新工科下太阳能技术及应用课程改革

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摘要：太阳能作为一种新兴的清洁能源，受到了能源行业的普遍重视。在这种情况下，光伏类人才的培养也受到了人们的广泛关注。针对创新型工程人才的培养需求及其课程的教学特点，从内容设置、教学方法和考核方式三个方面探讨了太阳能技术及应用课程的改革，旨在优化课程内容之间的衔接，提高学生的逻辑思维能力以及分析问题和解决问题的能力，培养出更多符合社会需要的光伏类人才。

关键词：太阳能技术及应用；新工科；光伏类人才

为主动应对新一轮的科技革命与产业变革，支撑“中国制造2025”等一系列国家战略，2017年2月以来，教育部积极推进新工科建设，并连续下发通知，来探索领跑全球工程教育的中国模式、中国经验。新工科建设倡导重实践、跨学科，将创新创业教育贯穿于人才培养的全过程，通过产学合作，协同育人，持续改进创新人才的培养目标、培养方案、课程体系和教学要求[1]。为培养出更多具有创新精神和较强实践能力的应用型技术人才，燕山大学信息科学与工程学院光电子工程系结合专业特色以及新工科建设要求，为燕山大学里仁学院2017级学生及之后的电子科学与技术专业学生开设了太阳能技术及应用课程，将太阳能光伏作为主要的教学方向，以培养具有材料、半导体物理、光电子、光电信息等科学与工程方面基本知识和基本理论的综合型技术人才。通过对该课程的学习，学生能够掌握太阳能电池材料的基本制备技术、表征手段以及光伏系统的设计，了解光伏系统在国民经济各个领域中的应用，并能够进行基本的太阳能电池性能测试。

一、太阳能技术及应用课程的内容设置

由于燕山大学里仁学院电子科学与技术专业未开设半导体物理课程，其最终选择将半导体物理基础知识、太阳能电池的基本原理、光伏材料制备、电池片的制造工艺和性能测试评价、新型太阳能电池的原理和特点以及太阳能电池的应用六大模块作为授课内容。太阳能电池的核心是半导体材料。由于电子科学与技术专业的学生较少接触到固体物理、半导体物理方面的知识，教师可将其作为太阳能技术及应用课程理论部分的讲述重点。在教学的过程中，教师可主要讲述半导体的基本性质，如半导体晶体的结合方式、电子的共有化运动、半导体的能带结构等。同时，教师还可重点分析半导体中的光吸收、载流子的产生和复合、半导体的电学性质、PN结等现象的形成及成因，并引出太阳能电池的工作原理。随着高科技新材料的不断发展，太阳能电池也由晶硅电池（单晶硅电池、多晶硅电池等）、薄膜太阳能电池（碲化镉薄膜太阳能电池、铜铟镓硒薄膜太阳能电池等）发展成第三代太阳能电池（染料敏化太阳能电池、钙钛矿型太阳能电池等）[2]，但目前市场上的电池还是以晶硅电池为主。因此，太阳能技术及应用课程以晶硅电池为例，为学生介绍了晶硅的制备技术以及电池的结构、各部分的功能、生产技术和工艺，并以此为基础对其进行扩展，让学生分组讨论和介绍其他的新型电池材料或电池结构。太阳能电池性能的优劣在于将光能转为电能效率的高低，而其效率由工作时的电流、电压等性能参数决定[3]。因此，太阳能技术及应用课程为学生介绍了短路电流、开路电压、填充因子以及光电转换效率的定义和基本公式，并通过等效电路和J-V曲线分析了光电转换效率的影响因素及可能的解决方案，再借助视频演示讲述了电池效率的测试方法、测试设备和测试条件，同时介绍了电池性能的极限和损失分析。太阳能发电的形式主要有两种，即热发电和光生伏特效应发电。太阳能技术及应用课程主要向学生介绍了光伏发电的相关内容，包括光伏发电系统的组成、各组成部件的功能和特点等，同时介绍了并网光伏发电系统、独立光伏发电系统和混合光伏发电系统。

二、太阳能技术及应用课程的教学方法

成果导向教育（OBE）理论倡导学生与教师合作，共同完成学习过程，一起分享学习成果，享受学习的乐趣。在基于OBE教育理念的教学活动中，学生最终能够掌握什么远比如何学习和何时学习更为重要。在进行基于OBE教育理念的课程教学设计时，教师需要对学生在完成课程学习后应达到的能力水平有着清晰的构想，并根据该专业学生的能力培养要求来设定相应的教学内容和采用相应的教学手段，以保证学生能够达到预期的学习目标。可以说，学习产出变成了整个课程教学环节的驱动力[4]。2020年，受新冠肺炎疫情的影响，大多数高校都开展了网络教学。根据实际情况，太阳能技术及应用课程被设置为：课堂教学（18学时）、讨论教学（6学时）。并且整个学期的前后各12学时，中间空1个月，用于学生进行项目实践。讲解式课堂教学主要是对理论知识进行系统阐述，其内容更多为需要学生记忆、理解的知识；而项目式教学则强调培养学生对知识进行融会贯通的能力以及进行跨学科整合研究的能力。因此，太阳能技术及应用课程采用了“老师强基础、学生重应用”的授课方式，即前16个学时，由教师进行相关理论知识的讲解，并辅以大量的网络教学资源（如西安电子科技大学柴常春等老师主讲的半导体物理等内容）。利用和太阳能技术相关的视频、多媒体课件等，将线上教学与传统线下教学相结合，通过声画结合、图文并茂的形式，多渠道地让学生了解和接收与太阳能技术有关的知识。之后的8个学时，太阳能技术及应用课程采用了翻转课堂教学模式，以学术会议的形式，开展学科前沿讨论活动，让学生根据自己的兴趣和发展方向，选择围绕某一新型电池或传统电池的新工艺来展开调查和论述。另外，太阳能技术及应用课程还让学生针对国内外光伏企业进行调查并完成调查报告。要求调查报告的文章复制比低于30%，以提高学生的学术道德意识。在课后，太阳能技术及应用课程的授课教师可通过网络学习空间来督促学生学习，并通过QQ群、电子邮件等，来及时地解答学生的问题。

三、太阳能技术及应用课程的考核方式

太阳能技术及应用课程采用的是过程考核方式，即学生的课程成绩由若干个考核环节构成，包括学生的平时成绩、课程项目成绩以及个人报告成绩。平时成绩主要考察学生参与课堂教学的情况，由学生的出勤率和活跃度组成，占20分。课程项目成绩主要考察学生查阅文献的能力、对前沿方向的敏感度和捕捉能力、对技术文本的整理归纳和撰写能力，占40分。学生可以3到6人的小组为单位来共同对项目文本进行构思、分析，最终再以小组的形式进行汇报、验收。教师可根据学生个体以及小组的整体表现给出考核结果。个人报告成绩主要考察学生对授课内容的整体把握情况，占40分。综上所述，基于上述太阳能技术及应用课程的内容设置、教学方法以及考核方式，根据学生的反馈情况，燕山大学里仁学院电子科学与技术专业基本上算是达到了预期目标，形成了“以学生为主体，以教师为主导”的教学模式，有效地激励了学生自主学习，主动参与教学过程，帮助学生实现了预期的学习目标。未来，燕山大学里仁学院电子科学与技术专业将逐步引进更好的虚拟实验平台，通过平台操作来强化学生对工艺的认知，同时加强产学育人基地的建设，以实践促学习，从而为国家培养出更多的光伏类人才。

参考文献：

[1]张玲,何伟,林英撑,等.新工科建设和政产学研用协同育人模式的探索[J].大学教育,2020(3):27-30.

[2]王健.基于TiO2球形纳结构阵列的光伏器件设计及制备研究[D].秦皇岛:燕山大学,2019.

[3]利明.能源化工专业太阳能光伏电池基础教学内容体系构建[J].教育教学论坛,2019(13):175-176.

[4]谢平,林洪彬,李继猛,等.OBE背景下研究生示范课程建设及改革:以“信号处理”类课程为例[J].教学研究,2019(4):73-78,101.

作者:徐朝鹏 边飞 田东升 高静 单位:燕山大学信息科学与工程学院 燕山大学理学院实验中心