張懌 郭蘇

【摘要】本文主要從建設(shè)背景及目標、課程建設(shè)內(nèi)容與特點、課程建設(shè)具體措施等方面探討新能源專業(yè)“太陽能利用技術(shù)”課程的建設(shè)思路與方法，以“培養(yǎng)專業(yè)特色人才”為根本，堅持理論與實踐相融合，通過課堂授課、課后作業(yè)及線上自學資源等形式全面培養(yǎng)學生對相關(guān)學習內(nèi)容的理解與運用能力。為我國“雙碳”國策培養(yǎng)高質(zhì)量的新能源背景專業(yè)人才。

【關(guān)鍵詞】太陽能利用技術(shù)? 光伏工作原理? 新能源課程? 碳達峰與碳中和

【中圖分類號】G642.3;TM615-4 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2021）30-0177-02

新能源專業(yè)是一門學科高度交叉的新興專業(yè)，其內(nèi)容涉及多種專業(yè)跨度極大的研究領(lǐng)域。本文以新能源專業(yè)中的“太陽能利用技術(shù)”專業(yè)課為案例，就課程中太陽能光伏部分的教學內(nèi)容與方法建設(shè)具體展開研究與討論，以進一步提高課程教學質(zhì)量，對新能源專業(yè)其他相關(guān)課程的建設(shè)與改革起到引領(lǐng)示范作用。

一、課程建設(shè)背景及目標

國家主席習近平在2020年聯(lián)合國氣候雄心峰會上宣布：中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施控制二氧化碳排放，力爭于2030年前達到峰值，爭取在2060年前實現(xiàn)碳中和，同時到2030年，中國單位國內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放將比2005年下降65%以上，非化石能源占一次能源消費比重將達到25%左右，森林蓄積量將比2005年增加60億立方米，風電、太陽能發(fā)電總裝機容量將達到12億千瓦以上。上述內(nèi)容即為我國“碳達峰碳中和”戰(zhàn)略的關(guān)鍵時間點和具體目標。隨著“碳達峰碳中和”國策的提出，以水能、風能、太陽能為代表的可再生能源產(chǎn)業(yè)即將迎來更加快速高質(zhì)量的發(fā)展期[1-2]，這對我國新能源人才的培養(yǎng)提出了更高、更新的要求和挑戰(zhàn)。

河海大學新能源專業(yè)依托學校傳統(tǒng)優(yōu)勢學科，在專業(yè)教學和人才培養(yǎng)方面獨具特色和專業(yè)優(yōu)勢，現(xiàn)已形成以風能為主、太陽能及其他新能源為補充的成熟新能源人才培養(yǎng)體系。其中針對太陽能發(fā)電原理及應(yīng)用，開設(shè)了“太陽能利用技術(shù)”專業(yè)課及課程設(shè)計實踐環(huán)節(jié)。由于該課程很多內(nèi)容涉及微電子學及固體電子學的相關(guān)知識，這對以學習風電為主的新能源專業(yè)本科生而言，過于抽象且不易理解。本文將針對上述問題，提出以下幾點建設(shè)措施。

二、課程建設(shè)內(nèi)容與特點

太陽能光伏技術(shù)作為一種重要的新能源技術(shù)近年來獲得了快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，其核心關(guān)鍵技術(shù)為太陽能半導(dǎo)體光伏組件的工作原理。因此，“太陽能利用技術(shù)”專業(yè)課第一章將首先教授學生半導(dǎo)體的物理特性基礎(chǔ)，其中半導(dǎo)體的能帶模型和能鍵模型的概念、構(gòu)建和應(yīng)用最為抽象難懂。學生需有一定的凝聚態(tài)物理、材料學及量子物理學背景才能深刻理解相關(guān)知識。而由于課程設(shè)置等原因，學生一般很少具備相關(guān)基礎(chǔ)，這就導(dǎo)致了教師需花費大量時間以補充相關(guān)知識盲點，造成一定的課程時間浪費。在學生掌握相關(guān)知識后，本專業(yè)課第二章將繼續(xù)介紹P型及N型半導(dǎo)體概念和P-N結(jié)工作原理，此處的教學難點是半導(dǎo)體中載流子運動較為抽象，很難給學生闡述具體過程。這就造成了學生對一些基本概念產(chǎn)生混淆，如完全電離后的摻雜離子能夠運動等錯誤概念。在完成P-N結(jié)工作原理教學后，本課程第三章將介紹基于單P-N結(jié)的光伏電池工作原理，此處教學內(nèi)容的難點是擴散與漂移電流的形成原因與先后順序的解釋與闡述。由于多種離子（如：電子、空穴、完全電離的正負離子等）都參與到該過程中造成學生對暗環(huán)境下P-N結(jié)內(nèi)部載流子運動的動態(tài)平衡過程產(chǎn)生錯誤認知等問題。另外，熱力平衡與光照狀態(tài)下的P-N結(jié)半導(dǎo)體電流電壓曲線的變化關(guān)系與經(jīng)驗公式也是教學難點。綜上所述，太陽能光伏發(fā)電原理內(nèi)容專業(yè)性較強，邏輯遞進關(guān)系緊密，涉及多種物理概念和復(fù)雜物理過程，這些特點都不利于學生有效掌握相關(guān)知識。從課堂問答及考試中都反映出一些問題，如基礎(chǔ)概念混淆、物理公式錯用、物理過程不明晰等問題。上述問題部分源于學生惰性或基礎(chǔ)薄弱，部分也源于老師授課方式不科學或教學內(nèi)容過于深入晦澀，無法讓學生深入淺出地掌握相關(guān)知識，不利于激發(fā)學生的學習興趣。

三、課程建設(shè)具體措施

（一）完善教學課件羅列知識重點難點厘清教學邏輯（課前）

授課前應(yīng)開展專業(yè)背景調(diào)查，統(tǒng)計學生專業(yè)背景知識儲備水平，并據(jù)此調(diào)整課程內(nèi)容和難度。開始授課前仔細準備相關(guān)課件，并請資深教師就課件內(nèi)容和結(jié)構(gòu)提出意見和建議，及時根據(jù)反饋信息修改課件。收集相關(guān)短視頻（如：我國太陽能光伏技術(shù)產(chǎn)業(yè)紀錄片）或準備開放性話題（如：新能源產(chǎn)業(yè)就業(yè)前景展望）以調(diào)動學生的學習興趣和積極性。

（二）充分利用線上教學軟件輔助知識難點理解（課中）

針對部分抽象概念，準備1～2個相關(guān)光伏自學網(wǎng)站及推薦專業(yè)書籍，需包含一定的教學動畫示意且內(nèi)容深度與授課內(nèi)容高度匹配。通過教師口頭講述知識點配合相關(guān)動畫演示開展教學工作，同時注重類別將抽象概念與學生所熟悉的實物相類比，以提高鞏固教學效果。此外，一般類似軟件都以英文為主，可讓感興趣的學生課后自學相關(guān)內(nèi)容，同時鍛煉提高英文水平。

（三）師生及時溝通獲得教學效果反饋（課中）

每講授完一個知識點需及時獲得學生反饋，即教師教學/提問時間與學生作答討論時間基本保持2∶1的比例，以提高課堂氣氛并保持學生注意力。重點培養(yǎng)學生對課題內(nèi)容的興趣，鼓勵學生積極參與問題作答與小組討論。

（四）準備或出版適用于實際教學情況的教材或講義（課后）

總結(jié)教學內(nèi)容，形成一套切合實際情況的教學方案和教材（或講義）。鼓勵學生積極從中學習相關(guān)內(nèi)容并提出建議和意見。及時總結(jié)教學經(jīng)驗和方法，并撰寫相關(guān)教改論文或報告。以“太陽能利用技術(shù)”專業(yè)課為例，教學團隊已出版相關(guān)教材《太陽能發(fā)電原理及應(yīng)用》一部[3]，該教材既可用于太陽能利用技術(shù)課程的教學也對相關(guān)科學研究具有一定參考意義。

四、教學案例分析

（一）借助簡單教具和類比方法教授晦澀知識點

以半導(dǎo)體能帶模型中電子從價帶躍遷至導(dǎo)帶后在導(dǎo)帶留下空穴過程為例，該知識點的掌握既要求學生對半導(dǎo)體能帶模型有一定理解，也要對該過程中的離子種類和物理過程有清晰認識。其中“空穴”是電子躍遷后剩余其他電子在價帶中自由移動所形成的抽象概念，此時可通過滿瓶裝礦泉水瓶進行類比。將瓶中的水視為可自由移動的“電子”，由于此時瓶中無空氣，可視為滿帶狀態(tài)下的價帶。當?shù)沟舨糠制恐械V泉水后，瓶中出現(xiàn)空氣，這時可將空氣視為電子躍遷至導(dǎo)帶后在價帶留下的“空穴”。倒置礦泉水瓶，我們可發(fā)現(xiàn)瓶中空氣發(fā)生上?。芏容^大的水會流向瓶底）。該情況下，我們既可視為水在流動，也可視為空氣在流動，這同樣也適用于價帶中“電子”與“空穴”的流動?？昭ú⒎菍嶋H存在的粒子，只是為了便于描述價帶中的電子移動而引入的抽象概念。該教學方法借助學生所熟悉的事物（即礦泉水及水瓶）將較為抽象的知識概念（即電子躍遷及空穴形成）具象化，從而達到深入淺出的教學效果。

（二）借助教學動畫演示闡述復(fù)雜物理過程

以半導(dǎo)體P-N結(jié)形成過程為例，利用線上教學資源（如Photovoltaic Education Website[4]）中的演示動畫可清晰展現(xiàn)半導(dǎo)體中各種不同帶電粒子。這些粒子包括但不限于帶負電的電子（可自由移動）、電離化受主雜質(zhì)（不可自由移動）以及帶正電的空穴（可自由移動）和電離化施主雜質(zhì)（不可自由移動）。基于能量守恒及電荷守恒定律，這些粒子共同構(gòu)成了半導(dǎo)體P-N結(jié)內(nèi)的粒子動態(tài)平衡過程。演示動畫按照不同階段演示不同物理過程，并模擬可自由移動粒子受內(nèi)置電場和濃度差值影響所形成的漂移電流及擴散電流的大小及方向。相比于課件中固定的圖片，動畫能夠更加形象幫助教學。該線上教學資源具有體系化和模塊化等特點，可為學生在學習該課程的過程中提供一定參考和幫助。該教學資源語言為英語，因此也可幫助學生在掌握基本專業(yè)知識基礎(chǔ)上，拓展提升相關(guān)專業(yè)英語水平。在平時課堂中也可適當增加相關(guān)英文知識拓展學生知識內(nèi)容。

（三）通過實際數(shù)據(jù)和事實開展符合社會主義核心價值觀的思政課程建設(shè)

在開展專業(yè)課教學時，還將通過羅列實際數(shù)據(jù)和我國光伏領(lǐng)域的發(fā)展成就開展符合社會主義核心價值觀的思政課程建設(shè)。樹立學生正確的人生觀、世界觀和價值觀，培養(yǎng)學生愛國主義精神和對社會主義制度優(yōu)越性的自信，鍛煉學生堅持用唯物主義思想辯證看待所學習的相關(guān)專業(yè)知識，最終培養(yǎng)出具有新能源專業(yè)背景的復(fù)合型人才。

五、結(jié)論與展望

本文重點闡述了新能源專業(yè)“太陽能利用技術(shù)”專業(yè)課程的建設(shè)內(nèi)容及方法、特點。針對該專業(yè)課所存在的教學難點，提出拓展線下線上教學資源，利用現(xiàn)有資源改進教學方法，在課堂內(nèi)容上全面提升教學效果激發(fā)學生學習興趣，最終致力于培養(yǎng)學生綜合學習能力，掌握太陽能發(fā)電原理基本知識，鍛煉學生自我思辨能力，從而將學生培養(yǎng)為滿足“雙碳”國策需求的新能源高級專業(yè)技術(shù)人才。

參考文獻：

[1]李全生.碳中和目標下我國能源轉(zhuǎn)型路徑探討[J]. 中國煤炭，2021，47（8）：7.

[2]鄒才能.新能源在碳中和中的地位與作用[J].石油勘探與開發(fā)，2021，48（2）：10.

[3]郭蘇，張懌.太陽能發(fā)電原理及應(yīng)用[M].北京： 中國水利水電出版社， 2021.

[4]C.B.Honsberg， S.G.Bowden. Photovoltaics Education Website.（Available： www.pveducation.org.）2019.

作者簡介：

張懌（1989年-），男，漢族，江蘇東臺人，講師，博士研究生，研究方向為電子科學與技術(shù)。

郭蘇（1982年-），女，漢族，遼寧撫順人，教授，博士研究生，研究方向為動力工程及工程熱物理。