于瓊燕,劉帥帥

(河南工程學(xué)院 理學(xué)院，河南 鄭州 451191)

隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和全球?qū)δ茉葱枨蟮娜找嬖黾樱?、煤炭等傳統(tǒng)的能源具有不可再生性，同時(shí)伴隨著這些能源的應(yīng)用造成環(huán)境的污染，能源和環(huán)境問(wèn)題成為社會(huì)發(fā)展面臨的兩大問(wèn)題。解決這些問(wèn)題的途徑就是開(kāi)發(fā)和利用新能源，而太陽(yáng)能是一種取之不盡、用之不竭的可再生新能源，太陽(yáng)能光伏發(fā)電則是一種零排放且能夠規(guī)模應(yīng)用的能源技術(shù)，其開(kāi)發(fā)與利用越來(lái)越引起人們的重視[1]。因此，作為太陽(yáng)能的三大應(yīng)用方式之一的光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)就迅速發(fā)展起來(lái)，而產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需要相應(yīng)的人才，應(yīng)用物理光伏方向?qū)I(yè)在我國(guó)部分高校逐漸設(shè)立和發(fā)展起來(lái)[2]。但是作為一新型的專業(yè)，如何和社會(huì)光伏發(fā)展相結(jié)合，如何看清光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的前景，如何提高學(xué)生對(duì)專業(yè)的認(rèn)識(shí)等問(wèn)題，是教師們關(guān)心和解決的問(wèn)題，尤其是光伏方向課程的教師。因此，作為一名《太陽(yáng)能光伏材料》的教師，在教學(xué)中不斷探索其教學(xué)方法，提高教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果，使學(xué)生學(xué)有所用，更快的適應(yīng)社會(huì)并推動(dòng)光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

1 課堂知識(shí)的講解技巧

1.1 教材的框架

依據(jù)制定的應(yīng)用物理專業(yè)光伏方向的培養(yǎng)方案和目標(biāo)，選擇合適的教材是上好課的第一步。本文是以《太陽(yáng)能電池材料及其應(yīng)用》(李偉主編)作為上課用書(shū)，在上課的過(guò)程中主要參考楊德仁主編的《太陽(yáng)能電池材料》。當(dāng)然為了更好的備課，在熟悉和掌握教材內(nèi)容外，結(jié)合專業(yè)實(shí)際和學(xué)生本身查閱大量的相關(guān)資料去豐富和更新。

在確定教材的基礎(chǔ)上，熟悉和掌握教材內(nèi)容是上課的前提，但是提煉出教材的框架是上好課的前提?！短?yáng)能電池材料及其應(yīng)用》一書(shū)從太陽(yáng)能電池的物理基礎(chǔ)出發(fā)，圍繞幾種典型太陽(yáng)能電池材料的性質(zhì)、制備工藝及其與器件性能的關(guān)系進(jìn)行詳細(xì)闡述[3]。教材的主題框架如圖1示，具體分析如下：

(1)教材的第一部分是基礎(chǔ)知識(shí)。包括太陽(yáng)能利用方式和太陽(yáng)能電池的基礎(chǔ)知識(shí)。

(2)教材的第二部分是硅材料太陽(yáng)電池，按照單晶硅、鑄造多晶硅、帶硅多晶硅、非晶硅的主線分別進(jìn)行分析，而每一種硅材料是依據(jù)基本性質(zhì)及應(yīng)用、制備、雜質(zhì)和缺陷的內(nèi)容安排。

(3)教材的第三部分是化合物電池材料，包括GaAs、CdTe、CIS類化合物。主要是材料的基本性質(zhì)、制備、太陽(yáng)能電池的內(nèi)容?；拘再|(zhì)都是從結(jié)構(gòu)、相圖、光學(xué)性質(zhì)和電學(xué)性質(zhì)方面進(jìn)行展開(kāi)。作為本部分的主要內(nèi)容，三種化合物太陽(yáng)電池著重于電池的結(jié)構(gòu)分析，這部分類似于非晶硅，但是不同于單晶硅和多晶硅部分。對(duì)于不同化合物分析方式也稍有差異， GaAs材料中的雜質(zhì)和缺陷是單獨(dú)的小節(jié)，且GaAs作為教材中出現(xiàn)的第一種化合物，其雜質(zhì)按照元素在周期表的位置進(jìn)行分類講解，CdTe的摻雜與GaAs比較相似，只是以較少的篇幅分布在基本性質(zhì)中進(jìn)行分析，CIS類化合物的摻雜也是基本性質(zhì)中分析，但是由于其自摻雜的特點(diǎn)在電學(xué)性能部分作為主要分析的內(nèi)容。

(4)教材的第四部分是有機(jī)太陽(yáng)能電池材料和染料敏化太陽(yáng)電池。本教材的主要優(yōu)點(diǎn)之一就是在無(wú)機(jī)電池材料的基礎(chǔ)上加入這兩種材料，目前產(chǎn)量的太陽(yáng)電池是以硅材料為主的無(wú)機(jī)材料制成的，其他種類的電池更多的是實(shí)驗(yàn)室的研究階段，但是有其各自的優(yōu)點(diǎn)和在小范圍的應(yīng)用，需要更好的研究和利用，使得教材在內(nèi)容上更為全面、也為學(xué)生以后的發(fā)展方向提供了多樣性。

1.2 課題的引入

一節(jié)課是否精彩，是否能出奇制勝，關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)就是新知識(shí)的引入，如何在復(fù)習(xí)上節(jié)課知識(shí)點(diǎn)的基礎(chǔ)上過(guò)渡到新知識(shí)點(diǎn)，新知識(shí)點(diǎn)如何登場(chǎng)是教師在備課階段需要考慮的問(wèn)題，而不是平淡的敘述。

例如GaAs太陽(yáng)電池第一節(jié)的講解，由于其是我們學(xué)習(xí)硅材料后的第一種化合物半導(dǎo)體材料，需要有承上啟下的過(guò)渡，首先是復(fù)習(xí)硅材料的種類及其優(yōu)缺點(diǎn)，一句話概括內(nèi)容：但是歸結(jié)起來(lái)材料的成分都是單質(zhì)硅。同時(shí)提出問(wèn)題：有沒(méi)有化合物太陽(yáng)電池材料？有哪些？為什么只有這些化合物作為電池材料？有哪些優(yōu)點(diǎn)等。自然而然的過(guò)渡到化合物太陽(yáng)電池材料，回答了以上幾個(gè)問(wèn)題，就是新章節(jié)的概論。

引入電池的應(yīng)用是達(dá)到很好教學(xué)效果的一種方法，如GaAs太陽(yáng)能電池材料，展示神舟八號(hào)和神舟九號(hào)飛船的圖片，分析電池的作用及達(dá)到的轉(zhuǎn)換效率。神八之前也利用太陽(yáng)能電池，但是用的是硅太陽(yáng)電池，分析與硅電池的不同，應(yīng)用GaAs太陽(yáng)能電池的原因，并得出GaAs太陽(yáng)電池的優(yōu)點(diǎn)。有條理的引入和過(guò)渡，吸引學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。又如染料敏化太陽(yáng)電池的應(yīng)用，由于其應(yīng)用更多的局限于小范圍，學(xué)生了解的更少，課本涉及該內(nèi)容也很少，為了讓學(xué)生更好的了解染料敏化太陽(yáng)電池，查閱大量的相關(guān)資料，并且加以篩選和分類，呈現(xiàn)該類電池的多方面應(yīng)用，如背包充電器、屋頂鋪設(shè)太陽(yáng)電池、衣服飾品、幕墻的裝飾發(fā)電、與帳篷結(jié)合的發(fā)電設(shè)施以及軍事應(yīng)用的染料敏化太陽(yáng)的電池，雖然其應(yīng)用沒(méi)有GaAs太陽(yáng)電池的航空應(yīng)用給學(xué)生的印象深刻，但是一張張五顏六色的圖片展示染料敏化太陽(yáng)電池應(yīng)用的廣泛性和靈活性，也同樣起到吸引學(xué)生注意力的作用。

1.3 知識(shí)點(diǎn)的連貫性和一致性

在上課期間，要大膽的對(duì)教材做出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整和補(bǔ)充新的知識(shí)，但不是盲目的否定教材，而是根據(jù)教學(xué)的實(shí)際做出調(diào)整。如硅材料的講解部分，教材對(duì)單晶硅和多晶硅材料的雜質(zhì)與缺陷都進(jìn)行了分析，但是多晶硅材料僅局限于多晶硅薄膜的雜質(zhì)和缺陷。而多晶硅電池(主要是鑄造多晶硅)占全球太陽(yáng)能電池的54%，并且與單晶硅的相比，多晶硅含有相對(duì)較多的雜質(zhì)和缺陷，直接影響太陽(yáng)能電池的性能，所以多晶硅中雜質(zhì)和缺陷的分析顯得更為重要。同時(shí)也為了內(nèi)容上的一致性，需要補(bǔ)充鑄造多晶硅中的雜質(zhì)和缺陷，主要分析氧、碳雜質(zhì)和金屬雜質(zhì)、晶界和位錯(cuò)的性質(zhì)[4]。

又如CIS太陽(yáng)電池的材料章節(jié)的講解，與前面各種材料的章節(jié)分布情況具有一條相似的主線：材料的基本性能-材料的制備-太陽(yáng)電池，其中材料的制備又分為單晶、多晶和薄膜的制備。如果CIS材料章節(jié)也按照這樣的主線分析需要有CIS類薄膜的制備，但是教材上未單獨(dú)列出。由于材料制備特點(diǎn)也是體現(xiàn)出材料性能差異的一方面，也為了知識(shí)點(diǎn)的一致性和方便學(xué)生更好的理解，通過(guò)查閱資料，在備課時(shí)補(bǔ)充常用的CIS類材料薄膜的制備技術(shù)：同步蒸鍍法和硒化法，并且在顏色鮮明、制作形象的圖片基礎(chǔ)上，分析制備的原理和方法，并比較兩者的優(yōu)缺點(diǎn)。

1.4 教材內(nèi)容的更新和調(diào)換

大膽舍棄教材中部分不易掌握的圖片，及時(shí)更換清晰和最新的圖片。結(jié)合教材內(nèi)容與學(xué)生的實(shí)際情況，分析出不易理解和掌握的知識(shí)點(diǎn)，查閱光伏相關(guān)的資料，查找或制作最新和更適合的圖片。如CIGS電池材料章節(jié)的太陽(yáng)電池部分，目前效率最高的CIGS電池結(jié)構(gòu)及各組成的作用是本節(jié)的一個(gè)重點(diǎn)，重新制作更加清晰和體現(xiàn)知識(shí)點(diǎn)的圖片，如圖2，學(xué)生很容易理解和掌握。圖2左展示電池的結(jié)構(gòu)和組成，同時(shí)標(biāo)注有各組成的厚度，圖2右展示電池各組成的作用。

圖2 CIGS 太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)

1.5 知識(shí)點(diǎn)的重新組織

知識(shí)的講解不僅僅是口若懸河的灌輸，還要注意各知識(shí)的組織和聯(lián)系，講解時(shí)掌握一定的技巧和過(guò)渡，并及時(shí)提出問(wèn)題。例如多晶硅薄膜的制備，各種制備方法學(xué)生易混淆。講解這部分內(nèi)容時(shí)，第一，列出化學(xué)氣相沉積法制備多晶硅薄膜的三種方式： 等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)、低壓化學(xué)氣相沉積(LPCVD)、熱絲化學(xué)氣相沉積(HWCVD)；第二，提出問(wèn)題：三種制備方式的氣源、工作原理、襯底溫度？第三，通過(guò)學(xué)生短時(shí)間的閱讀得到答案；第四，帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行分析，也是關(guān)鍵的一步，起到畫(huà)龍點(diǎn)睛的作用。氣源都是硅烷，而晶體硅的制備利用高純多晶硅熔融后重結(jié)晶的方法相比，溫度需要幾百度就可以硅烷分解沉積硅，不需要加熱到硅的熔點(diǎn)以上(1412 ℃)，當(dāng)然熱絲化學(xué)沉積法除外。另外從三者襯底溫度比較，PECVD(100～300℃)、LPCVD(500～600 ℃)和HWCVD(175～400℃)，分析襯底對(duì)材料的影響。學(xué)生在分析知識(shí)點(diǎn)的過(guò)程中積極參與問(wèn)題的解決，提高其學(xué)習(xí)的主動(dòng)性。

又如非晶硅薄膜電池這一節(jié)的講解。本節(jié)重點(diǎn)分析非晶硅薄膜電池的兩種結(jié)構(gòu)，課本只有文字的描述，學(xué)生不容易接受?？梢圆捎肅dTe太陽(yáng)能電池的上層配置和底層配置的分析方式，在講解的同時(shí)以圖片形式顯示非晶硅結(jié)構(gòu)的各組成，則兩種電池結(jié)構(gòu)就清晰的呈現(xiàn)出來(lái)，也利于分析其結(jié)構(gòu)的差異，進(jìn)而得到電池性能的差異，如圖3和圖4示，講解時(shí)還可以加上動(dòng)畫(huà)展示出兩種電池制作沉積的先后順序，更為形象，利于學(xué)生對(duì)知識(shí)的總結(jié)和掌握。

圖3 非晶硅薄膜的p-i-n結(jié)構(gòu)

圖4 非晶硅薄膜的n-i-p結(jié)構(gòu)

2 學(xué)生的參與

2.1 知識(shí)的拓展和分享

學(xué)生參與課堂知識(shí)點(diǎn)分享的內(nèi)容主要是兩個(gè)方面，一方面是已經(jīng)學(xué)過(guò)知識(shí)的總結(jié)與敘述；一方面是知識(shí)的補(bǔ)充。學(xué)生積極準(zhǔn)備、收集和篩選知識(shí)點(diǎn)，并轉(zhuǎn)化為自己的語(yǔ)言，敘述給大家，在學(xué)新知識(shí)的同時(shí)，積極和同學(xué)們分享新的內(nèi)容，也鍛煉了語(yǔ)言表達(dá)能力。當(dāng)然，由于課程的安排，學(xué)生的這部分活動(dòng)只占用課堂中的十分鐘時(shí)間或者習(xí)題課。學(xué)生的課堂參與講解不是主要目的，而是要發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，解決問(wèn)題，利于學(xué)生理解和掌握。畢竟學(xué)生的知識(shí)面較窄，很多內(nèi)容只是簡(jiǎn)單敘述，且關(guān)聯(lián)性較差，更多還需要老師的指導(dǎo)，當(dāng)然在學(xué)生分享知識(shí)的同時(shí)，老師需要對(duì)知識(shí)點(diǎn)做一個(gè)總結(jié)和評(píng)定，并分析與課本知識(shí)的聯(lián)系以及難點(diǎn)等，起到事半功倍的作用。

應(yīng)用物理學(xué)專業(yè)學(xué)生積極參與課堂知識(shí)的分享，起到了較好的效果，在培養(yǎng)學(xué)生的理解能力和表達(dá)能力、充分表現(xiàn)自我的同時(shí)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極主動(dòng)性和學(xué)習(xí)的興趣。另外，在學(xué)生講解的時(shí)候，更多的是發(fā)現(xiàn)學(xué)生掌握的薄弱環(huán)節(jié)，針對(duì)這些問(wèn)題再做深入和全面的分析。

2.2 知識(shí)的綜合和討論

《太陽(yáng)能光伏材料》課程內(nèi)容安排上有別于其他課程，除了基礎(chǔ)知識(shí)，幾種太陽(yáng)電池材料的內(nèi)容是平行分布，當(dāng)然，根據(jù)太陽(yáng)電池材料的應(yīng)用情況有詳細(xì)和簡(jiǎn)略之分。各種材料的知識(shí)點(diǎn)都含有材料的基本性質(zhì)、材料的制備、材料的太陽(yáng)電池等內(nèi)容，為了方便學(xué)生掌握，也提高學(xué)生的綜合能力，及時(shí)讓學(xué)生綜合各材料的性質(zhì)、制備特點(diǎn)及差異，尤其是各電池材料太陽(yáng)電池的優(yōu)缺點(diǎn)和目前解決的方案。知識(shí)綜合的過(guò)程中，需要一定的討論，使知識(shí)的綜合更全面，利于學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握。

另外，充分利用習(xí)題課時(shí)間進(jìn)行作業(yè)的答疑和分析。作業(yè)是體現(xiàn)學(xué)生對(duì)知識(shí)掌握情況的一種有效方式，所以要認(rèn)真對(duì)待每一次作業(yè)的批改，而不僅僅是給出對(duì)和錯(cuò)。首先，需要認(rèn)真批改學(xué)生的每次作業(yè)，每道題的作答情況進(jìn)行分類，并在習(xí)題課上一一列出來(lái)；其次，帶領(lǐng)同學(xué)們找到相關(guān)的內(nèi)容，展開(kāi)討論，確定最終的答案。使學(xué)生在討論中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，在討論中解決問(wèn)題，也在討論中掌握知識(shí)。

3 結(jié)束語(yǔ)

上一節(jié)課容易，但是上好一節(jié)課不容易。需要教師在充分理解和組織教材內(nèi)容同時(shí)，還需要查閱大量的資料去補(bǔ)充和修飾。特別是對(duì)于新開(kāi)設(shè)的課程，如《太陽(yáng)電池材料》，有課程本身的特點(diǎn)，結(jié)合光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及時(shí)加入新知識(shí)和新技術(shù)，更多的備課和講課技巧需要不斷的在實(shí)際教學(xué)中探索和總結(jié)，更好的激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，更好的掌握和運(yùn)用課本知識(shí)，更好的服務(wù)于當(dāng)?shù)氐墓夥a(chǎn)業(yè)。