选用、细致合理的课程内容设计、领域前沿发展内容的引入、配套课程的同步建设，可以取得良好的教学效果，有利于实现该课程和所属专业的教学目标。

[关键词]新能源材料科学基础;高校教学;课程改革

[中图分类号] G642 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2022）03-0095-03

引言

人类生产和生活的方方面面都离不开能源，传统化石能源不仅储量有限，开采和运输都要克服巨大的困难，而且在使用过程中会释放大量的温室气体和有害物质。有害物质释放到环境中导致酸雨和雾霾等的出现会严重破坏环境和危害人类健康，而温室气体的释放会导致气温不断升高，严重破坏人类和生物的生存环境。促进新能源材料与器件的发展，不仅具有巨大的经济价值，更是保护人类和生物生存环境，实现人类社会可持续发展的关键举措。

新能源材料与器件专业[1-2]是材料、物理、化学、电子、机械等多学科交叉，以能量转换材料、能量存储材料及其器件设计、制备工程技术为特色的专业，培养适应国家新能源方面的战略需求，掌握新能源材料与器件基础理论，具有新能源材料与器件的设计、制造与应用能力以及创新精神、求实作风、团队精神和应变能力的高级科学研究与工程技术复合型人才。华东理工大学（简称“我校”）是国家能源战略调整后，教育部首批批复的建立新能源材料专业方向的高校之一。我校的材料科学与工程学科已入选教育部世界双一流建设学科，其新能源材料与器件专业面向国际国内新能源领域的人才和就业[3]趋势，着重培养适应国家新能源战略需求的高级科学研究与工程技术复合型人才。

新能源材料科学基础是我校新能源材料与器件专业的基础必修课，致力于通过本课程的教学，使学生掌握新能源材料科学的基本物理化学概念和基本规律，能够进行相关科学理论计算，为进一步深入学习新能源专业知识以及分析和解决实际问题研究而打好理论基础。有关材料科学基础课程的教学经验人们已经进行了一些有益的分享[1-2，4-6]，然而结合专业建设和新能源材料，研究有针对性地建设新能源材料科学基础课程还比较少见。笔者结合我校新能源材料科学基础课程的教学经验，对该课程的教学改革进行探讨。

一、教学内容

（一）课程基本内容

新能源又被称为非常规能源，指的是传统能源之外的各种各样的能源形式，比如太阳能、风能、生物质能、地热能、海洋能和核聚变能等。太阳能的利用主要包括阳光照射产生热能的利用以及通过太阳能电池将太阳光中的光能转变成电能等等，其中最主要的是太阳能电池的研发和应用。自然界中太阳能和风能的分布时间和空间很不均匀，这就需要人们设法把能量转换储存起来实现稳定可持续的能量供应。比如通过太阳光裂解水制氢，所制得的氢气经过储存、运输等环节，再通过燃料电池高效地将氢能转变为清洁的电能供人们使用;通过各种新能源形式产生的电能还可以通过锂离子电池、超级电容器、储能电池等新能源器件储存起来，供人们需要的时候使用。由此可见，新能源材料与器件涉及的知识和技术范围是非常广泛的，是一门内容十分丰富的交叉学科。

本课程的内容包括晶体学基础、固体材料的结构、晶体中的缺陷、新能源材料讲座、相圖及相变、固体中的扩散、固相反应等，从晶体的认知、晶体的形成机理、材料的结构、相变、扩散等方面进行材料科学基础知识和材料物理化学知识等内容的讲授，使学生能扎实掌握新能源材料的基础知识，为将来成长为具有新能源材料与器件的设计、制造与应用能力以及创新精神、求实作风、团队精神和应变能力的高级科学研究与工程技术复合型人才做好准备。

我们任课教师结合新能源材料与器件专业的要求，将本课程中有关材料科学基础知识的内容确定为除了传统的材料科学的基础知识，还结合新能源材料的实例，把新能源材料与器件的知识有机地融入进去。此外，通过增加新能源材料讲座的内容，结合本学科领域发展动向和我们近期在新能源材料科学研究中取得的实际结果进行讲授，帮助学生把所学的基础知识跟新能源材料与器件领域的实际应用有机地结合起来。

（二）教材

考虑到新能源材料是一门前沿的综合性交叉学科，所涉及的知识面非常广，目前尚未有合适的新能源材料科学基础教材可供本课程使用，因此，我们选择不将课程内容局限在一本教材中，而是结合多本教材以及相关领域当前的实际发展情况开展教学，以增强课程的综合性、交叉性和前沿性。通过一段时间的调研交流，我们最终选择由潘金生等著作、清华大学出版社2011年出版的《材料科学基础》作为选用教材，以张志杰主编、化学工业出版社2008年出版的《材料物理化学》为辅助教材，同时给学生介绍一些新能源材料、材料科学基础、材料物理化学领域的中英文专著作为参考书目。这样的教材选择，既能够帮助学生拓宽知识面，又能够让学生了解国内外本领域工作的前沿动向，从而很好地适应本领域的不断进步，为开展新能源材料与器件方面的科研和应用工作做好准备。

（三）课程具体内容

本课程强调理论与工程实践的结合，注重知识掌握和能力提高并重，除了讲授基础知识，还结合本领域的文献和实际工程问题进行授课，在提高学生工程知识水平的基础上，进一步培育学生跟踪领域前沿进展以及分析研究和解决复杂实际问题的能力。教师在做好基础理论知识授课的基础上，还通过增加一些相关历史知识的介绍[7]，帮助学生了解学科背景;通过增加新能源材料讲座，帮助学生了解领域的实际应用和最新进展。具体来说，本课程主要包括以下几方面的内容：其一，通过讲解新能源材料开发利用的发展趋势及其对解决传统能源问题、改善人类生存环境的影响，帮助学生树立正确的课程学习观念，了解并培养相关责任意识。其二，通过讲解与新能源材料与器件相关的晶体学基础理论、晶体中的缺陷等基础知识，帮助学生掌握新能源材料科学的基本物理化学概念和基本规律，并获得一定的科学理论计算能力。其三，通过讲解材料的相图及相变理论和确定方法，固体材料的结构以及固体材料中的扩散、固相反应等理论知识，帮助学生更深入地了解新能源专业知识，夯实分析和解决研究与应用中的实际问题的理论基础。

教师通过以上教学内容的讲解，致力于使学生达到以下主要目标：其一，掌握新能源材料科学的基本物理化学概念和基本规律，结合文献信息了解光伏和化学电源材料与器件制备相关材料问题的多样性并进行优选。其二，能够进行材料基础、光伏和化学电源材料与器件制备相关问题的科学理论计算。其三，进一步深入学习新能源专业知识，用以分析和解决研究与应用中的实际问题，能对光伏和化学电源等不同领域的新能源材料的基础知识进行正确表述，进而想办法找到问题解决的方法及途径。

本课程的教学安排共56学时，其中授课54学时，复习考试2学时。以下是每章内容的主要目标。

第一章是绪论。讲述光伏和化学电源材料与器件制备等新能源材料研究的重要意义及要解决问题的多样性，帮助学生树立正确的课程学习观念。

第二章是晶体学基础。包括空间点阵和晶体指数、晶体堆垛方式和结构特征、晶体投影和倒易点阵、菱方晶系的两种描述等内容。与光伏和化学电源材料等领域的实际应用材料相结合，讲授晶体学基本概念、晶体结构的基本特征、晶体学问题的基本分析方法以及光伏和化学电源材料晶体学相关基础科学理论和问题的多样性。

第三章是固体材料的结构。包括原子分子结构和结合键、晶体的电子结构、元素和化合物的晶体结构和性质、影响化合物晶体结构的主要因素、固溶体和离子化合物等内容。结合光伏和化学电源材料等领域的实际应用，从原子电子结构与原子间的相互作用入手，讲授单质、化合物、固溶体等材料的结构及影响其结构的主要因素，在讲述基础科学理论的同时，介绍相关材料应用于光伏和化学电源等实际器件中的工作原理。

第四章是晶体中的缺陷。包括点缺陷的基本属性、位错的概念、位错的运动和性质、位错力学、面心立方晶体中的位错、其他晶体中的位错、小角度位错及位错小结等内容。结合光伏和化学电源材料等领域的实际应用，讲授材料中不同维度缺陷的基础知识以及缺陷对材料性能的重要影响，同时介绍材料缺陷调控对光伏和化学电源等实际器件应用的重要性，以及通过相关缺陷调控方法发展先进新能源材料的途径。

第五章是新能源材料讲座。包括硅、应变硅材料和PN结太阳能电池简介，以及III-V族半导体材料及新能源材料与器件的制备表征工艺简介等内容。根据光伏和化学电源材料等领域的实际应用需要，讲授硅、应变硅、III-V族半导体材料在器件应用中的基本工作原理，并在此基础上介绍通过材料与器件结构设计和工艺改进，使其性能得到显著提高、在实际应用中发挥更大作用的途径。

第六章是相图及相变。包括概述及格杠杆定律，一元、二元、三元相图，相图及其与材料性能的关系，相变及应用等内容。结合光伏和化学电源材料等领域的实际应用，讲授一元、二元、三元相图表示以及相图和相变中的基本规律，同时介绍人们利用相图和相变知识开展新能源材料与器件工作的实际进展。

第七章是固体中的扩散。包括引言及菲克定律、稳态和非稳态扩散、扩散理论和机制、反应扩散以及离子晶体中的扩散等内容。结合光伏和化学电源材料等领域的实际应用，讲授材料中扩散的基本规律、基本机理以及相关基础科学理论问题的计算方法。

第八章是固相反应。包括固相反应机理、固相反应动力学以及影响固相反应的因素等内容。结合新能源材料领域的实际应用，讲授固相反应的种类、基本机理以及运用固相反应基础知识设计制备先进新能源材料的途径。

以上教学内容的设置，均与课程的教学目标相契合，具体明确地为实现课程教学目标服务。

二、课程教学方法手段以及配套课程和本课程的建设探索

（一）本课程的教学方法和手段

本课程以课堂教学为主，配合习题、讨论提升教学效果。课程考核期末有闭卷笔试，平时有考勤、课堂考查、作业以及综合复习等考核。试卷考核要围绕课程目标考查学生工程知识以及问题分析和研究能力，同时尽量覆盖课程的主要知识点，合理分配各个课程目标的考核分值。

我们在几年来的实际教学工作中，通过对教学大纲、教学日历、课件、题库、慕课资料的不断完善和建设，以及每学期上完课之后对授课效果和课程教学目标的达成情况进行认真总结分析和改进，努力使自身的教学水平不断得到提高。

（二）相关配套课程的同步建设

除了本课程自身的理论教学，我们还开设了与之配套的实验课程即新能源材料科学基础实验。通过实验课程的开设，使学生加深对新能源材料科学的基本物理化学概念和基本规律的认识，培养实验操作能力，能够对科学实验结果进行计算分析并完成实验报告，为进一步深入学习新能源专业知识和技能以及培养解决相关实际问题的能力奠定基础。

教学团队从实验课程的设置、实验设备的购置搭建、实验教材的准备、实验教学的授课等方面开展了大量工作，把这门配套课程很好地建立了起来。理论课和实验课的配合教学，在把学生培养成理论与实践相结合的新能源领域专业人才中发挥了重要作用。

除此之外，我们还积极参与学院新能源材料与器件专业的整体建设。一个专业是一个有机的整体，加强各门课程的紧密配合，有助于实现专业人才的培养目标。我们通过整体专业建设的参与，不仅能加深了解本课程在专业教学中担当的角色，更好地搞好本课程的教学，发挥本课程教学的作用，而且还能为学校特色新专业的建设贡献力量。

（三）本课程的建设进展

通过任课教师的不断努力以及教学团队的支持和配合，本课程的建设已经取得了初步成效：通过教学和考核，学生在本课程学习中整体成绩优良，教学目标得到很好达成，课程在同行听课和学生评教中也得到了积极肯定的评价。通过共同努力，教学团队参与和主持的相关教学工作先后取得了2016年校级教育教学成果奖二等奖和三等奖，并且被推荐选作2019年度上海市教委本科重点课程。相关教材和教学参考书《新能源材料科学基础实验》《先进纳米薄膜材料：制备方法及应用》也已经出版发行[8-9]，其中前者被选作普通高等教育“十三五”规划教材、新能源材料与器件专业规划教材，后者则被编入师昌绪先生主编的先进功能材料从书，被选为“十二五”国家重点图书，并获得2018年中国石油和化学工业优秀出版物奖的图书奖一等奖。通过本课程授课培养出的学生，先后获得了华东理工大学优秀奖学金一等奖、上海市大学生头脑奥林匹克创新比赛最默契团队奖、上海市级优秀毕业生等荣誉。今后我们将继续不断努力，把课程建设得更好，争取更大的成绩。

三、结语

随着人类生产和经济的不断发展，能源和环境问题日益紧迫，新能源材料与器件的研发和利用在国内外都受到高度重视。在新能源材料与器件专业新能源材料科学基础课程的建设过程中结合相关领域实际发展情况，系统讲授相关材料科学基础的基本知识，可以取得良好的教学效果，对培养适应国家新能源战略需求的专业人才可以发挥积极的作用。

[ 参 考 文 献 ]

[1] 孙文周.新能源材料与器件专业材料科学基础教学初探[J].科技文汇，2015（33）：51-52.

[2] 李伟，展东红，梁玮，等.新能源材料与器件专业 《材料科学基础》 教学探讨[J].广州化工，2020（9）：166-168.

[3] 赵洪杰.基于提升大学生就业能力的普通高校教学改革探索[J].中国成人教育，2016（1）：101-104.

[4] 李燕.提高无机材料科学基础教学效果的几点措施[J].中国冶金教育，2014（3）：1-2.

[5] 翁俊迎，李爱香，张紅鹰.关于高材专业《材料科学基础》课程教学方法的探讨[J].山东化工，2020（6）：178-179.

[6] 马权.材料科学基础教学与大学生人格特点培养[J].大学教育，2014（14）：93-94.

[7] 贺哲丰，杨平.名人典故在材料科学基础教学中的作用[J].中国冶金教育， 2011（5）：38-40.

[8] 陈新，王德强，曹红亮，等.新能源材料科学基础实验[M].上海：华东理工大学出版社，2018.

[9] 林媛，陈新.先进纳米薄膜材料：制备方法及应用[M].Weinheim： WILEY-VCH出版公司，北京：化学工业出版社，2017.

[责任编辑：庞丹丹]