羅 文，錢艷楠，王文廣*

（廣東工業(yè)大學材料與能源學院，廣東 廣州 510006）

能源是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和社會發(fā)展的主要動力來源和基礎(chǔ)。隨著傳統(tǒng)化石能源的逐漸枯竭及導致的環(huán)境污染，人們的環(huán)保呼聲日益高漲，大力開發(fā)新能源和節(jié)能減排已成為世界各國重點關(guān)注的戰(zhàn)略問題[1]。新能源作為新興產(chǎn)業(yè)，能夠影響一個國家高新技術(shù)發(fā)展的水平，也是未來國際競爭的戰(zhàn)略制高點[2]。作為新能源中的重要組成部分，太陽能是一種清潔、可再生的能源。人們在開發(fā)和利用太陽能時，不會污染環(huán)境和影響生態(tài)平衡。因此，研究和開發(fā)太陽能的高效應用，對于人類社會的生產(chǎn)、生活乃至生存，都具有十分重要的意義[3]。

目前，太陽能的利用主要有太陽能集熱、太陽能光伏發(fā)電和太陽能電池。其中，太陽能電池由于其優(yōu)異的性能受到了廣泛關(guān)注和應用。太陽能電池是一種利用光電效應或光化學效應把光能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。基于太陽能電池集成的太陽能發(fā)電系統(tǒng)具有顯著的優(yōu)勢，如易增容、維護成本低、使用壽命長、性能穩(wěn)定可靠、節(jié)省土地資源等[4]。

《太陽能電池》是廣東工業(yè)大學新能源材料與器件專業(yè)的一門專業(yè)必修課，其目的是使該專業(yè)的學生掌握太陽能光電轉(zhuǎn)換的基本原理、太陽能電池材料的制備工藝以及太陽能電池器件的組裝與性能測試方法，為學生以后從事太陽能電池研究和光伏技術(shù)應用打下堅實的理論和實踐基礎(chǔ)。以高素質(zhì)創(chuàng)新型人才為目標，以提高學生全面素質(zhì)為宗旨，這是我們針對《太陽能電池》的課程性質(zhì)以及新能源背景下提出的教學定位。因此，構(gòu)建《太陽能電池》課程理論和實踐相結(jié)合的教學平臺，以培養(yǎng)學生的專業(yè)素質(zhì)，提高學生的思維能力，增加學生的就業(yè)機會，提高學生服務社會的能力為核心，進行相關(guān)的教學改革具有十分重要的意義。

1 目前存在的問題

在新能源發(fā)展的大背景下，廣東工業(yè)大學材料與能源學院在2016年開設(shè)了新能源材料與器件專業(yè)。本專業(yè)主要系統(tǒng)地學習新能源技術(shù)和材料科學的相關(guān)知識。以新能源技術(shù)和材料科學為主，面向能源行業(yè)特別是太陽能、光電、新能源電池等領(lǐng)域，培養(yǎng)從事新能源材料和器件設(shè)計、制備、表征、分析和管理等相關(guān)工作的高素質(zhì)創(chuàng)新型專業(yè)人才?！短柲茈姵亍愤@門專業(yè)基礎(chǔ)課就是在這種情況下開設(shè)的，但我們在授課中也發(fā)現(xiàn)了傳統(tǒng)的教學過程中存在諸多問題。

1.1 教學理論性強，前期學科基礎(chǔ)要求高

《太陽能電池》是一門相對理論性強的專業(yè)課程，一般包涵太陽能領(lǐng)域的概況、太陽能電池原理、太陽電池組件、以及太陽能光伏系統(tǒng)的種類、設(shè)計、應用、安裝、檢查與測試等[5]。該課程的內(nèi)容涉及材料、物理、電化學、數(shù)學等多學科的知識。盡管學生在前期對電池內(nèi)容有所學習，但與太陽能電池相關(guān)的知識了解不深，一些重要知識點與化學電池相差甚遠，學生難以理解。例如，“光電轉(zhuǎn)化效率”是太陽能電池中的重要概念，但很多學生在平時的學習中，只是記住了簡單的計算公式，對里面的參數(shù)理解不深，還無法與太陽能電池器件融會貫通。此外，太陽能電池中涉及到許多復雜的概念和繁瑣的公式，都需要學生有一定知識儲備才能更好的消化和掌握。

1.2 教學過程缺乏實踐

前面提到本課程理論性強，一般的“講授式”教學以課堂講授為主，學生幾乎是被動接受知識。教學過程不夠生動，學生在學習過程中感到無趣，導致學生的學習積極性不高，教學效果不佳，不能很好地完成教學目標。而且，現(xiàn)有的教學模式缺乏實踐教學，學生一方面難以理解和消化所學知識，另一方面學生也缺乏實踐動手能力，無法理論聯(lián)系實踐。

1.3 教學內(nèi)容不能與時俱進

太陽能電池研究的發(fā)展日新月異，有些研究內(nèi)容的發(fā)展甚至突破了現(xiàn)有理論的極限。但是，目前的教材和教學內(nèi)容相對陳舊，無法跟上太陽能電池領(lǐng)域前沿的高速發(fā)展。如果花費大量學時進行陳舊內(nèi)容的講解，是不利于培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新型人才的，急需調(diào)整和優(yōu)化授課內(nèi)容和方式。

1.4 考核方式單一

目前的教學只要以課堂授課為主，最后的考核方式就是考試（閉卷或開卷）?？紤]到現(xiàn)有的授課學時和教學內(nèi)容，學生很難在有限的時間內(nèi)學習到最重要和前沿的知識，同時在實踐和創(chuàng)新能力上得到鍛煉和考核。所以，現(xiàn)有的考核方式過于單一，需要進行適當?shù)恼{(diào)整或優(yōu)化。

2 教學改革探索

針對《太陽能電池》教學中存在的問題，結(jié)合本專業(yè)的培養(yǎng)目標，采用核心講授與拓展探討、線上學習與線下討論、理論學習與科研實踐相結(jié)合的教學方式，實現(xiàn)互動型教學。經(jīng)過近幾年的教學改革和課程實踐，取得了良好的教學效果。

2.1 核心講授與拓展探討

《太陽能電池》的核心是太陽能電池的原理、組成、設(shè)計和應用。根據(jù)教學目標和授課學時，以尹建華、李志偉主編等的《半導體硅材料基礎(chǔ)》和楊德仁的《太陽能電池材料》為基礎(chǔ)教材，適當?shù)卣{(diào)整和優(yōu)化了教學內(nèi)容，突出了太陽能電池領(lǐng)域的核心基礎(chǔ)知識，并結(jié)合最新的研究進展[6]進行拓展探討，鼓勵學生了解最新的前沿知識并進行小組討論，同時增加拓展討論在考核中所占的比例。一方面可以提高學生的學習興趣，另一方面也能提高學生的理解能力，從而更好地培養(yǎng)學生的思維和創(chuàng)新能力。比如，在講到染料敏化太陽能電池部分，首先講解染料敏化太陽能電池的典型結(jié)構(gòu)、基本原理，以及最新的一些研究進展，然后會將學生分組，鼓勵他們從光陽極、敏化劑、電解質(zhì)、對電極這四部分查閱最新的研究論文，進行分組討論。這樣不僅可以進一步加深他們對染料敏化太陽能電池的基本概念和結(jié)構(gòu)的理解，也能增加學生們的學習興趣，從而提高他們的思維能力。再比如，光陽極是染料敏化太陽能電池的重要組成部分，而目前光陽極材料主要是二氧化鈦。材料的基本結(jié)構(gòu)決定了它的性能。因此，我們可以讓學生去思考怎樣的二氧化鈦結(jié)構(gòu)可以制備出具有高光電轉(zhuǎn)換效率的太陽能電池，包括二氧化鈦的形貌、微結(jié)構(gòu)、晶粒尺寸等，而其微觀形貌又可以分為零維、一維、二維和三維的不同結(jié)構(gòu)。通過這樣的方式，讓學生的思維得到最大的拓展，不僅豐富了知識面，而且對太陽能電池的結(jié)構(gòu)和性能有了更深入的理解。

2.2 線上學習與線下討論

傳統(tǒng)的“講授式”教學限制了學生們的學習積極性，不利于培養(yǎng)高素質(zhì)的創(chuàng)新型人才。因此，進行了一定的教學方法的改革，以線上學習與線下討論為主體，增加與學生的互動與交流，提高了學生們的學習興趣，變被動為主動，有效地提高了教學質(zhì)量。一方面構(gòu)建線上的教學庫，包括一些視頻、動畫、文字說明和核心練習題，以供學生提前預習或課后復習；另一方面，也會在一定時間內(nèi)安排線下討論，針對已學內(nèi)容提出問題或創(chuàng)新想法，進一步鍛煉學生們的學習能力。比如，在講到染料敏化太陽能電池的實際應用時，除了通過動畫或圖片舉例它們在電池領(lǐng)域的應用，也舉例它們在裝飾品、人工太陽葉、在野外帳篷和幕墻等領(lǐng)域的應用，然后鼓勵學生們課后搜索，發(fā)現(xiàn)更多的應用領(lǐng)域，并在線下進行討論，從而提高學生們的理解和認知能力。再比如，敏化劑是染料敏化太陽能電池的重要部分，現(xiàn)階段除了一些工業(yè)化的染料之外，自然界中也有很多染料，廣泛存在于各種植物的根、莖、葉中?？梢宰寣W生去討論哪些天然染料可以用來敏化太陽能電池，它們又要滿足什么樣的條件，從而把大自然跟課程知識聯(lián)系起來。

2.3 理論學習與科研實踐相結(jié)合

《太陽能電池》這門課理論知識豐富，學科范圍廣泛，單純的理論學習不僅降低了學生們的學習興趣，也會限制他們對所學內(nèi)容的理解和運用。結(jié)合本專業(yè)的優(yōu)勢，提出理論學習與科研實踐相結(jié)合的教學方式。針對不同的太陽能電池，結(jié)合不同的科研團隊，給學生們實際學習和動手操作的機會，鍛煉他們的動力能力，進一步加強他們的理解和創(chuàng)新能力。比如，在講解染料敏化太陽能電池部分，會讓學生們分組進入相關(guān)科研課題組，實際演示和講解經(jīng)典染料敏化太陽能電池的制備過程，然后讓他們自己動手完成簡單的電池制備，增強他們的感性認識，提高實踐動手能力。再比如，教會他們使用電化學工作站測試太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率，而電化學工作站又是其他電池如鋰離子電池、超級電容器的常用測試儀器，由此也促進了他們對其他專業(yè)課程知識的掌握。

3 結(jié)論

《太陽能電池材料》作為新能源材料與器件專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課，在前期課程和后續(xù)課程之間起到一個重要的橋梁作用。學生學習質(zhì)量的高低，直接影響他們對太陽能電池和其他相關(guān)材料科學領(lǐng)域知識的掌握。本文在新能源背景下，研究《太陽能電池》課程的理論和實踐教學改革，輔助以教學方法的改進。經(jīng)過我們的教學改革，極大地提高了學生學習的興趣，課堂教學質(zhì)量有了顯著提高，近幾年的教學評價都處于學院前列。此外，學生們的思維和動手能力也得到了鍛煉，有助于培養(yǎng)高素質(zhì)的創(chuàng)新型人才。